基于电液比例阀控制的采煤机自动调高液压系统的研究

史彦军

（山西西山晋兴能源有限公司斜沟煤矿， 山西 吕梁 033602）

引言

采煤机是矿井煤炭机械化开采最关键的设备，也是保证井下煤炭开采安全、高产高效和改善综采作业面的最重要的技术设备。采煤机的自动控制包括两部分，即牵引和滚筒升降的控制。滚筒的自动升降控制是指采煤机在实际开采中，可根据煤层高度的变化来调整前后滚筒的位置，而传统的采煤机调高则是通过手动调高以及操作工人手持遥控器或者借助端头操作来完成升降动作。由于井下工作灰尘大且能见度低，仅仅依靠肉眼观察割煤时摇臂的摆动状态、煤介质的飞溅情况，并无法准确判定割煤的实际情形，也无法及时对滚筒高度做出调整，因此时常会出现割顶梁、铲煤板等不良现象，且截割的岩石混在原煤中会降低煤炭产品的质量，此外，还会造成截齿和滚筒的急剧磨损，不安全事故时有发生[1]。因此，滚筒调高系统作为采煤机的关键组成部件，有必要对其自动调高技术进行研究，本文应用电液比例阀控制的调高液压系统，可实现在煤层高度范围内滚筒高度随意上下调整，以满足复杂煤层的变化需求，从而获得最佳的割煤效果和最大的回采率，进而提高煤炭产品的质量。

1 电液比例阀控制的自动调高液压系统介绍

电液比例阀可以实现对液压参数的管控，多应用于开环控制系统中，也可作为放大组件和信号转换部件用于闭环控制系统中。电液比例阀控制系统包括：指令元件、控制算法、比例放大器、电液比例阀、液压执行元件、检测反馈元件等。电液比例阀控制系统特征：采用比例控制模式的液压执行元件，通过改变元件比例系数来控制系统，且输入信号的不同变化也是通过元件的线形跟踪来进行控制，从而实现输出信号对输入信号的线性响应。电液比例阀控制系统优点：控制精度高，在煤矿实际生产中可完全满足液压系统的要求，且成本低[2]。

电液比例阀控制的自动调高液压系统的工作过程：在液压泵的动力作用下，液压油经过滤器后从油箱进入控制系统，形成动力源，为整个调高液压系统提供所需的动力；在对电液比例阀左位通电时，液压油经过液压锁进入到系统液压油缸的无杆腔，对液压缸内的流量体积产生影响变化；随后活塞杆移至右端，有杆腔液压油经过液压锁、安全阀回落至油箱，使液压油缸持续运动而顶出，即完成采煤机自动调高动作。在液压油缸达到预期高度的情况下，液压锁、安全阀可以将压力持续保持在一个恒定值，从而保证采煤机滚筒也稳定在一定位置上。当对电液比例阀切断电源时，经过调高油缸的无杆腔，液压油流回到油箱，液压缸活塞杆收回，滚筒下降动作完成[3]。其工作原理示意图如图1 所示。

图1 基于电液比例阀控制的调高液压系统的原理图

2 电液比例阀控制的自动调高液压系统模拟分析

2.1 电液比例阀电流与流量的特性分析

首先，为确定本文设计应用的电液比例阀能否满足煤矿工程生产需求，可通过观测其实际工作中零位死区的范围大小来实现。由于受弹簧刚度及阀口开启量的大小影响，电液比例阀会产生约20%的死区间范围，在此期间，油液在一定时间范围内并不流通，即此时电液比例换向阀不连通[4]。本文设计的是在额定电流的10%～20%时，电液比例换向阀几乎无油液流过，电液比例换向阀电流与流量的特性曲线如图2 所示。因此，本文设计采用的电液比例阀自动调高液压系统满足要求，可以使用。

图2 电液比例阀电流与流量的特性变化曲线

2.2 自动调高系统的油缸活塞位移情况分析

对于电液比例阀控制的自动调高系统，选取的液压缸、安全阀、液压锁、液压泵、油箱等液压元件均需保证调高液压系统的正常使用。设定研究参数：模拟时间10 s，步长0.1 s，设定信号位移0.5 m，对采煤机调高系统的油缸活塞位移进行跟踪，并观察其位移变化量，得到图3 所示的曲线图。

图3 液压油缸活塞跟踪位移的变化曲线图

从图3 中可知，对于采煤机滚筒的自动调高进程，控制系统的流量在逐渐减少，液压油缸活塞杆的位移量随时间的增大先线性增加后趋于稳定，可见液压油缸活塞杆可快速平稳地达到设定位移0.5 m处的位置，即在时间7.8 s 时，液压油缸活塞杆的位移稳定到0.5 m 的位置。

2.3 液压油缸活塞杆的运动情况分析

分析电液比例阀控制的调高液压系统在承受负载的作用下，模拟液压油缸活塞杆的运动情况。在设定研究参数是模拟时间0.5 s，步长0.01 s，对采煤机自动调高系统的油缸活塞响应速度进行分析，得到如图4 所示的曲线图。

图4 液压油缸活塞响应速度的变化曲线图

从图4 中可得出，采煤机在自动调高过程中，在0.5 s 的时间区间内，曲线由比例环节变化后趋于稳定，最后稳定增至0.05 m/s，且在0.2 s 时，液压油缸活塞的响应速度开始趋于稳定。因此，基于电液比例阀对于系统流量的控制，不仅短时间内就可达到预定的速度值，也可保证采煤机自动调高系统的稳定。

2.4 模拟结果分析

从上述液压油缸活塞杆的位移量和响应速度分析结果来看，电液比例阀控制的自动调高液压系统能够准确地控制系统的流量，也能够保证油缸活塞杆稳定快速地达到预设值，也就是说，电液比例阀控制的液压系统能够快速精确地控制采煤机滚筒的调高，提高煤矿开采的效率和煤炭产品质量。

3 结论

1）液压油缸活塞杆的位移量随时间的增大先线性增加后趋于稳定，当到达7.8 s 时，液压油缸活塞杆稳定在0.5 m 的位置处。

2）液压油缸活塞杆的响应速度随时间的增大呈先比例环节变化后趋于稳定，当到达0.2 s 时，液压油缸活塞的响应速度稳定在0.05 m/s。

3）综合可得出，电液比例控制的液压系统能够快速精确地控制采煤机滚筒的调高。