掘進機推進系統的設計及工程應用

趙向榮

（山西高平科興牛山煤業有限公司， 山西 高平 048400）

引言

近年來隨著新型開采設備在綜采面的不斷引進應用，煤礦的開采效率得到顯著提高，隨之而來的便是采掘面接替問題，這也是大多數煤礦不能實現煤炭資源高效開采的現狀。掘進機的掘進速度往往取決于其推進系統，傳統的液壓推進系統由電機驅動控制，大多為PID 控制方式，而模糊PID 控制方式的出現，為液壓系統控制提供了新方向。現根據某煤礦采掘面接替緊張的現狀，對其EBZ160C 型號懸臂掘進機的推進系統進行改進設計，并進行仿真分析，以到達提高掘進機掘進效率的目的。

1 山西某礦掘進機概況

山西省晉能控股集團旗下某煤礦采用一次采全高工藝進行工作面開采，采掘比1∶2，3102 掘進面采用EBZ160C 型懸臂掘進機進行掘進作業，該掘進機技術參數如表1 所示。由于新型開采設備應用于綜采工作面，工作面推進速度得到顯著提升，該采掘比已嚴重影響到了煤炭資源的正常開采，造成了大量資源的浪費。現根據該礦掘進需求進行掘進推進系統設計，以達到高效率的掘進效果，改變工作面接替緊張的現狀。

表1 EBZ160C 型號懸臂式掘進機參數

該掘進機采用雙速載割技術，截割部可自由伸縮，基本適用于全部中小型巷道，可實現一次截割28m3截割面。圖1 所示為其小比例模型示意，該掘進機適用于全煤及半煤巖巷道的掘進。

圖1 EBZ160C 型懸臂式掘進機示意圖

2 掘進機推進系統設計及系統控制

2.1 掘進機推進系統

該掘進機由液壓作為動力推動端部鉆頭運行，整體結構如圖2 所示，各部件主要作用如下：

圖2 掘進機推進系統液壓結構示意圖

1）速度傳感器可對系統運行速度進行監測控制，與壓力傳感器將監測到的速度及壓力通過電信號傳輸至比例電磁鐵，從而控制電磁閥的開度，達到對掘進速度的調節效果。

2）控制器為系統核心。

3）推進油缸的主執行元件為油缸，通過推動主軸來操控刀盤旋轉，進行掘進面的掘進作業。

4）三位四通電磁換向閥、安全閥、比例調速閥和比例溢流閥作為系統內部元件調節液壓安全運行。比例調速閥可實現對掘進速度的控制。基于掘進機在不同條件下受到的阻力值有所差異，設置了三位四通閥，可對掘進機推進壓力進行調節，以適應多變的阻力值，保持掘進機按預設速度進行掘進作業。

5）油泵選用一種斜盤結構軸向柱塞變量泵，可保證恒功率的輸出，該元件可為整個液壓系統提供動力支持。

6）壓力傳感器對內部液壓值進行監測，防止油壓異常導致內部發生泄露等破壞。

該掘進機推進系統液壓系統的控制主要采用PID 控制技術，本文通過建立AMESim 模型對這種控制方式進行模擬分析。該軟件是基于液壓、控制、機械等交叉學科組成的多領域建模應用仿真實驗平臺，極大地增強了仿真模擬平臺的靈活性，其操作步驟分為繪圖、模型搭建選取、數據代入、數值分析四個階段。

2.2 掘進機系統控制

近年來，仿真模擬實驗層出不窮，而衡量一個仿真實驗的好壞往往取決于其精度，因為在實際工程應用當中，環境以及各個參數有很大的不確定性，會對仿真實驗結果帶來極大影響。PID 控制的優勢就在于其技術上較為成熟，在長期實踐應用中取得了良好的使用效果，因此應用范圍也比較廣泛。PID 可通過對變量的監控及數據輸出實現精確控制，通過對控制的實時糾正，采用模糊規則進行數據推理，控制精度得到大幅提升。

采用模糊PID 控制與原始PID 控制的區別，就是增加了模糊控制器和轉換開關量，增強了對系統的控制效果。模糊控制理念的提出在控制理論上是一次飛躍，其基本理論是建立模糊集合，并對集合進行系統表示，推導出符合模式的函數進行模糊推理，將系統進行反模糊化，進而搭建模糊控制器。而傳統PID 控制方式則是由3 個環節組成，分別為比例環節、積分環節和微分環節。模糊PID 控制理念的優越性在于其組合了模糊控制技術以及PID 控制方式的基本理念，并對PID 控制方式的缺點進行了優化，現代工業控制中常用的仍是傳統的PID 控制方式。由于模糊PID 控制理念在掘進機推進系統中的應用不是很普遍，基于其控制性能的好壞，還需大量的實驗驗證[1]。

2.3 仿真實驗分析

利用掘進機的實際參數對液壓系統模型進行賦值，進行液壓系統的仿真分析，算法采用MATLAB 工具進行編寫，其推力情況如圖3-1 所示。再根據圖中負載曲線分別使用PID 控制以及模糊PID 控制進行模型的仿真分析，其余條件保持不變，實驗所得如圖時調整[2]。通過對仿真實驗結果進行分析，可以看出結果曲線中模糊PID 的控制方式調節效果要明顯優于傳統PID 控制方式，在負載干擾等外界條件相同的情況下，模糊PID 控制方式有著更高的響應速度，產生的波動也較小，穩定性也更高[3]。因此，模糊PID 控制方式在掘進機的推進系統中有較好的實用性，可以起到提高掘進機系統性能的效果。3-2 所示。模糊PID 控制方式的兩種控制方式分別為并行方式以及串聯方式，可在系統內設置轉換開關K來實現模糊控制以及PID 控制方式的自由切換，并通過設置智能協調器來比較輸出變量，控制該開關的打開方向。因此模糊PID 控制方式的難點就在于如何去選取轉換開關值，通常情況下，可在模糊PID 控制系統內串聯一個模糊控制器進行PID 控制器參數的實

圖3 仿真實驗曲線

3 實驗效果分析

根據實際掘進過程中采集的數據，為液壓推進系統預設初值，并通過壓力傳感器、速度傳感器對油缸推進速度以及負載推力進行數據采集，由模糊PID 控制器輸入調節，使得速度誤差保持在允許范圍之內，并監測油缸壓力，使液壓系統的壓力控制在系統允許范圍之內。對比圖3 仿真實驗曲線可以看出，常規的PID 控制響應速度較慢，且超調較為明顯，而模糊PID控制在超調方面有著顯著優勢，具有良好的穩定性，可將推進速度以及推進壓力更好地控制在初值左右。

通過對掘進機推進系統進行模糊PID 控制方式設計，可以發現，其調節方式要優于傳統的PID 控制方式，在穩定性以及響應速度上都有著顯著的優勢，波動性也較小，有效降低了系統元件在實際運行過程中的磨損率，提高了元件使用壽命及系統效率。基于此項改進應用于實際生產，預計可將該礦采掘比提升至1∶3，保證掘進機在掘進面的高效率掘進，以滿足煤炭的開采需求。

4 結語

通過對掘進機推進系統的改進設計，將模糊PID控制方式應用到推進系統控制當中，提升了元件的使用壽命，極大地提高了掘進機的掘進效率，使原有采掘比1∶2 的掘進面提升到1∶3，有效緩解了采掘面接替緊張的現狀，為實現煤礦的高效生產提供了良好解決方案，滿足了煤炭資源的開采需要。