基于電液比例閥控制的采煤機自動調高液壓系統的研究

史彥軍

（山西西山晉興能源有限公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

采煤機是礦井煤炭機械化開采最關鍵的設備，也是保證井下煤炭開采安全、高產高效和改善綜采作業面的最重要的技術設備。采煤機的自動控制包括兩部分，即牽引和滾筒升降的控制。滾筒的自動升降控制是指采煤機在實際開采中，可根據煤層高度的變化來調整前后滾筒的位置，而傳統的采煤機調高則是通過手動調高以及操作工人手持遙控器或者借助端頭操作來完成升降動作。由于井下工作灰塵大且能見度低，僅僅依靠肉眼觀察割煤時搖臂的擺動狀態、煤介質的飛濺情況，并無法準確判定割煤的實際情形，也無法及時對滾筒高度做出調整，因此時常會出現割頂梁、鏟煤板等不良現象，且截割的巖石混在原煤中會降低煤炭產品的質量，此外，還會造成截齒和滾筒的急劇磨損，不安全事故時有發生[1]。因此，滾筒調高系統作為采煤機的關鍵組成部件，有必要對其自動調高技術進行研究，本文應用電液比例閥控制的調高液壓系統，可實現在煤層高度范圍內滾筒高度隨意上下調整，以滿足復雜煤層的變化需求，從而獲得最佳的割煤效果和最大的回采率，進而提高煤炭產品的質量。

1 電液比例閥控制的自動調高液壓系統介紹

電液比例閥可以實現對液壓參數的管控，多應用于開環控制系統中，也可作為放大組件和信號轉換部件用于閉環控制系統中。電液比例閥控制系統包括：指令元件、控制算法、比例放大器、電液比例閥、液壓執行元件、檢測反饋元件等。電液比例閥控制系統特征：采用比例控制模式的液壓執行元件，通過改變元件比例系數來控制系統，且輸入信號的不同變化也是通過元件的線形跟蹤來進行控制，從而實現輸出信號對輸入信號的線性響應。電液比例閥控制系統優點：控制精度高，在煤礦實際生產中可完全滿足液壓系統的要求，且成本低[2]。

電液比例閥控制的自動調高液壓系統的工作過程：在液壓泵的動力作用下，液壓油經過濾器后從油箱進入控制系統，形成動力源，為整個調高液壓系統提供所需的動力；在對電液比例閥左位通電時，液壓油經過液壓鎖進入到系統液壓油缸的無桿腔，對液壓缸內的流量體積產生影響變化；隨后活塞桿移至右端，有桿腔液壓油經過液壓鎖、安全閥回落至油箱，使液壓油缸持續運動而頂出，即完成采煤機自動調高動作。在液壓油缸達到預期高度的情況下，液壓鎖、安全閥可以將壓力持續保持在一個恒定值，從而保證采煤機滾筒也穩定在一定位置上。當對電液比例閥切斷電源時，經過調高油缸的無桿腔，液壓油流回到油箱，液壓缸活塞桿收回，滾筒下降動作完成[3]。其工作原理示意圖如圖1 所示。

圖1 基于電液比例閥控制的調高液壓系統的原理圖

2 電液比例閥控制的自動調高液壓系統模擬分析

2.1 電液比例閥電流與流量的特性分析

首先，為確定本文設計應用的電液比例閥能否滿足煤礦工程生產需求，可通過觀測其實際工作中零位死區的范圍大小來實現。由于受彈簧剛度及閥口開啟量的大小影響，電液比例閥會產生約20%的死區間范圍，在此期間，油液在一定時間范圍內并不流通，即此時電液比例換向閥不連通[4]。本文設計的是在額定電流的10%～20%時，電液比例換向閥幾乎無油液流過，電液比例換向閥電流與流量的特性曲線如圖2 所示。因此，本文設計采用的電液比例閥自動調高液壓系統滿足要求，可以使用。

圖2 電液比例閥電流與流量的特性變化曲線

2.2 自動調高系統的油缸活塞位移情況分析

對于電液比例閥控制的自動調高系統，選取的液壓缸、安全閥、液壓鎖、液壓泵、油箱等液壓元件均需保證調高液壓系統的正常使用。設定研究參數：模擬時間10 s，步長0.1 s，設定信號位移0.5 m，對采煤機調高系統的油缸活塞位移進行跟蹤，并觀察其位移變化量，得到圖3 所示的曲線圖。

圖3 液壓油缸活塞跟蹤位移的變化曲線圖

從圖3 中可知，對于采煤機滾筒的自動調高進程，控制系統的流量在逐漸減少，液壓油缸活塞桿的位移量隨時間的增大先線性增加后趨于穩定，可見液壓油缸活塞桿可快速平穩地達到設定位移0.5 m處的位置，即在時間7.8 s 時，液壓油缸活塞桿的位移穩定到0.5 m 的位置。

2.3 液壓油缸活塞桿的運動情況分析

分析電液比例閥控制的調高液壓系統在承受負載的作用下，模擬液壓油缸活塞桿的運動情況。在設定研究參數是模擬時間0.5 s，步長0.01 s，對采煤機自動調高系統的油缸活塞響應速度進行分析，得到如圖4 所示的曲線圖。

圖4 液壓油缸活塞響應速度的變化曲線圖

從圖4 中可得出，采煤機在自動調高過程中，在0.5 s 的時間區間內，曲線由比例環節變化后趨于穩定，最后穩定增至0.05 m/s，且在0.2 s 時，液壓油缸活塞的響應速度開始趨于穩定。因此，基于電液比例閥對于系統流量的控制，不僅短時間內就可達到預定的速度值，也可保證采煤機自動調高系統的穩定。

2.4 模擬結果分析

從上述液壓油缸活塞桿的位移量和響應速度分析結果來看，電液比例閥控制的自動調高液壓系統能夠準確地控制系統的流量，也能夠保證油缸活塞桿穩定快速地達到預設值，也就是說，電液比例閥控制的液壓系統能夠快速精確地控制采煤機滾筒的調高，提高煤礦開采的效率和煤炭產品質量。

3 結論

1）液壓油缸活塞桿的位移量隨時間的增大先線性增加后趨于穩定，當到達7.8 s 時，液壓油缸活塞桿穩定在0.5 m 的位置處。

2）液壓油缸活塞桿的響應速度隨時間的增大呈先比例環節變化后趨于穩定，當到達0.2 s 時，液壓油缸活塞的響應速度穩定在0.05 m/s。

3）綜合可得出，電液比例控制的液壓系統能夠快速精確地控制采煤機滾筒的調高。