采煤机滚筒液压调高比例控制系统的数值模拟

刘春生， 陈金国， 张艳军

(黑龙江科技学院 机械工程学院，哈尔滨 150027)

采煤机滚筒液压调高比例控制系统的数值模拟

刘春生， 陈金国， 张艳军

(黑龙江科技学院 机械工程学院，哈尔滨 150027)

为实现记忆截割滚筒调高曲线的平滑性及减少调高系统的振荡，建立了电液比例方向阀调高系统与电磁换向阀调高系统的传递函数及其控制器模型，采用Matlab/Simulink与Automation Studio联合仿真的方法，分析其系统工作的压力、流量及加速度特性。仿真结果表明:电液比例方向阀控制液压缸调高系统的压力、流量及加速度曲线振荡比电磁换向阀控制的小，明显地减少了滚筒截割时调高启动冲击，提高了采煤机工作的可靠性，为采煤滚筒调高控制系统的设计提供了参考依据。

采煤机;滚筒;调高系统;电液比例控制;Automation Studio仿真

0 引言

目前，大部分采煤机调高系统采用电磁换向阀控制液压缸的形式，通过调控电磁换向阀通断状态实现滚筒记忆调高。由于工作面顶底板的不平整性，导致采煤机和液压支架的推溜困难;又由于采煤工作面是一个连续起伏的平面，电磁换向阀的左、右位需要频繁互换控制液压缸活塞的伸缩以带动摇臂上下摆动，实现滚筒位置高度调整。这导致液压调高系统振荡。

笔者采用电液比例方向阀控制液压缸液压调高系统的方法，通过电信号控制调节阀的开口量，进而控制液压缸活塞的伸缩。当控制信号逐渐增加至阀口全开时，此时电液比例方向阀相当于电磁换向阀。采用电液比例方向阀控制液压缸液压调高系统可以保证工作面平整性以及液压系统稳定［1－2］。

1 控制系统

采煤机液压调高系统工作原理，如图1所示。电液比例方向阀调高系统使用定量调高泵，通过电液比例方向阀实现比例量控制。油缸内安装位移传感器或转角传感器，液压缸活塞移动时，同时带动位移传感器，将液压缸活塞的机械位移转换成电气信号。与给定电信号相比较，其偏差量经过模糊PID控制器处理后，作为比例放大器的输入信号。电气信号经过比例放大器，在阀转换器中转换成液压信号，进而控制比例方向阀主阀芯移动。对于电磁换向阀调高系统，通过控制阀的开关时间来实现滚筒调高。手动控制时，电路中的组合旋转开关作用于电位器，给出信号同样经过放大器作用于阀，实现滚筒调高。

图1 调高系统原理Fig.1 Height adjusting system principle

2 系统模型

2.1 传递函数

电液比例方向阀调高系统，通过控制系统中液体的方向和流量，实现液压缸活塞杆伸缩运动。活塞杆带动大、小摇臂实现滚筒调高。考虑系统主要受到惯性负载及外负载作用，建立调高液压缸传递函数［3－5］:

式中:kq——电液比例方向阀流量增益，m2/s;

XV——电液比例方向阀阀芯位移，m;

kce——总流量—压力系数，kce=Cip+kc;

kc——流量—压力系数;

Cip——液压缸内泄系数，m5/(N·s);

Am=()/2;

A1、A2——调高液压缸无杆腔、有杆腔的有效作用面积，m2;

m——折算到液压缸活塞上的总质量，kg;

BP——活塞及负载的黏性阻尼系数，N·s· m－1;

βe——有效体积弹性模量，Pa;

K——负载弹簧刚度，N/m;

FL——作用在活塞上的任意负载力，N;

XP——液压缸活塞位移，m;

A0——平均活塞面积，A0=(A1+A2)/2，m2;

L——液压缸总行程，m;

s——复变数。

电液比例方向阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它将小功率的电信号输入转换为大功率的液压能输出，在电液比例控制系统中，连接电气与液压两部分实现电液信号的转换与放大。电液比例方向阀的传递函数:

式中:f——电液比例方向阀的固有频率，Hz;

δv——电液比例方向阀的阻尼比，常取0.5～0.7;

ka——放大器增益，A/V;

kv——电液比例方向阀的增益，m2/s;

U——电液比例方向阀的输入电压，V。

根据液压缸及电液比例方向阀的传递函数，构建电液比例方向阀电液比例位置控制系统方框图，如图2所示，其中Ug为给定的输入电压，Uf为反馈电压，E为给定电压与反馈电压的差值，通过模糊PID控制器、传递函数(1)、(2)及反馈增益的作用来控制液压缸活塞的行程。

图2 电液比例位置控制系统Fig.2 Electro-hydraulic proportional position control system

分析液压缸活塞对阀输入位移和负载力扰动的响应特征，可见一般位置系统无弹性负载，即K=0;因粘性阻尼系数BP很小，故Bpkce/A0＜＜A0;当采煤机无负载作用时，根据图2，整理得到采煤机没有截割到煤层或岩石时系统的闭环传递函数G(s)可近似为

式中:km——反馈增益。

以某型号电液比例方向阀及某机型采煤机为实例，代入各参数数值，得到系统闭环传递函数为

2.2 数值模拟

Automation Studio软件中包括液压和比例液压设计库、气动库、数码电子、电气控制库等以一系列元件设计库。采用库里的物理元件，能够仿真模拟各种技术回路，包括电路控制、气动、可编程逻辑控制器(PLC)、液压、顺序功能图(SFC/Grafcet)以及其它多项技术。测试、模拟、分析技术回路，可进一步完善、修改液压系统的设计。对于已有的实际控制系统，可以根据工况配置相应的参数如负载、泄漏、热现象、流体粘度和流动特性等。这可以方便地对已设计的元件与系统进行分析和优化。笔者以Automation Studio为仿真计算平台，利用液压和比例液压元件库各个模块，分别对采煤机电液比例方向阀与电磁换向阀液压调高系统进行建模仿真。

2.2.1 模型参数

某型号采煤机技术参数:定量调高泵额定流量1.0875 m3/h;液压缸外径180 mm，内径为120 mm，行程为460 mm;液压锁中安全阀的调定压力27 MPa;溢流阀的调定压力23 MPa;Control模块中的比例系数、微分系数、积分系数是通过Matlab-Simulink整定得到的。

2.2.2 仿真模型

图3 电磁换向阀调高系统Fig.3 Solenoid directional control valve height adjusting system

电磁换向阀调高系统，根据式(1)以及所设计的模糊控制器，利用 Matlab-Simulink软件整定得到PID参数值，如图3a所示。同理，电液比例方向阀调高系统，由式(3)、(4)以及所设计模糊自适应控制器，整定得到PID参数值［6－7］，如图4a所示。在Automation Studio环境下，从自带元件库中选取双作用液压缸、定量泵、电液比例方向阀、电磁换向阀等动力元件、执行元件、控制元件以及测量元件。由于控制元件中控制器模块串口与Matlab中模块串口不能直接连接，只能通过Matlab选取整定参数，然后再输入到Automation Studio中控制器模块。根据设定各元件模型参数，分别建立电磁换向阀与电液比例方向阀控制采煤机调高系统仿真模型，如图3b与图4b所示。

图4 电液比例方向阀调高系统Fig.4 Electro-hydraulic proportional directional valve height adjusting system

3 仿真结果

在电磁换向阀与电液比例方向阀液压调高系统模型中，分别向电磁换向阀与电液比例方向阀输入一个阶跃信号，得到液压缸进口压力、流量及加速度曲线。图5a和5b分别为电液比例方向阀与电磁换向阀调高系统的液压缸入口压力、流量及加速度曲线。

图5 液压缸入口压力、流量及加速度曲线Fig.5 Curves of inlet pressure，flow and acceleration of cylinder

图5曲线表明:采用电磁换向阀采煤机调高系统，液压缸腔内压力的超调量为4.8%，导致液压缸腔内初始瞬间产生很大的压力冲击，振荡较大;电液比例方向阀调高系统液压缸腔内压力超调量为2.4%，其压力是平滑上升的，振荡较小，最终趋于稳定。在电磁换向阀调高系统，初始阶段液压缸腔内油压低，电磁换向阀收到信号时立即启动，阀口全部打开大量液压油瞬间进入液压缸，导致腔内油压突然升高并对液压缸产生巨大冲击。而电液比例方向阀的阀口是逐渐打开的，液压油逐渐进入液压缸，腔内压力逐渐增大，所以冲击力较小。流量曲线表明:采用电磁换向阀采煤机调高系统，其流量的超调量为66.7%，振荡较大，增加螺旋滚筒截入岩石的可能性，降低滚筒的可靠性。而电液比例方向阀，其流量的超调量为16.7%，振荡较小，提高了滚筒工作的可靠性。电磁换向阀接收信号后立即启动，液压油进入液压缸推动活塞杆瞬间，液压油推活塞杆受压，液压油本身具有弹性，导致反作用于液压油，使得流量出现多次冲击。电液比例方向阀具有节流作用，流量的波动较小。加速度曲线表明:电磁换向阀采煤机调高系统，加速度振荡幅度较大，而电液比例方向阀的控制系统的振荡幅度较小。

结果表明，电磁换向阀控制液压缸仿真曲线波动大，振荡次数多，给调高系统带来巨大的冲击，引起截割部振动，增加滚筒截岩的可能性，影响调高系统的稳定性，降低滚筒的使用寿命。因此，采用电液比例方向阀的采煤机液压调高系统，能够提高系统的稳定性、可靠性及准确性。

4 结束语

采用Matlab/Automation Studio两个软件分析采煤机液压调高系统中电液比例方向阀与电磁换向阀启动时，控制系统中液压缸流量、压力及加速度变化情况。该软件能较好地反映液压系统的动态性能，为实际的调高系统的设计提供了新的方法。仿真结果表明，电液比例方向阀比电磁换向阀的控制性能更稳定，提高采煤机工作的可靠性。

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Numerical simulation hydraulic pressure height adjustment proportion control system of shearer’s drum

LIU Chunsheng， CHEN Jinguo， ZHANG Yanjun
(College of Mechanical Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at realizing the gliding property of cutting memory drum height adjusting curves and the reducing the shaking of height adjusting system，this paper discusses the development of the transfer functions and controller models of electro-hydraulic proportional directional valve and solenoid directional control valve height adjusting system and the analysis of the characteristics of its system working pressure、flow and acceleration using method of co-simulation of Matlab/Simulink and Automation Studio.The simulation results show that height-adjusting system controlled by electro-hydraulic proportional directional valve yields smaller curves shaking of pressure，flow，and acceleration than that controlled by solenoid directional control valve，obviously reducing the height adjusting start impact of drum cutting and improving shearer working reliability，which serves for the design of height adjusting control system of shear drum.

shearer;drum;height adjusting system;electro-hydraulic proportional control;Automation Studio simulation

TD421.61

A

1671－0118(2011)05－0395－05

2011－07－16

教育部科学技术研究重点资助项目(206045);国家自然科学基金资助项目(51074068);黑龙江省研究生创新科研资金项目(YJSX2011－166HLJ)

刘春生(1961－)，男，山东省牟平人，教授，研究方向:机械设计和液压传动与控制，E-mail:liu－chunsheng@163.com。

(编辑晁晓筠)