虎龙沟煤业掘进机悬臂调高控制系统的优化研究

2020-04-07张诚政

山东煤炭科技 2020年3期

张诚政

（大同煤矿集团虎龙沟煤业公司，山西朔州 038300）

虎龙沟煤业在井下巷道掘进时采用的为EBZ220H型悬臂式掘进机，在工作过程中操作人员通过目视巷道掘进截面的形状，对悬臂掘进作业时的高度和角度进行调节，满足掘进作业要求。但在实际工作中由于掘进机的调高系统采用液压控制方式，在进行调高作业时存在着较大的动作滞后性，而且无法对较小的调节量进行调控，导致巷道掘进过程中的成型质量、截割效率均无法满足井下综采作业要求[1]。针对以上情况，虎龙沟煤业以EBZ220H型掘进机为研究对象，对其调高控制系统进行优化，提出了一种新的调高控制系统，结合AMEsim仿真分析软件对优化后的调高控制系统的调高控制特性进行了研究，表明该调高控制系统理论上符合调节控制要求。在EBZ220H型掘进机上的实际应用表明该控制系统能够极大地提高悬臂调高控制的精度，显著提升了掘进机进行掘进作业的效率。

1 基于比例溢流阀的调高控制原理

技术攻关团队通过对掘进机调高系统在调高作业时调高过程的分析，发现出现调高失稳、控制滞后的主要因素在于：传统的液压控制系统中，控制摇臂升降的阀体采用的是三位四通换向阀，在工作过程中液压油需要经过较长的管路才能进入到执行油缸内，推动摇臂的升降，因此导致操作人员在推动操作杆一段时间后摇臂才开始上升，而且由于三位四通换向阀的阀芯开口度大小一致，导致高压油在通过阀芯时产生一个较大的向前冲来量，进而导致了执行油缸向前有一个加速度。

根据分析结果，项目团队提出了一种新的基于比例溢流阀的调高控制系统。以比例溢流阀[2]为控制核心，根据不同的调整量，来控制阀芯开口的大小，而且能够在整个过程中保持一定的压力，消除了传统三位四通换向阀控制时油液在管路内流动时的消耗，有效提升了调节时摇臂的反应速度。由于采用了可开合式的阀芯，能有效控制油液的流出量，减少了调控过程中产生油液冲击的异常，提升了摇臂调节时的稳定性。新的基于比例溢流阀的调高控制系统原理如图1所示。

图1 基于比例溢流阀的调高控制系统原理

由图1可知，该控制系统在实际控制掘进机调高过程中采用了闭环反馈[3]的原理。操作人员发出摇臂调节指令后，将其传输到电控器内，电控器将操作信号转换为电流信号，根据系统预先设定的电流信号和比例溢流阀开口的大小关系，自动调节比例溢流阀的开度大小，驱动掘进机液压缸的动作，实现对高度的调整，同时设置的测量反馈元件对调节量进行监测，将监测结果反馈到电控器内，实现对调节量的修正，确保对掘进机摇臂高度和角度调整的精确性。

2 液压调高系统的仿真分析

为了对该挖掘机悬臂调高控制系统的工作情况进行验证，本文利用AMEsim仿真分析软件建立其仿真分析模型[4]。根据计算，设置该比例阀的弹簧刚度为200N/m，其工作时的静摩擦力约为3.1N，动摩擦力为3.3N，悬臂调高系统的工作压力为8MPa。进行仿真分析时，设置其仿真时间为10s，仿真时的步长约为0.2s。该调高系统的仿真分析模型如图2所示。

不同调节方式下掘进机的摇臂调节速度变化如图3所示。

图3 不同调高控制系统下摇臂的速度变化曲线

由图3可知，当采用传统的三位四通电磁换向阀控制情况下，采煤机摇臂调节时的反应时间约为0.37s，且摇臂最大的速度波动约为0.23m/s，调节过程中的速度最小为0.58m/s。这主要是由于三位四通电磁换向阀阀口流通量不可调，导致摇臂调节时的最小速度受限，同时在高压油液的作用下导致速度波动大。当采用新型的调高控制系统时采煤机摇臂的调节反应时间约为0.1s，其摇臂调整时的最大速度约为0.05m/s，调节过程中的最小速度约为0.36m/s，其反应时间仅为传统方式的27%，速度波动量为传统方式的21.7%。由此可知采用新的调高控制系统能够极大地提升采煤机摇臂调节时的反应速度，而且能够有效地降低调节过程中的速度波动，提高采煤机摇臂控制的精确性。

3 虎龙沟煤业掘进机的实际应用

在对该调高控制系统进行理论分析可行的情况下，虎龙沟煤业以EBZ220H型掘进机为对象，对其悬臂调高控制系统进行升级改造。利用比例溢流阀替代三位四通电磁换向阀，同时对其控制逻辑进行升级，使其满足控制要求。升级改造完成后，将其投入到井下副井巷道掘进中。通过对2019年6月1日至2019年6月30日期间掘进作业的统计表明，优化后掘进机掘进作业的效率比优化前提升了约4.3%，同时掘进机掘进作业时的巷道一次成型率比优化前提升了约53%，优化后的调高控制系统反应速度、可操作性等均优于优化前。虎龙沟煤业掘进机如图4所示。