液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究
摘要針對(duì)液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用課題，在分析跟機(jī)控制的影響因素及難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，并提出系統(tǒng)幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的耦合性解決方案，所研發(fā)的ＺＤＹＺ型液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)在工作面條件良好時(shí)取得了十分優(yōu)異的應(yīng)用效果。同時(shí)，基于系統(tǒng)自帶的參數(shù)互饋調(diào)整、故障識(shí)別、自我保護(hù)等功能，特殊地質(zhì)條件的適應(yīng)性和現(xiàn)場(chǎng)具體生產(chǎn)條件的應(yīng)變性均得到較大提升，加速了綜采工作面無(wú)人化、智能化的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了較好的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞液壓支架；跟機(jī)自動(dòng)化；系統(tǒng)耦合；互饋調(diào)參
液壓支架是實(shí)現(xiàn)井工煤礦綜合機(jī)械化開(kāi)采的關(guān)鍵設(shè)備，與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)合并稱(chēng)為“三機(jī)”。液壓支架電液程序控制可實(shí)現(xiàn)本地控制、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)控制為一體的便捷操作，可實(shí)現(xiàn)液壓支架單架控制、成組控制、跟機(jī)自動(dòng)控制、人工遠(yuǎn)程控制等功能。目前，在國(guó)內(nèi)大型煤礦企業(yè)已逐漸得到普及應(yīng)用，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。尤其是跟機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的研發(fā)及實(shí)踐，為實(shí)現(xiàn)能帶壓移架及高效支護(hù)提供了可行路線，應(yīng)作為煤礦綜合機(jī)械化開(kāi)采的重點(diǎn)方向。但是，跟機(jī)自動(dòng)控制的技術(shù)實(shí)現(xiàn)還面臨諸多難點(diǎn)，如對(duì)特殊地質(zhì)條件的適應(yīng)性、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)具體生產(chǎn)條件的應(yīng)變性、與采煤機(jī)刮板輸送機(jī)的匹配性等，均限制了該技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展［１－５］。本文即針對(duì)液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用，并對(duì)其與地質(zhì)、生產(chǎn)、設(shè)備耦合性進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)及解決，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的工程化應(yīng)用，創(chuàng)造可見(jiàn)的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益。
１跟機(jī)控制的影響因素及難點(diǎn)
１．１跟機(jī)控制的影響因素分析
液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化控制的影響因素較多，如工作面的傾角、頂板等地質(zhì)條件，采煤機(jī)的割煤速度，刮板輸送機(jī)的姿態(tài)，液壓系統(tǒng)的供液壓力及流量。對(duì)于工作面的具體地質(zhì)條件來(lái)講，煤層及工作面傾角會(huì)影響采煤機(jī)的運(yùn)行速度、液壓支架的牽引阻力、液壓支架的上傾下滑、刮板輸送機(jī)的上竄下滑等，對(duì)液壓支架跟機(jī)控制產(chǎn)生影響。對(duì)于采煤機(jī)的割煤速度來(lái)講，由于頂板條件的不同、三機(jī)配套關(guān)系的不同，割煤前超前幾臺(tái)支架收支架前探梁及護(hù)幫板、割煤后滯后幾臺(tái)支架伸前探梁及護(hù)幫板均在作業(yè)規(guī)程上有明確要求，因此，采煤機(jī)割煤速度會(huì)對(duì)跟機(jī)控制的參數(shù)產(chǎn)生影響。對(duì)于刮板輸送機(jī)的姿態(tài)來(lái)講，輸送機(jī)的可彎曲度、與液壓支架配套等會(huì)對(duì)跟機(jī)控制參數(shù)產(chǎn)生影響。液壓系統(tǒng)的供液壓力及流量對(duì)支架的牽引速度、同時(shí)牽引支架的數(shù)量、液壓支架的推移牽拉等產(chǎn)生影響。
１．２跟機(jī)控制的難點(diǎn)分析
第一，液壓支架跟機(jī)控制除了液壓支架的牽拉升降之外，還涉及前探梁及護(hù)幫板控制、刮板輸送機(jī)推移控制、液壓支架防塵噴霧控制等，控制系統(tǒng)及流程相對(duì)復(fù)雜。第二，液壓支架與刮板輸送機(jī)是由“十”字形銷(xiāo)耳連接，其相對(duì)支架的遷移具有一定程度的離散行程特性，在工作面傾角頂?shù)装宓鹊刭|(zhì)條件、支架輸送機(jī)上竄下滑等生產(chǎn)條件的影響下，支架的控制難度較大。第三，液壓供液系統(tǒng)及液壓元件系統(tǒng)的故障率較高，液壓供液系統(tǒng)需要保持足夠的供液壓力及流量來(lái)保障液壓支架的組合動(dòng)作，一旦出現(xiàn)泄液、漏液情況，就容易導(dǎo)致供液壓力及流量不足。同時(shí)，液壓支架元件數(shù)量多，一旦出現(xiàn)故障，就容易導(dǎo)致液壓支架操控性變差、升降或遷移故障等，在采煤機(jī)保持正常行走速度時(shí)，液壓支架可能會(huì)因故障出現(xiàn)跟機(jī)控制不匹配的問(wèn)題，造成自動(dòng)化控制的失效或事故。
２跟機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)
跟機(jī)自動(dòng)化控制的基本原理是圍繞采煤機(jī)的運(yùn)行速度及采煤機(jī)液壓支架的工藝匹配關(guān)系，自動(dòng)對(duì)液壓支架進(jìn)行收前探梁、收護(hù)幫板、降架、拉架、升架、伸前探梁、伸護(hù)幫板等各項(xiàng)操作。整個(gè)操作過(guò)程包括傳感器識(shí)別、信號(hào)傳遞、程序控制、指令發(fā)出、液壓動(dòng)作等，實(shí)現(xiàn)跟機(jī)自動(dòng)控制�；谝陨瞎ぷ髟恚O(shè)計(jì)液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的工作流程如圖１所示。工作流程首先是根據(jù)環(huán)境影響因素，如頂板的破碎程度、底板的松軟程度、煤層的傾角狀況，來(lái)選擇控制流程，如擦頂移架、抬底控制、防傾倒控制；然后根據(jù)采煤機(jī)速度、泵站供液能力等來(lái)選擇控制方式；最后，選擇控制的具體參數(shù)，并對(duì)具體的執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行檢查，再根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行修正。該系統(tǒng)的重點(diǎn)在于其具有根據(jù)具體的地質(zhì)生產(chǎn)條件進(jìn)行自我組織和參數(shù)選擇及調(diào)整功能，具有智能化的學(xué)習(xí)、修正、改善能力；并具有相應(yīng)的故障識(shí)別功能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠自動(dòng)修正，無(wú)法修正的進(jìn)行報(bào)警處理，方便人工維護(hù)；系統(tǒng)還具備基本的保護(hù)功能，如防止采煤機(jī)與液壓支架碰撞、實(shí)現(xiàn)頂板基本支護(hù)、防止大面積空頂、防止液壓支架傾倒等。
３系統(tǒng)耦合性關(guān)鍵點(diǎn)解決方案
液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)是一項(xiàng)大的系統(tǒng)工程，系統(tǒng)內(nèi)部各部支架耦合匹配至關(guān)重要，對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析：（１）跟機(jī)速度與采煤機(jī)運(yùn)行速度耦合性控制。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及《綜采工作面作業(yè)規(guī)程》要求，一般條件下滯后采煤機(jī)后滾筒５～１０架移架，頂板條件不佳時(shí)，滯后采煤機(jī)后滾筒３～５架追擊移架。以ＭＧ１５０／３７５－Ｗ為例，其牽引速度為０～７．７ｍ／ｍｉｎ，以平均速度５ｍ／ｍｉｎ、單臺(tái)液壓支架寬度１．５ｍ為例，每臺(tái)液壓支架的降架、拉架、升架時(shí)間應(yīng)為１．５／５ｍｉｎ，即１８ｓ，才能保證跟機(jī)速度與采煤機(jī)運(yùn)行速度的匹配關(guān)系。如果速度不匹配，則會(huì)造成拉架滯后或跟機(jī)過(guò)緊的不利局面。（２）跟機(jī)控制與液壓系統(tǒng)耦合性控制。根據(jù)上文分析，液壓供液系統(tǒng)需要保持足夠的供液壓力及流量來(lái)保障液壓支架的組合動(dòng)作，從而滿(mǎn)足采煤機(jī)運(yùn)行速度較快時(shí)多臺(tái)支架同時(shí)操作的條件；同時(shí)，必須保證液壓支架的工作系統(tǒng)狀態(tài)良好，具備可靠的牽拉操作條件，防止因支架牽拉故障造成動(dòng)作緩慢、跟不上采煤機(jī)運(yùn)行的情況出現(xiàn)。（３）跟機(jī)控制與端頭割煤工藝耦合性控制。液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵控制區(qū)域在于端頭三角煤處，兩端頭處割煤涉及單向割煤、雙向割煤、反刀、支架跟機(jī)特別控制等特殊工藝。如圖２所示，在兩端頭三角煤區(qū)域設(shè)置幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)解決采煤機(jī)端頭作業(yè)時(shí)液壓支架的靈活控制問(wèn)題。在采煤機(jī)完成端頭作業(yè)并反刀后再實(shí)施跟機(jī)拉架，并調(diào)整傳感器靈敏度，適時(shí)地在拉架操作前進(jìn)行伸前探梁、伸護(hù)幫板等臨時(shí)支護(hù)。
４應(yīng)用及展望
基于以上原理及流程所研發(fā)的ＺＤＹＺ型液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)部分礦井進(jìn)行應(yīng)用，在工作面條件良好時(shí)取得了十分優(yōu)異的應(yīng)用效果。同時(shí)，基于系統(tǒng)自帶的參數(shù)互饋調(diào)整、故障識(shí)別、自我保護(hù)等功能，特殊地質(zhì)條件的適應(yīng)性和現(xiàn)場(chǎng)具體生產(chǎn)條件的應(yīng)變性均得到較大提升，促進(jìn)了綜采工作面無(wú)人化、智能化的發(fā)展，但在傳感器的識(shí)別精度、參數(shù)反饋修正的速率、特殊地質(zhì)生產(chǎn)條件的適應(yīng)性方面仍需進(jìn)一步研究及改進(jìn)。
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