采煤機電液比例自動調高系統研究

劉 偉

（山西煤炭運銷集團蒲縣昊興塬煤業有限公司， 山西 臨汾 041200）

引言

在采煤過程中，采煤機的滾筒高度需要不斷調整，以適應煤層高度的變化。目前，我國的采煤機滾筒調高采用手動控制實現，采煤機司機在操作過程中不斷觀察截割情況，并手動調整滾筒位置。由于井下環境惡劣，工作面能見度較低，采煤機發出的巨大噪聲也會干擾司機準確判斷滾筒位置。滾筒的高度由油缸的伸縮量變化進行控制，液壓閥的開閉可以控制液壓油缸的伸縮，從而實現滾筒高度調節。本文采用電液比例控制閥代替傳統電磁閥，實現了滾筒運動軌跡精確控制，提高了系統性能和響應速度。

1 調高系統結構

通常液壓控制系統由控制元件、動力元件、執行元件和其他輔助元件組成，動力元件在控制元件的作用下，向采煤機機械部分輸出合適的作用力，以滿足采煤機滾筒自動調高的靜態和動態性能。液壓調高系統的結構分為兩部分，一是信號控制部分，主要作用為向限壓閥、換向閥、比例閥等液壓裝置提供控制信號，改變其方向和開度，同時也可以給手動閥提供開閉信號，使系統在手動模式下實現電磁鎖控制，二是液壓動力部分，主要作用為改變系統流量和壓力[1-2]。

相比于其他類型的控制系統，液壓控制系統具有獨特的優勢，采煤機滾筒液壓調高系統具有安裝體積小、元件重量輕的特點，動力元件只需要很小的慣性就能夠產生很大的力矩。由于礦井通風條件有限，且空氣濕度較大，如果設備發熱極易引起火災或者爆炸事故，設備的散熱需要重點考慮，對于液壓控制系統來說，液壓油的散熱效果良好。

2 電液比例調高原理

采煤過程中，隨著采煤機的不斷推進，滾筒所截割的煤層的厚度也會變化，為了使滾筒貼合頂板和底板，提高采煤效率，采煤機的滾筒高度需要不斷調整。除了液壓控制閥和調高油缸，大部分滾筒調高液壓元件被安裝在調高泵箱內，油箱和電動機電機箱占據了調高泵箱的主體空間，在抽屜板內布置其他諸如液壓組件和管路等。由于調高泵箱的重要性，其安裝和配置具有特殊性，調高泵箱的箱體上應設置方便觀察的油窗，采煤機工作時，其油面應該在最低油位上方。除了觀察窗，油箱還應該配置濾清器和放油孔。油缸與采煤機滾筒搖臂應采用鉸接方式進行連接，以滿足采煤機工作時產生的機械應力。如圖1 所示為采煤機電液比例調高系統原理圖，該系統由電動機、齒輪泵、油缸、換向閥、液壓鎖、溢流閥、過濾器、油箱等元件組成。設備啟動以后，齒輪泵在電動機的驅動下向油箱吸油，液壓油從油箱中被抽至過濾器中進行過濾，然后進入液壓泵。通過操作換向閥的閥體位置，液壓油經過不同的控制回路進入油缸，從而改變滾筒的升降狀態，當滾筒的高度調至合適位置時，控制回路的液壓鎖將回路閉鎖，從而使液壓系統的壓力保持穩定。在整個控制過程中，安全閥的作用是保持滾筒位置，溢流閥的作用是卸壓，防止過載。

圖1 電液比例調高系統原理圖

3 元件選型

采煤機電液比例調高系統的主要元件有電液比例方向閥、液控單向閥、安全閥和位移傳感器等。

電液比例方向閥選擇的依據有閥的類型、額定壓力、額定流量、中位機能。根據滾筒調高系統的控制精度和動態響應要求，選擇帶內部反饋閉環的電液比例方向閥，相較于不帶內部反饋的電液比例方向閥，這種閥的穩態和動態性能均更加優秀。根據采煤機調高液壓系統的工作壓力為18 MPa，額定流量為19 L/min，因此選擇電液比例閥的型號為GDBFW-02.3C4，這款電液比例方向閥的最大工作壓力為31.5 MPa，最大流量為45 L/min，質量為3.8 kg，通徑為6 mm，采用4～20 mA 的電流信號進行控制[3-4]。

液控單向閥又叫液壓鎖，安裝在液壓油缸和電液比例方向閥之間，該閥具有單項流通的特性，在系統調高和定位截煤方面具有重要作用，能夠保證系統的安全，如果選擇不當會產生振動等現象，影響采煤機的安全。液壓鎖的開鎖條件根據采煤機調高液壓系統確定為內泄式，在選擇液壓鎖的閉鎖壓力時，需要同時考慮系統有載荷和無載荷兩種情況下的壓力，因為由于液壓缸活塞兩側受壓面積較小，無桿腔和有桿腔的閉鎖壓力很大，甚至可能超過系統有載時的壓力，因此選擇的液壓鎖的閉鎖壓力必須滿足上述強度條件。本文選擇YDF06.00.00 液控單向閥作為液壓鎖。

采煤過程中，如果滾筒切割到巨大的煤矸石，一方面滾筒的截齒會加速損耗，另一方面煤矸石會給滾筒一個很大的反向作用力，導致采煤機油缸的載荷突增，導致油缸或者管路等部分被壓力沖破。安全閥的作用是當油缸內的壓力超過一定值時，安全閥將油缸的兩腔壓力泄掉，泄壓之后滾筒的高度降低，從而起到保護截齒和滾筒的作用，提高采煤的質量。

液壓油缸的行程為575 mm，位移傳感器選型為KYDM 系列磁致伸縮傳感器，此型號傳感器的量程為600 mm，接口采用Profibus-DP，分辨率達到 5 μm，可在-40～85℃環境中穩定工作[5]。

4 仿真分析

在LMS.AMEsim 軟件中對采煤機滾筒調高系統進行仿真，這款軟件不僅可以實現系統級的仿真，還能夠在元件結構等方面進行特殊設計。電液比例閥是電液比例調高系統的重要元件，因此可以對電液比例閥進行特殊設計，更改結構和參數，使電液比例閥的建模更加精細，更加貼近元件實際性能。仿真過程分為草圖模式、子模型選取、參數設置和運行模式四個步驟，電液比例方向閥采用HCD 庫進行設計，比例放大器系數取31.5，閥芯活塞直徑為60 mm，閥芯等效質量為6.6 kg，彈簧剛度為200 N/m，系統工作壓力為10 MPa，靜摩擦力為2.8 N，動摩擦力為3 N。液壓缸、安全閥、液壓鎖、液壓泵、油箱等其他元件為系統中的自帶元件，控制信號模塊采用UD00，采用階躍信號參數模擬比例仿真需求。AMEsim 建立的電液比例調高系統仿真，如圖2 所示。

圖2 AMEsim 建立的電液比例調高系統仿真

圖3 為仿真軟件中建立的油缸活塞位移跟蹤仿真曲線，仿真參數設置為：仿真時間10 s，仿真步長0.1 s，給定的位移信號為階躍信號0.5 m。由圖3 可知，仿真開始后滾筒高度開始上升，上升過程平穩，在7.8 s 時活塞桿到達指定位置，位移停止。

圖3 活塞位移跟蹤仿真曲線

5 結語

傳統的采煤機滾筒調高系統采用普通電磁閥對油壓進行控制，存在控制不穩定，滾筒調節動態響應差等問題，采用電液比例控制閥代替普通電磁閥，并在AMEsim 軟件中進行仿真建模，仿真結果表明，電液比例方向閥能夠提高滾筒調高控制系統的控制精度和響應速度，對采煤機截割效率提升，保護截齒不被矸石磨損具有一定意義。