基于电液比例控制的采煤机自动调高系统的研究

郭 鑫

（大同煤矿集团永定庄煤业公司， 山西 大同 037000）

引言

采煤机作为煤炭开采的重要设备，其工作的可靠性和稳定性决定着煤炭企业的生产效率，在传统的采煤机控制系统中，主要是由经验丰富的工人根据采煤机在工作过程中煤层的实际工作条件和采煤机滚筒切割煤壁的声音来对采煤机的高度进行调节，随着科技的发展和矿山综采设备自动化、智能化水平的不断增加，人工控制调节模式已经难以适应现代煤矿企业的生产要求。采煤机的自动调高系统要求采煤机的滚筒在工作时能够根据煤壁的实际状态自动调整滚筒的切割高度和深度[1]，以确保能够获得较大的回采率，采煤机的液压调高控制系统直接决定着采煤机的工作可靠性和使用寿命，但目前所使用的采煤机调高系统存在着反应速度慢、调高灵活性差，调高过程波动大，造成调高高度难控制等问题，极大的限制了煤炭生产企业的正常工作，因此如何确保采煤机调高系统的精确调节是煤炭生产企业必须要解决的问题。

1 采煤机调高控制系统的建模分析

在采煤机调高控制系统中，主要是利用液压油缸的往复运动来带动采煤机的摇臂机构实现对采煤机滚筒工作高度和角度的调节，在该系统中，采煤机液压油缸在工作中的负载和压力的平衡如式（1）所示：

式中：A1为液压油缸有杆腔的横截面积；P1为液压油缸有杆腔的压力；A2为液压油缸无杆腔的横截面积；P2为液压油缸无杆腔的压力；Ff为作用于液压油缸活塞杆上的外力；x为液压油缸活塞杆的位移量；m为作用于活塞杆上的等效当量。

式中：C1为液压油缸的泄露系数；V1为油缸有杆腔和阀体间管路内的油液量；Q1为液压油缸有杆腔的流量；βe为液压油的体积弹性模量。

式中：C2为液压油缸的泄露系数；V2为油缸有杆腔和阀体间管路内的油液量；Q2为液压油缸有杆腔的流量。

当对执行油缸阀控体建立其数学模型时，最关注的就是液压缸工作时其固有频率最低的情况，而液压缸阀控体的固有频率与弹簧刚度有密切的关系，因此可推出弹簧刚度Kh计算公式：

对以上公式进行拉氏变换，同时假设执行油缸有杆腔和无杆腔的截面积为二者的平均值，则可得到如下所示的传递函数[2]。

式中：L为执行油缸的总行程；C1为液压油缸的泄露系数；x（s）为调高油缸的位移。

由式（6）可知，调高油缸受外力Ff的影响极大，因为在采煤机中，采煤摇臂的长度、牵引阻力等均为定值，因此采煤机在某一个地方进行切割时其压力主要取决于作用在采煤机切割滚筒上的负载。

为了精确模拟执行油缸对采煤机调节高度的关系，我们建立了采煤机调高行程和执行油缸行程的数学模型，采煤机调高系统的结构[3]如图1所示。

图1 采煤机滚筒调高系统结构简图

由图1可知，当执行油缸的位移量较小时，可近似的认为。

式中：ΔL为液压油缸活塞杆的行程；L1为摇臂长度；Δθ为液压油缸活塞杆行程的变化量；

此时对应的采煤机滚筒的调整高度可表示为：

将其联立可得采煤机切割滚筒高度调整的变化为[4]：

由式（9）分析可知，采煤机调高执行油缸的活塞位移量和切割滚筒高度变化之间为非线性的关系，因此在调高机构数学模型关系的基础上将模拟研究对象转换为对执行油缸活塞杆行程的研究。

2 基于电液比例控制的采煤机调高液压系统的建模与仿真

电液比例控制阀体主要用于液压系统的精确开环控制中，但也可以作为一个信号转换组件用于闭环的控制系统中，具有控制精度高、反应速度快、可靠性高的优点[5]，在控制过程中，首先在系统中设定控制参数值，然后PLC控制系统将其转化为模拟量输入信号，将控制信号输入到系统内的电控器，再转化为电流的模拟信号量，用于控制机械结构的动作，产生相应的力，作用于电液比例溢流阀的阀芯上，根据电流信号的大小控制阀芯作用的力，控制开口的大小，从而控制流经该阀芯的液体的流速和流量，其控制原理如图2所示。

图2 电液比例控制阀控制原理图

将电液比例控制阀应用于液压控制系统，并在AMEsim仿真分析软件中搭建采煤机自动调高液压控制系统的原理图，如图3所示。

图3 电液比例自动调高液压控制系统的仿真模型

执行油缸活塞杆的响应仿真曲线如图4所示：

图4 活塞杆的响应速度曲线

由图4可知，其仿真设置的工作时间为0.5 s，设置的步长为0.01 s，根据仿真结果可以看出，采煤机的调高系统在执行调高的过程中，执行油缸的活塞杆的运行速度的变化曲线。在整个仿真时间内，其趋近于线性稳定的比例增加，直到0.05 m/s，当在0.22 s时达到相对稳定的状态，可以看出在电液比例阀的作用下能够精确的控制各运行阶段的油液的供应比例，从而确保了各阶段对采煤机调高机构调整高度的精确控制，保证了系统调高过程中的稳定性。

3 结论

通过对采煤机截割滚筒调高机理的研究，在总结实践经验的基础上，建立起了调高机构液压油缸的数学模型，并将液压油缸活塞杆的行程和调高机构调节高度的关系建立了精确的数学模型，将对采煤机调节高度的研究转换为对调高机构液压系统执行油缸活塞杆行程的研究，最后利用电液比例控制阀为核心建立了液压调高机构的仿真模型，并利用AMEsim仿真分析软件对其工作过程进行了仿真分析，获得了在过程中执行油缸运行的速度曲线，结果表明该电液比例控制的采煤机自动调高液压系统，很好地解决了目前采煤机调高系统无法精确控制采煤机调高角度的问题，同时极大地提高了调高系统的工作可靠性和稳定性。