采煤机电液比例自动调高系统研究

刘 伟

（山西煤炭运销集团蒲县昊兴塬煤业有限公司， 山西 临汾 041200）

引言

在采煤过程中，采煤机的滚筒高度需要不断调整，以适应煤层高度的变化。目前，我国的采煤机滚筒调高采用手动控制实现，采煤机司机在操作过程中不断观察截割情况，并手动调整滚筒位置。由于井下环境恶劣，工作面能见度较低，采煤机发出的巨大噪声也会干扰司机准确判断滚筒位置。滚筒的高度由油缸的伸缩量变化进行控制，液压阀的开闭可以控制液压油缸的伸缩，从而实现滚筒高度调节。本文采用电液比例控制阀代替传统电磁阀，实现了滚筒运动轨迹精确控制，提高了系统性能和响应速度。

1 调高系统结构

通常液压控制系统由控制元件、动力元件、执行元件和其他辅助元件组成，动力元件在控制元件的作用下，向采煤机机械部分输出合适的作用力，以满足采煤机滚筒自动调高的静态和动态性能。液压调高系统的结构分为两部分，一是信号控制部分，主要作用为向限压阀、换向阀、比例阀等液压装置提供控制信号，改变其方向和开度，同时也可以给手动阀提供开闭信号，使系统在手动模式下实现电磁锁控制，二是液压动力部分，主要作用为改变系统流量和压力[1-2]。

相比于其他类型的控制系统，液压控制系统具有独特的优势，采煤机滚筒液压调高系统具有安装体积小、元件重量轻的特点，动力元件只需要很小的惯性就能够产生很大的力矩。由于矿井通风条件有限，且空气湿度较大，如果设备发热极易引起火灾或者爆炸事故，设备的散热需要重点考虑，对于液压控制系统来说，液压油的散热效果良好。

2 电液比例调高原理

采煤过程中，随着采煤机的不断推进，滚筒所截割的煤层的厚度也会变化，为了使滚筒贴合顶板和底板，提高采煤效率，采煤机的滚筒高度需要不断调整。除了液压控制阀和调高油缸，大部分滚筒调高液压元件被安装在调高泵箱内，油箱和电动机电机箱占据了调高泵箱的主体空间，在抽屉板内布置其他诸如液压组件和管路等。由于调高泵箱的重要性，其安装和配置具有特殊性，调高泵箱的箱体上应设置方便观察的油窗，采煤机工作时，其油面应该在最低油位上方。除了观察窗，油箱还应该配置滤清器和放油孔。油缸与采煤机滚筒摇臂应采用铰接方式进行连接，以满足采煤机工作时产生的机械应力。如图1 所示为采煤机电液比例调高系统原理图，该系统由电动机、齿轮泵、油缸、换向阀、液压锁、溢流阀、过滤器、油箱等元件组成。设备启动以后，齿轮泵在电动机的驱动下向油箱吸油，液压油从油箱中被抽至过滤器中进行过滤，然后进入液压泵。通过操作换向阀的阀体位置，液压油经过不同的控制回路进入油缸，从而改变滚筒的升降状态，当滚筒的高度调至合适位置时，控制回路的液压锁将回路闭锁，从而使液压系统的压力保持稳定。在整个控制过程中，安全阀的作用是保持滚筒位置，溢流阀的作用是卸压，防止过载。

图1 电液比例调高系统原理图

3 元件选型

采煤机电液比例调高系统的主要元件有电液比例方向阀、液控单向阀、安全阀和位移传感器等。

电液比例方向阀选择的依据有阀的类型、额定压力、额定流量、中位机能。根据滚筒调高系统的控制精度和动态响应要求，选择带内部反馈闭环的电液比例方向阀，相较于不带内部反馈的电液比例方向阀，这种阀的稳态和动态性能均更加优秀。根据采煤机调高液压系统的工作压力为18 MPa，额定流量为19 L/min，因此选择电液比例阀的型号为GDBFW-02.3C4，这款电液比例方向阀的最大工作压力为31.5 MPa，最大流量为45 L/min，质量为3.8 kg，通径为6 mm，采用4～20 mA 的电流信号进行控制[3-4]。

液控单向阀又叫液压锁，安装在液压油缸和电液比例方向阀之间，该阀具有单项流通的特性，在系统调高和定位截煤方面具有重要作用，能够保证系统的安全，如果选择不当会产生振动等现象，影响采煤机的安全。液压锁的开锁条件根据采煤机调高液压系统确定为内泄式，在选择液压锁的闭锁压力时，需要同时考虑系统有载荷和无载荷两种情况下的压力，因为由于液压缸活塞两侧受压面积较小，无杆腔和有杆腔的闭锁压力很大，甚至可能超过系统有载时的压力，因此选择的液压锁的闭锁压力必须满足上述强度条件。本文选择YDF06.00.00 液控单向阀作为液压锁。

采煤过程中，如果滚筒切割到巨大的煤矸石，一方面滚筒的截齿会加速损耗，另一方面煤矸石会给滚筒一个很大的反向作用力，导致采煤机油缸的载荷突增，导致油缸或者管路等部分被压力冲破。安全阀的作用是当油缸内的压力超过一定值时，安全阀将油缸的两腔压力泄掉，泄压之后滚筒的高度降低，从而起到保护截齿和滚筒的作用，提高采煤的质量。

液压油缸的行程为575 mm，位移传感器选型为KYDM 系列磁致伸缩传感器，此型号传感器的量程为600 mm，接口采用Profibus-DP，分辨率达到 5 μm，可在-40～85℃环境中稳定工作[5]。

4 仿真分析

在LMS.AMEsim 软件中对采煤机滚筒调高系统进行仿真，这款软件不仅可以实现系统级的仿真，还能够在元件结构等方面进行特殊设计。电液比例阀是电液比例调高系统的重要元件，因此可以对电液比例阀进行特殊设计，更改结构和参数，使电液比例阀的建模更加精细，更加贴近元件实际性能。仿真过程分为草图模式、子模型选取、参数设置和运行模式四个步骤，电液比例方向阀采用HCD 库进行设计，比例放大器系数取31.5，阀芯活塞直径为60 mm，阀芯等效质量为6.6 kg，弹簧刚度为200 N/m，系统工作压力为10 MPa，静摩擦力为2.8 N，动摩擦力为3 N。液压缸、安全阀、液压锁、液压泵、油箱等其他元件为系统中的自带元件，控制信号模块采用UD00，采用阶跃信号参数模拟比例仿真需求。AMEsim 建立的电液比例调高系统仿真，如图2 所示。

图2 AMEsim 建立的电液比例调高系统仿真

图3 为仿真软件中建立的油缸活塞位移跟踪仿真曲线，仿真参数设置为：仿真时间10 s，仿真步长0.1 s，给定的位移信号为阶跃信号0.5 m。由图3 可知，仿真开始后滚筒高度开始上升，上升过程平稳，在7.8 s 时活塞杆到达指定位置，位移停止。

图3 活塞位移跟踪仿真曲线

5 结语

传统的采煤机滚筒调高系统采用普通电磁阀对油压进行控制，存在控制不稳定，滚筒调节动态响应差等问题，采用电液比例控制阀代替普通电磁阀，并在AMEsim 软件中进行仿真建模，仿真结果表明，电液比例方向阀能够提高滚筒调高控制系统的控制精度和响应速度，对采煤机截割效率提升，保护截齿不被矸石磨损具有一定意义。