采煤機電液比例控制調(diào)高系統(tǒng)研究

李宏彬

（山西焦煤西山煤電官地礦，山西 太原 030022）

引言

采煤機的截割過程中，滾筒高度自動調(diào)整是實現(xiàn)綜采工作面自動化截割的重要組成部分。目前大部分能夠?qū)崿F(xiàn)滾筒位置自動調(diào)整的采煤機均是國外進口的高端設(shè)備，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的中低端采煤機均采用人工調(diào)整的方式進行調(diào)高。在能見度低、噪聲大等環(huán)境因素的影響下，采煤機操作人員無法準(zhǔn)確判斷煤巖界面，而且即使判斷準(zhǔn)確，電磁閥控制的滾筒調(diào)高油缸也存在控制精度低、超調(diào)量大的缺點，導(dǎo)致采煤機采煤效率低，還有可能造成瓦斯突出等惡性事故，因此急需研發(fā)一種控制精度高、自動化程度高的滾筒調(diào)高技術(shù)。電液比例控制技術(shù)是一種集機電液為一體的控制技術(shù)，其流量和流速與控制信號成比例，用于液壓伺服系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)勢[1-3]。本文基于電液比例控制技術(shù)，研究了油缸位置測量技術(shù)和電液比例控制技術(shù)，對采煤機滾筒調(diào)高系統(tǒng)具有重要意義。

1 電液比例調(diào)高系統(tǒng)

傳統(tǒng)的采煤機調(diào)高機構(gòu)采用電磁換向閥與定量泵控制，電磁換向閥只有開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)，在滾筒調(diào)高控制中能夠?qū)崿F(xiàn)的精度和穩(wěn)定性不足，在綜采工作面上經(jīng)常出現(xiàn)滾筒調(diào)節(jié)過高或過低的情況，滾筒調(diào)節(jié)過高則會導(dǎo)致截齒截割頂板巖石，對截割電機和截齒造成很大的沖擊，滾筒調(diào)節(jié)過低則會導(dǎo)致采煤厚度不足，影響采煤效率。

如圖1 所示為電液比例調(diào)高系統(tǒng)的原理圖，采煤機控制器向調(diào)高系統(tǒng)發(fā)出一個控制信號，位于執(zhí)行油缸伸縮活塞上的位置傳感器將滾筒的位置信息采集并發(fā)送回控制器，在控制器內(nèi)將滾筒高度實際位置與控制信號的給定位置做差，得到誤差信號，誤差信號經(jīng)過PID 控制器數(shù)據(jù)處理，生成直接控制電液比例方向閥的控制信號，發(fā)送給比例換向閥，電液比例方向閥根據(jù)控制信號的正負和數(shù)值大小，能夠改變流經(jīng)比例方向閥的液壓油方向和流量，電機上電后帶動泵，液壓油從油箱內(nèi)被吸出，經(jīng)過濾器過濾后依次進入泵、比例換向閥、液壓閉鎖機構(gòu)后，進入執(zhí)行油缸內(nèi)，推動油缸活塞做功，帶動搖臂進行動作。

圖1 電液比例調(diào)高系統(tǒng)的原理圖

2 磁致位移傳感器

2.1 工作原理

油缸內(nèi)安裝的位移傳感器類型為磁致型，如下頁圖2 所示為磁致位移傳感器的原理圖。傳感器的末端為電子倉，內(nèi)裝有傳感器頭和電路板，通過六角螺釘與法蘭連接。傳感器前部是一根活塞桿，管內(nèi)液壓油缸的內(nèi)腔里有測量桿管，起到保護內(nèi)部波導(dǎo)線的作用。永磁磁環(huán)套在活塞桿端部，隨活塞桿一起移動，傳感器頭將活塞桿位置數(shù)據(jù)讀取出來，經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換后發(fā)送給變送器。

圖2 磁致位移傳感器的原理圖

傳感器主要由波導(dǎo)管和永磁鐵組成。波導(dǎo)管是由鐵磁材料制成的元件，與永磁鐵會產(chǎn)生一個軸向的磁場。傳感器頭發(fā)出電流脈沖，經(jīng)過波導(dǎo)管時可以產(chǎn)生徑向磁場。當(dāng)軸向磁場和徑向磁場在波導(dǎo)管內(nèi)相交時會產(chǎn)生“磁致伸縮”現(xiàn)象，發(fā)出一個應(yīng)變脈沖。應(yīng)變脈沖以超聲的速度從位置測量點向外傳播，并被傳感器電子頭接收。傳感器的控制芯片瞬間計算出發(fā)信號和接收信號的時間，從而計算出位置信息。

2.2 使用注意事項

1）防干擾措施。磁致位移傳感器會受到調(diào)頻干擾和靜電干擾，這些因素可能讓傳感器內(nèi)的電子尺測量出現(xiàn)誤差。可采取的措施有：在布置電子尺的信號線時，避免和設(shè)備的強電線路共同使用一個線槽；電子尺的接地線必須可靠接地；使用質(zhì)量合格的屏蔽線作為電子尺的信號線，且電箱的一端與屏蔽線接地。

2）供電電源。位移傳感器的供電應(yīng)注意容量和隔離兩方面的內(nèi)容。首先，電源容量不足會造成熔膠的運動，進而使合模電子尺的測量結(jié)果誤差較大。電磁閥的驅(qū)動電源和直線位移傳感器供電電源應(yīng)分別使用不同電源供電，否則容易出現(xiàn)測量誤差。

3 電液比例方向閥

3.1 工作原理

隨著輸入電信號的正負和幅值變化，通過電液比例方向控制閥的液流方向和流量也對應(yīng)變化，實現(xiàn)對伸縮油缸運動方向和速度的控制。當(dāng)壓差不變時，流量與輸入電信號的幅值成比例，左右電磁鐵是否得電確定液壓油的流動方向。電液比例閥的控制邊有一定的遮蓋量，安裝端彈簧時要留有足夠的壓縮量。電液比例閥具有中位死區(qū)。由于摩擦力和閥口液動力的干擾，特別是在壓力和流量大的情況，直動式方向閥的定位精度更低[4-5]。為了改善這一缺點，系統(tǒng)采用位移電反饋型直動式電液比例方向閥。圖3 為本文采用的直動式電液比例方向節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)原理圖。它主要由對中彈簧、比例磁鐵，閥體，閥心組成。當(dāng)比例電磁鐵左邊通電時，閥心右移，油口P 與B 相通，T 與A 相通，閥口的開度與比例電磁鐵的輸入電流成正比，當(dāng)電磁鐵右邊通電時，閥心向左移，油口P 與A 通、B與T 通，閥口開度與電磁鐵的輸入電流成比例。

圖3 電液比例方向閥結(jié)構(gòu)

3.2 使用注意事項

1）功率范圍。在選擇電液比例方向閥時，注意不能超過驅(qū)動電路提供的驅(qū)動功率。

2）油液污染。電液比例方向閥對油質(zhì)要求較高，油液污染會導(dǎo)致閥的堵塞，造成控制誤差積累。通常比例方向閥先導(dǎo)級對液壓油的要求為NASl638 規(guī)定的7～9 級。雖然有的伺服閥具有一定的抗污染能力，但也應(yīng)該經(jīng)常檢查液壓油的純凈度，如果液壓油發(fā)生污染要及時更換，或者清洗過濾器。

3）放大器配套。一般情況下電液比例閥會有專門的放大器與之配套，且具有深度電流負反饋的放大器的信號電流中疊加顫振電流。當(dāng)放大器斷電或差動變壓斷線時，電液比例閥的閥芯處于原始位置或液壓系統(tǒng)壓力最低的位置。

4）提高精度。提高控制精度的辦法有控制調(diào)壓時間和加速度、死區(qū)補償?shù)绒k法。通過切換時間延遲、液壓缸內(nèi)端位緩沖、電子控制流量閥和變量泵等方法可以控制調(diào)壓時間和加速度。如果放大器中含有函數(shù)發(fā)生器，可以產(chǎn)生斜坡信號，從而實現(xiàn)死區(qū)補償，提高循環(huán)速度并防止慣性沖擊。使控制的結(jié)果更加精確。

4 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)的電磁閥控制的采煤機滾筒調(diào)高系統(tǒng)，電液比例控制技術(shù)具有控制精度更高、穩(wěn)定性更強的優(yōu)點。采煤機電液比例調(diào)高控制系統(tǒng)的核心控制元件為位置傳感器和電液比例方向閥，磁致位置傳感器響應(yīng)速度快，位置精度高，能夠提高滾筒位置的精確性。電液比例方向閥的流量與電流大小成正比，可以提高滾筒調(diào)節(jié)的動態(tài)性能。