悬臂式掘进机电控系统的自动化升级研究与设计

王履锋

(潞安环能股份公司 常村煤矿，山西 长治 046102)

悬臂式掘进机在我国煤矿井下应用广泛，具有掘进高效、掘巷成本低，适应能力强等特点。随着我国矿井规模扩大，大型化、无人化等逐步成为矿井机械设备发展的目标，但当前国内仍未实现悬臂式掘进机完全程度的自动化截割，造成掘巷效率低，掘巷质量差的局面[1-3]。同时，悬臂式掘进机自动截割成型的自动控制技术仍待发展，许多成果仍处于理论研究和仿真阶段，不能有效指导矿井的实际生产。本文基于常村煤矿2201W工作面实际情况，对井下使用的EBZ260型悬臂式掘进机进行自动化升级改造，提高了工作面掘巷效率，保障矿井的安全生产。

1 悬臂式掘进机的概况

EBZ260型悬臂式掘进机可切割抗压强度不高于90 MPa的煤岩体，最大截割硬度110 MPa，可掘任意断面尺寸巷道，掘巷最大尺寸6.3 m×5.2 m(宽×高)，可适应最大坡度±18°。EBZ260型悬臂式掘进机结构示意如图1所示。

图1 EBZ260型悬臂式掘进机结构示意

2 悬臂式掘进机自动化升级

2.1 自动化升级功能架构

如图2所示，自动化升级功能架构系统保留原有基础电气系统，增设扩展控制箱，基础电气系统相关设施安装在原电控箱内，扩展控制箱增加遥控接收装置，信号采集及驱动输出模块，控制器通过CANopen总线与扩展控制箱连接。

图2 自动化升级功能架构

2.2 硬件设计

基于图2所示功能架构进行硬件设计，具体如图3所示，主要包含无线收发装置、比例电磁阀组、油缸位移传感器及信号采集及驱动模块。比例电磁阀组采用两组德国HAWE生产的PSV型电液比例换向阀，矿用隔爆型，额定电压24 VDC，电阻26.6 Ω；油缸位移传感器选用北航天金泰星测技术公司的GUC1000型传感器，矿用隔爆型，内置于油缸体内部；无线遥控收发装置采用德国海德GL系列本安型遥控收发器，通过二次开发，满足设计升级设计要求；信号采集及驱动模块选用德国Inter Control公司研发的ICN-VV产品，模块主要采集截割过程中升降油缸、回转油缸、铲板油缸及后支撑油缸的位移信号，然后通过CANopen总线向主控电箱控制器传输信号，然后将处理完成的信号输出给ICN-VV模块，利用该模块驱动各电磁阀组。

图3 硬件结构设计

2.3 软件设计

软件设计主要包括对遥控软件、恒功率截割软件和定位自动截割软件进行设计。遥控软件通过处理接收信号，实现掘进机的电气操作和液压操作过程；恒功率截割软件通过设定额定电流上限值，即当截割电机电流达到额定电流的90%时，该软件系统将自动调节液压阀流量，降低截割点击负载，使截割电机处于恒功率工作状态；定位自动截割软件在人工定位后，自动进行巷道断面形状的开挖，自下而上S型截割。图4为断面监视及参数设置示意，其界面设计参考部分采煤机的记忆截割系统[4-5]。

图4 断面监视及参数设置示意

3 自动化升级模拟试验

图5为场内模拟试验示意。试验设备截割头D600 mm，竖直方向截割步距400 mm，截割断面为矩形，巷道断面尺寸为5 m×4 m。

图5 场内模拟试验示意

通过对截割数据的整理汇总，绘制如图6所示的截割头运动轨迹及截割对比图，分析图6可知，水平方向截割偏差最大60 mm，垂直单侧为40 mm，符合巷道掘进施工标准的(+200 mm，-100 mm)误差允许范围，因此自动化升级系统满足施工精度要求，可有效提高矿井巷道掘进的自动化水平。

图6 截割头运动轨迹及路径对比

4 结 语

本文通过对EBZ260型悬臂式掘进机电控系统进行自动化升级设计，主要包括硬件设计、软件设计并进行现场的模拟验证，确定悬臂式掘进机升级后能够有效提高矿井工作面掘进自动化水平，降低人工作业误差，提高巷道断面掘进质量。