掘進機懸臂擺動液壓控制系統的仿真研究

任志亮

（晉能控股煤業集團四老溝礦， 山西 大同 037028）

引言

煤礦生產的關鍵設備包括有采煤機、刮板輸送機、液壓支架、帶式輸送機等設備，掘進機作為巷道采掘的關鍵設備，目前其已經發展為掘進、裝載、運輸、降塵以及支護為一體的采掘設備。但是，當前我國在懸臂式掘進機的自動化控制方面與國外仍存在一定的差距，導致掘進成本較高、掘進效率偏低。在實際掘進過程中，通過懸臂的水平和垂直擺動旋轉截割頭按照設定軌跡和形狀對巷道進行掘進[1]。本文重點對懸臂式掘進機為例開展研究，在當前基礎上對其液壓控制系統進行改進，并對改進后液壓控制系統的性能進行仿真研究。

1 懸臂式掘進機改進研究

1.1 懸臂式掘進機概述

本文以AM-50 型懸臂式掘進機為例開展研究，該型掘進機主要包括有截割結構、裝載結構、中間刮板輸送機、裝載機、行走機構以及其他保護裝置等，該型掘進機的關鍵參數如表1 所示。

表1 AM-50 掘進機關鍵參數

AM-50 型懸臂式掘進機較其他型號掘進機相比截割穩定，電機采用外水冷形式，所加裝的安全裝置可避免事故的發生，具有過載保護功能，整體而言該型掘進機的機械結構合理、性能優越。但是，在實際應用中發現該型掘進機有如下不足：

1）由于設備的操作臺、配電箱等安裝于兩端，導致所形成巷道的斷面面積與其他型號掘進機相比較??；

2）設備裝載機構無法實現在左右兩個方向的擺動，導致該性掘進機的效率偏低，對應工作人員的勞動強度較大；

3）設備的降塵效果較差。

1.2 懸臂式掘進機液壓控制系統改進

AM-50 型掘進機液壓系統主要包括有穩定器油缸、鏟板油缸、左右擺動油缸、控制油缸閥以及垂直擺動油缸，涉及到的液壓元器件包括有液壓馬達、溢流閥、換向閥、節流閥等組成[2]。本文重點對懸臂式掘進機的左右擺動油缸和垂直擺動油缸的液壓系統進行分析。

其中，左右擺動液壓系統控制回路由兩個液控單向閥和兩個溢流閥組成；垂直擺動液壓控制回路由三個液控單向閥和一個單向節流閥組成。當前，擺動液壓系統的控制結構框圖如圖1 所示。

圖1 AM-50 型擺動液壓控制系統結構框圖

如圖1 所示，傳統掘進機擺動液壓控制系統主要依靠手動或人工完成控制，此種控制方式存在控制精度低、實時性差以及勞動強度大的問題。因此，此次對掘進機擺動液壓控制系統改進的核心是實現自動化控制。結合掘進機的工作任務和特點，需重點對擺動液壓系統的擺動方向和擺動速度進行控制。其中，通過方向閥實現對擺動方向的控制，通過改變油缸的流量或其有效面積實現對擺動速度的控制。綜上所述，采用電液比例閥實現對擺動液壓控制系統的控制，可采用的控制方式有比例容積調速控制、比例節流調速控制以及比例容積節流調速控制[3]。在當前AM-50 型掘進機擺動液壓控制系統硬件的基礎上作出如下改進：

1）采用節流閥替代原有閥組，采用電液比例方向閥替代原有閥組；此種改進方式具有操作方便、相應速度快、結構簡單等優勢；但是，還存在能耗偏大且系統效率較低的問題。

2）采用速度傳感器對液壓缸活塞速度進行控制，在此基礎上通過控制閥的開口大小實現對擺動速度大小的控制。

改進后AM-50 型掘進機擺動液壓控制系統的框圖如圖2 所示。

圖2 擺動液壓控制系統改進后結構框圖

1.3 擺動液壓控制系統改進元器件選型

本小節重點對改進后擺動液壓控制系統的關鍵元器件進行選型，鑒于篇幅有限，此處僅對關鍵元器件的選型結果進行闡述，具體如表2 所示。

表2 改進后擺動液壓控制系統關鍵元器件選型

2 掘進機懸臂擺動液壓控制系統的仿真研究

2.1 懸臂水平擺動液壓控制系統的仿真研究

該小節主要對比開環控制和PID 控制系統下水平擺動液壓控制系統的仿真結果。

1）開環控制下懸臂水平擺動液壓控制系統仿真。所謂開環控制：系統控制策略不根據輸出量進行調整。本次開環控制為給系統加載一個變化的負載信號。本次仿真所加載的信號類型為階躍信號。并得出如下結論：在開環控制系統下，所加載的信號為階躍信號，擺動系統在水平方向的速度在6.35～8.83 m/min 的范圍內波動，且在5.8 s 時才逐漸趨于穩定，并最終維持在7.15 m/min。總的來講，在開環控制下系統的振蕩幅度較大，且調整時間較長。

2）PID 控制下懸臂水平擺動液壓控制系統的仿真研究。PID 控制參數為比例環節參數5.2，積分環節參數12.5，微分環節參數為0.7。本次仿真所加載的信號同樣為階躍信號，并得出如下結論：在PID 控制系統下，系統在5 s 的調整時間內并未出現振蕩現象，而且系統在5.5 s 時區域穩定，并最終維持在7.15 m/min。

2.2 懸臂垂直擺動液壓控制系統的仿真研究

該小節主要對比開環控制和PID 控制系統下垂直擺動液壓控制系統的仿真結果。

1）開環控制下懸臂垂直擺動液壓控制系統仿真。本次開環控制給系統加載一個變化的負載信號。本次仿真所加載的信號類型為階躍信號。并得出如下結論：在開環控制系統下，所加載的信號為階躍信號，擺動系統在垂直方向的速度在0.019～0.026 m/s的范圍內波動，且在2.4 s 時才逐漸趨于穩定，并最終維持在0.0215 m/s?？偟膩碇v，在開環控制下系統的振蕩幅度較大，且調整時間較長。

2）PID 控制下懸臂垂直擺動液壓控制系統的仿真研究。PID 控制參數為比例環節參數為1，積分環節參數為0.002，微分環節參數為0.05。本次仿真所加載的信號同樣為階躍信號，并得出如下結論：在PID 控制系統下，系統在2 s 的調整時間垂直方向速度在0.020～0.022 m/s 的范圍內波動，而且系統在2.35 s 時區域穩定，并最終維持在0.0215 m/s。

3 結語

掘進機作為煤礦采掘的關鍵設備，掘進效率和安全性直接關系著巷道的成型質量和采煤效率。目前，我國掘進機雖然已經集成采掘、運輸、支護等功能為一體，但是自動化控制程度偏低，導致實際掘進生產中存在控制精度低、實時性差等問題[4]。為此，本文以AM-50 型掘進機為例重點對其擺動液壓控制系統進行改進，以實現自動化控制。經仿真分析可知：采用PID 控制策略與開環控制相比能夠減小系統振蕩，且調整時間短。