矿用掘进机供水流量智能控制系统的设计

赵 宏

（同煤集团挖金湾煤业公司， 山西 大同 037001）

引言

掘进作业面的工作环境存在较大的粉尘，其不具备较好的通风条件，油箱的体积会受到巷道空间的制约，极易导致液压系统出现油温升高的问题。通常，掘进机大多利用循环作业的方式来进行支护，此时液压系统所聚集的热量也会逐渐散发，使得掘进机油温不会上升得过高。但是若掘进机在某个条件下进行持续运作的时候，其液压系统将会出现油温上升的问题。掘进机正常运行时的油温处于35～65℃之间，其油温的最高值为70℃，如果循环油的温度较高，则掘进机的运行效率将会持续降低，因此，处于适宜的温度之下，维持液压系统的热平衡，对掘进机的正常运行起到较好的作用。

1 掘进机供水系统简介

掘进机的供水系统主要应用在泵站及截割电机、液压系统的冷却工作中，同时可以对掘进作业面进行除尘，提高可见度，改善环境，确保人员的安全。掘进机供水系统的原理见图1，水经过反冲洗过滤器之后可以被分为两路：通过球阀而进入到内喷雾，对截齿进行冷却，对掘进作业面进行除尘；压力降低到1.5 MPa之后，再分为两路，其中一路相继经过蛇形冷却器、板翘式冷却器、泵站电机、截割电机，之后再从冷却喷雾喷出，另一路在压力增加之后，再经过高压外喷雾喷出对掘进工作面进行除尘[1-3]。

根据图1可知，本供水系统只可以将冷却水压力进行展示，各个支路的流量及压力都是未知的。当供水量不足或者过多的时候，不存在预警或者自主调节的功能，只能在液压系统产生了问题之后才可对供水系统进行判断。因此，需要设计出一套合理的供水量智能控制系统来处理供水不足或者过多的问题。

图1 掘进机供水系统原理

2 掘进机供水流量流量智能控制系统原理分析

其原理详见下页图2。在以往的供水系统之中分别加设3个比例电磁水阀、流量传感器和压力传感器。其中传感器可以对流量及压力的信号进行及时反馈，比例电磁水阀的作用在于对阀口进行调节，以实现供水量的控制，其中比例电磁水阀Ⅰ主要对供水总量进行控制，比例电磁水阀Ⅱ主要是对内喷雾的流量进行控制，比例电磁水阀Ⅲ则是对外喷雾流量进行控制。比例电磁水阀的运行是经过多个流量及压力传感器所进行控制的，利用逻辑控制器来对信号进行控制，并发出相应的信号。电磁水阀存在信号反馈，不仅可以实现信号的输出，也可以实现信号的反馈；流量及压力传感器可以发出相应的信号反馈；而系统温度及喷雾系统所产生的变化则可以属于控制系统的外部干扰信号；逻辑控制器的目的在于执行信号处理分析。整个系统形成一个完整的闭环，促使目标的控制可以稳、准、快。

3 掘进机供水流量智能控制系统逻辑控制设计分析

流量智能控制系统逻辑控制详见图3。压力传感器Ⅰ和Ⅲ、流量传感器Ⅲ在经过逻辑比较分析之后来对比例电磁水阀Ⅲ进行有效的控制，对内喷雾的流量进行适当调节。而比例电磁水阀Ⅰ所具有的开口则需要对压力及流量传感器的信号进行对比分析，之后对其进行适当调节。逻辑控制器主要设定了三个挡位的流量，分别为最低流量、标准流量、最高流量。当供水量的总值超出了最高流量的时候，逻辑控制器可以对比例电磁水阀Ⅰ来进行直接控制，以适当降低流量；当供水量低于最低流量的时候，泵站电机与截割电机都无法开启，发挥较好的保护作用。当供水量处于最高与最低流量之间的时候，逻辑控制器依据压力、流量等参数来进行综合判断，给出相关的信号来对水阀的开关进行控制。标准流量利用理论计算及实验相结合来取得，最高及最低流量依据现场的实际经验来进行设置，将标准流量设定为110%。

图2 流量智能控制系统原理

图3 流量智能控制系统逻辑框架

4 掘进机流量智能控制系统数据设计分析

该系统是以数据库为核心而取得成功的，而数据库是实验与理论相结合的产物，因此，理论计算应当与实验同步开展。掘进机主要包含了三个方面的供水量，分别为内喷雾、高压外喷雾和冷却外喷雾。其中内喷雾和高压外喷雾满足喷雾流量计算公式：

式中：q为相应的喷雾水流量；n为相应的喷嘴数量；k为相应的流量系数；p为相应的喷雾压力。

喷嘴的直径越大，其降尘的效率也会越高；喷嘴的直径越小，其会因为环境因素的影响而出现堵塞。但是如果直径较大，则消耗水量也会越大。

高水压所取得的水雾相对较细，同时还可以确保水雾颗粒拥有较大的含水量和较高的运动速度，对喷雾降尘有着较好的促进作用。但是高水压也会产生较大的能耗，系统部件由于受力的增加而产生故障等问题，因此，供水压力应当依据现场的实际状况来进行设定。

基于喷雾理论可知，理想的喷雾范围是经过喷雾夹角与到喷嘴口之间的距离而计算出来的。喷嘴的排列形式将会对喷雾的分布效果造成一定的影响。雾化的角度相对较小，雾流将会对整个截割头产生完全覆盖，那就会导致喷嘴的数量持续增加，对降尘系统的稳定性产生较大的影响。

基于上述理论对喷嘴加以明确之后，流量系数k保持一定；而压力P则需要依据矿井中的要求来进行设定，内、外喷雾的压力分别为2 MPa和4 MPa；掘进机的内喷雾与高压外喷雾不具有相同的设置，而对供水量产生影响的核心因素为喷嘴的数量，因此，喷嘴的数量与供水流量呈现正比关系。

掘进机的发热功率主要由截割电机、泵站电机、液压系统的功率及效率所决定。液压系统所具有的发热功率可以依据经验值来进行计算，电机维持在最佳温度时，其所需的冷却流量最小为：

式中：Pw为相应的电机发热功率；ρ为相应的冷却液的质量密度；Cm为相应的冷却液的比热容；△T为相应的冷却液通过电动机后的温升。

当掘进机处于持续运行的状态下，为了使液压系统保持良好的热平衡状态，除了油箱会散发一些系统热量之外，余下的热量都是经过水冷却器来进行发散的。

在对液压系统的发热功率进行计算之后，通过与理论的发热功率进行对比分析，依据冷却功率来选择最佳的冷却器种类，并确定数量。

对冷却器在实际运用过程中会出现散热片受污染的问题加以考虑，导致其散热的有效面积降低，因此在选择冷却器的时候，其散热面积的实际值将会增加20%～30%。针对冷却器开展相应的热平衡试验，其应满足公式（3）：

式中：T为相应的平衡油温；t为相应的水温；b为相应的冷却器散热板厚度；λ为相应的热交换面导热系数；A为相应的冷却器热交换面积。

收集实验数据，并将其输入到计算机软件中来进行计算，得出各个单元所需要的流量表，如下页表1，并得到了相应的冷却流量图（略）。序号①所表示的为冷却流量，其压力维持在1.49 MPa以下；序号②所表示的为内喷雾流量，其压力应当大于1.99 MPa；序号③表示的四高压外喷雾流量，其压力应处于3.99 MPa之上，由此可以得出，系统的标准流量为68.16 L/min。

表1 压力与流量具体关系情况表

上述这些都以数据库的建立为基础，随着实验设备类型的不断增加，数据库会日益完善。面对着繁琐的数据库构成，一套稳定的控制理论是确保整个智能化控制系统得以正常运行的关键所在，这样才可以真正展现出智能控制的价值。

5 掘进机供水流量智能控制系统故障诊断系统设计分析

系统创建的初期，通过简单的逻辑控制器来开展分析与判断，传感器与执行部件相对较少，但是随着工况、机型等因素的持续增加，简单的逻辑判断已经无法满足该系统的正常运行。图4所表示的为理想的流量智能控制系统。数据库已基本成熟，系统引入了一些了较为复杂的控制理论，如模糊控制理论等，传感器及执行部件的类型及数量也会越来越多。

专家诊断系统所具有的准确性是以案例为基础所创建的，只有拥有丰富的案例，该系统才能具备更高的准确性。例如，现阶段掘进设备内安装的喷雾系统不具有较长的寿命，在矿井下无法长时间使用，超出80%的掘进设备基本都会在一周之内失效，其关键原因在于喷嘴极易受到堵塞，旋转的密封性较差。专家诊断系统必须利用数据库来与实时数据进行对比，找出故障原因，并发出精确的指令。

图4 理想流量智能控制系统逻辑框架

6 结论

对掘进机供水体系进行智能化设计，利用热平衡公式及流体公式来进行计算，并与冷却喷雾水的试验相结合，对供水流量智能化调节所具有的可行性进行分析。此外，本文提出针对后期供水系统创建起完善的数据库，并对复杂控制理论的系统模型进行展望，这不仅对日后掘进机供水体系的设计具有较好的参考意义，而且对煤矿之中的其他供水系统有着较好的参考意义。