采煤机自动调高液压控制系统的优化研究

杨东生

（长治市煤矿安全技术培训中心， 山西 长治 046000）

引言

目前，多数采煤机调高控制系统所采用的均为基于电磁阀的调高液压系统，其仅具备简单的开关执行操作，受液压系统工作压力影响较大，在综采过程中，常出现负载不足导致采煤机无法及时调整滚筒的工作高度满足对厚煤层的落煤需求，同时极大地增加了采煤机滚筒的调高时间，降低了采煤机综采时的工作效率[1]，当采煤机滚筒幅度调整较小时又易导致出现流量过大、无法精确控制采煤机滚筒的运行轨迹等缺点。因此如何提高采煤机调高系统工作的安全性和可靠性，对确保煤炭生产企业提高采煤机工作的自动化程度及综采效率具有十分重大的意义。

1 采煤机调高液压控制系统的工作原理

采煤机自动调高液压控制系统的结构如图1所示，其主要由摇臂、滚筒、执行油缸、液压泵站及控制系统等组成。当采煤机需要根据巷道高度对滚筒的高度进行调节时，液压泵站的驱动电机带动液压泵开始工作，从油箱内将液压油传递到执行油缸内。在驱动滚筒升降时，控制液压泵站内电磁换向阀的工作状态，使液压油通过电磁换向阀进入到执行油缸内，推动执行油缸的活塞杆伸出，直到达到指定的升高高度[2]。当为执行调高换向时，采煤机的驱动滚筒的高度保持不变，此时液压油控制对液压系统回路的调节，使阀门保持在关闭状态，从而确保系统处于保压状态，维持驱动滚筒的高度。

在整个控制过程中，调高换向阀的阀芯在电磁力的控制下，不断地根据采煤机滚筒的工作高度要求进行调节，使液压油从不同的油口进入到执行油缸的有杆腔或者是无杆腔，使活塞杆执行伸出或者收缩，从而完成对于滚筒升降过程的调节控制[2]。在整个液压控制系统中，安全阀用于确保滚筒位置的稳定性，溢流阀用于控制系统的工作压力，防止系统过载。

图1 采煤机液压调高系统

2 执行油缸的数学模型

根据对采煤机液压调高控制系统的分析，采煤机工作时执行油缸的平衡方程可表示为[3]：

式中：A1为执行油缸有杆腔的截面积；Ff为执行油缸活塞杆端部的负载；P1为执行油缸有杆腔工作压力；P2为执行油缸无杆腔工作压力；x为执行油缸活塞杆位移变化量；A2为执行油缸无杆腔的横截面积；m为活塞杆上负载的等效当量；b为活塞杆运行阻尼系数。

执行油缸无杆腔内的流量方程可表示为：

式中：Q1为执行油缸有杆腔内的流量；V1为无杆腔与换向阀间的油液量；C1为执行油缸的泄露系数；βe为执行油缸油液的体积弹性模量。

执行油缸有杆腔内的流量方程可表示为：

式中：Q2为执行油缸有杆腔的流量；C2为执行油缸的泄露系数；V2为有杆腔与换向阀间的油液量。

对以上公式进行拉氏变换，则求出如下所示的传递函数[2]。

式中：A为执行油缸有杆腔与无杆腔的平均截面积；L为液压缸活塞杆行程；Ff（s）为外力扰动系数；X（s）为内力扰动系数；s为时间。

根据图1所示采煤机液压调高系统的结构图，可推出采煤机滚筒高度的调节量与液压系统执行油缸活塞杆伸出长度的数学关系模型，表示为[3]：

式中：ΔL为执行油缸活塞杆的行程；H为滚筒高度；L1为滚筒摇臂的长度；Δφ为执行油缸运行时角度的变化量；L2为采煤机摇臂的长度。

由此，便建立起了采煤机滚筒高度与采煤机液压控制系统执行油缸活塞杆长度的数学关系模型。

3 基于电液比例控制的采煤机调高液压系统的建模

在对现有采煤机调高液压控制系统的控制缺点进行分析的基础上，本文用新型的电液比例控制阀代替原有控制系统中的电磁控制阀。在工作时，首先位移传感器对滚筒的位置进行监测，并将监测结果以电压信号的方式与指定的输入的电压信号进行对比，将电压进行放大后得到控制电压，从而控制成比例的驱动电流，进而调节电液比例阀的节流口打开程度，实现对活塞杆伸出量的调节。

将原始的液压控制系统及改进后的液压控制系统分别导入到AMESim仿真分析软件中[4]，对仿真分析结果进行对比分析，改进后的液压系统仿真原理如图2所示。

4 两种液压调高控制系统的仿真分析对比

本文分别对优化前的调高控制系统和优化后的调高控制系统进行仿真分析对比。

由图3可知，在输入相同控制信号、相同负载的情况下，控制活塞杆伸出到0.5m的位置时，优化后的液压控制系统比优化前的液压控制系统能更快地达到目标位置。

由图4可知，在加入相同的负载干扰情况下，优化前的控制系统因采用了电磁换向阀结构，其对液压油流量的控制精确性差，因此在启动初期会产生较大的波动。优化后的液压系统采用了电液比例控制阀，能够根据电流信号实现对阀口大小的精确调节，因此在启动时相对较为平稳，其平稳性比优化前的系统要提高20%以上。

图2 电液比例控制的采煤机液压调高系统原理图

图3 不同控制系统活塞杆位移曲线对比

5 结论

本文在对采煤机自动调高控制系统缺点进行分析的基础上，提出了一种新的采用电液比例控制阀的采煤机自动调高液压控制系统，通过建立采煤机滚筒高度与液压控制系统活塞杆伸出长度关系的数学模型，并利用AMESim仿真分析软件对优化前和优化后的液压控制系统对采煤机滚筒高度调节情况进行仿真分析，结果表明优化后的液压系统对执行信号的响应速度更快，对外在负载变化的适应性更高，抗干扰能力更强，从而确保采煤机在工作中能够平稳、精确、快速地将滚筒抬高到指定的高度。

图4 不同控制系统活塞杆速度曲线对比