采煤机电液比例调高液压系统优化研究
时间：2023-03-04 21:15:02 来源：千叶帆 本文已影响人
刘彦杰
（山西煤炭进出口集团 洪洞陆成煤业有限公司，山西 临汾 041600）
陆成煤业井田面积为11.09 km2，可开采储量为1 788.7 万t，正开采的9+10 号煤层可开采储量为215.5 万t。现场使用MG300 型采煤机，采用开关阀控缸调高系统，主要依靠经验丰富的工人进行手动操作。近几年，陆成煤业因采煤机滚筒的位置调整不合适，在截割时引发火花造成1 次瓦斯爆炸；
采煤机在启动初期受惯性作用会加速冲击煤层，采煤机下滑或倾斜造成2 次重大煤矿事故。因此，提出引入一种新型调高系统，实现采煤机摇臂动态调整与精准控制。
首先对陆成煤业正在使用的调高液压系统进行分析，减少不必要调整。开关阀控缸调高系统原理如图1 所示。实现采煤机高度调节操作的核心部件为换向阀组，由部件4 电磁换向阀与部件5 手动换向阀组成。
图1 采煤机调高液压系统原理Fig.1 Principle of shearer height adjustment hydraulic system
采煤机摇臂按轨迹调整时，可通过手动直接操作部件5，也可使用遥控器驱动部件4 两种方式实现。当部件5 手动调整到阀门最左侧，此时P/A 与B/O 口连接，部件2 调高泵内的油液在压力作用下通过部件5 与部件6，进入部件10 调高油缸内；
同时部件7 单向阀打开，有杆腔侧油液回到油箱，摇臂向下调整。反之，当部件5 手动调整到阀门最右侧时，在高压油液作用下，采煤机摇臂向上调整。当通过遥控器操作部件4 时，发出不同遥控指令，部件4 可实现对部件5 的向左或向右调整，完成摇臂向下或向上调节。采煤机摇臂位置保持时，手动换向阀5 阀芯恢复到初态，此时部件2 调高泵高压油液不再进入部件10 中，双向液压保持不变，实现摇臂的位置保持。
这套调高液压系统的手动换向阀与电磁换向阀组合虽然可实现遥控控制，但对设备的运行状况仍旧通过经验判断，且结构相对复杂，增加了维护成本与故障发生概率。该类型采煤机调高系统控制属于开环控制，跟踪响应速度与控制精度也比较差。而且需要说明的是，陆成煤业实际使用的MG300型采煤机调高系统比图1 所示要复杂，在实际应用中经常出现各种问题，因此决定对采煤机调高系统进行优化改进，提出基于PID 闭环控制的电液比例调高系统，具有更强的控制能力，换向阀组结构也得到简化，抗污染性能突出，后期运维保养也具有一定优势。
闭环控制的改造方法是通过在摇臂活塞杆位置加装位移传感器，采用电液比例方向阀代替原有的液压换向阀，提升控制精度，位移偏差可控制在0.02 mm 以内。图2 所示为电液比例方向阀控缸系统实现原理。位移传感器将采集到的位移信号经模/数转换，位移量与目标量的差值作为误差信号反馈到控制器的输入端，再通过控制器对方向阀进行动态调整，改变阀门口的油液流量，达到调整摇臂方向与速度控制的目的。
图2 基于PID的闭环电液比例阀控缸系统Fig.2 Closed-loop electro-hydraulic proportional valve controlled cylinder system based on PID
为了进一步验证电液比例方向阀控缸系统的快速跟踪响应能力与控制精度，采用基于ADAMS 与AMESim 软件的仿真实验进行分析。
4.1 基于ADAMS 软件的动力学仿真模型构建
ADAMS 软件是常用的仿真三位模型构图软件，在此次采煤机仿真模型构建过程中，首先需要建立实物3D 模型，然后再进一步建立动力学模型。
（1） 建立实物3D 模型。对部分非关键部件与参数进行合理简化，忽略采煤机摇臂传动单元，且将采煤机质量、摇臂质量、摇臂长度值视为恒定。简化后，建模涉及的部件包括滚筒、摇臂、采煤机机体、调高油缸。采用SolidWorks 对采煤机进行3D 建模，并将装配、干涉查验过后的装配体保存为Parasolid(.x_t)格式。
（2） 建立动力学模型。将实物3D 模型的Parasolid(.x_t)格式文件放置在Adares／View 文件夹下，陆成煤业MG300 型采煤机调高系统工作主要为单滚筒一次采全高方式循环运动，故将后滚筒侧的调高零部件做简化处理，与机身连接，并通过固定副进行约束。综合考虑仿真复杂度、实验有效性等因素，将部分物理约束由低副约束替换为高副约束，涉及零部件有采煤机摇臂、活塞、缸体等。
设定动力学模型的状态变量为y0、运行收到的力为F0、运行速度为v0。其中y0取恒定值0，F0可由公式MOTION(M-1，0，3，M-2)来表示，M-1代表摇臂活塞的圆柱副，0 代表Firs-Body，3 代表摇臂活塞圆柱副的横向力F0，M-2 代表圆柱副所受力的参考系。
ADAMS 软件对圆柱副所受力F0进行约束推导，得到的输出信号进入AMESim 软件中完成对调高液压缸的控制。上述动作全部完成后，由ADAMS 软件的控制模块生成接口文件保存在存储器中，文件类型为.inf。
4.2 基于AMESim 软件的调高液压系统模型构建
基于AMESim 软件对基于PID 的闭环控制系统进行仿真建模与分析验证，通过预先设定的约束关系，得到不同动作下的油缸运动速度。将ADAMS 软件控制模块生成的.inf 类型接口文件输入到AMESim，实现2 个软件的信息同步，协同工作实现对受力F0与运行速度v0的实时动态调整，最终完成采煤机调高系统仿真实验。
基于ADAMS 与AMESim 的采煤机调高系统闭环控制如图3 所示。根据陆成煤业实际工作情况，给定的调高泵转速为1 080 r/min，比例方向阀的阀腔直径为6 mm，阀杆半径为2 mm，弹簧的弹性刚度为100 N/mm，设定换向阀移动过程中受到的摩擦力为60 N，执行油缸的工作最大位移为0.30 m，其内径尺寸140 mm，活塞的直径为100 mm，负载质量物体的重量为6 kg，液压系统给定油压为8 MPa，液控单向阀的启动油压为0.3 MPa。
图3 联合仿真系统的模型Fig.3 Model of co-simulation system
4.3 仿真结果分析
电液比例方向阀控缸系统仿真模拟时，在活塞杆上升时，无杆腔入口与有杆腔出口的油液流量相对恒定；
在活塞杆下降时，无杆腔侧的油液流量与压力出现了较大的波动，会使得调高系统活塞杆的速度出现波动，部分甚至产生明显抖动。加速状态下或收到阻力过大时，设备抖动导致控制精度下降、故障发生概率增加，为了降低活塞杆下降带来的负面作用，对设计的新系统再次进行优化改进。
抖动的产生主要是由于无杆腔侧流量与压力发生了较大变化引起，而引起变化的原因则是该侧对应的单向阀高频率的开闭操作。为了解决这一问题，选择引入单向节流阀，对油液的流量波动与压力波动进行有效抑制。单向节流阀加装在无杆腔侧单向缸与液压缸之间，阀门口径3 mm。
联合仿真实验以AMESim 为主，设定AMESim的通信步长为0.05 s，对应的ADAMS 输出信号步长与前者一致，保证软件互联同步，信息交互正常。取仿真实验的总时长为12 s，每隔0.05 s 记录油缸阀门流量与对应压力值。对比未加装单向节流阀与加装节流阀对活塞杆下降时抖动抑制效果，仿真结果如图4 所示。
图4 只增加单向节流阀调节下无杆腔的动态变化情况Fig.4 The dynamic change of rodless chamber under the regulation of one-way throttle valve is only increased.
通过图4 可以看出，增加单向节流阀后，第5～8 s 的油液流量与压力均得到明显抑制，跟踪响应速度也相应提高。
由仿真分析结果可知，增加单向节流阀能确保摇杆抖动振幅得到有效抑制，但仍有约2 s 左右的小幅度波动。为了进一步消除抖动，引入单向阻尼器，安装在调高系统液压油回路上，便于稳定油压、控制流量。
取仿真实验的总时长为12 s，每隔0.05 s 记录油缸阀门流量与对应压力值。加装单向节流阀与单向阻尼器测试活塞杆下降时抖动抑制效果如图5 所示，可以看出当摇臂在第5 s 开始下降时，阀芯位移幅值得到有效抑制。
通过加装单向换向阀与单向阻尼器，电液比例调高系统性能得到有效改善，摇臂下降过程产生的抖动减小、跟踪精度提升、控制能力增强。
图5 增加单向阻尼器后阀芯的动态变化情况Fig.5 Dynamic change of spool after adding unidirectional damper
将设计的电液比例调高系统在陆成煤业进行实际应用，每间隔200 ms 进行一次数据采集，采集点共500 个，得到600 个采煤机滚筒高度值。通过比较，液压调高系统的调高误差在0.07 m 以内，系统稳定性较好，现场效果如图6 所示。工作面累计推进240 m，总产量16 万t，最高日推进8.8 m，月产量6.39 万t，月产量增加2.36 万t，工作人员由18 人/班减少到10 人/班，降低了维修工作量，节约了生产成本，减少了事故发生率。
图6 现场效果图Fig.6 Field effect diagram
陆成煤业通过引入电液比例方向阀作为核心元器件，结合PID 控制策略实现了对调高动作的闭环控制，相较于前期的手动、遥控的开环控制方式，跟踪响应能力与控制精度都得到改善。针对电液比例技术引入存在的摇臂下降抖动问题，通过增加单向方向阀与单向阻尼阀，可明显减少抖动幅值与抖动时长，通过观测，液压调高系统的调高误差控制在0.07 m 以内。现场应用表明，优化后的调高系统误差在0.07 m 以内，降低了维修工作量，节约了生产成本，减少了事故发生率。
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