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第 4 2卷 第 5期 2 0 1 6年 5月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 . 4 2 No . 5 M a y 2 01 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 O 5 0 0 1 1 0 3 DO I 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 6 . 0 5 . 0 0 3 毛继伟. 掘进机温度 自动控制系统设计 [ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 6 , 4 2 5 1 1 1 3 . 掘进机温度自动控制系统设计 毛 继 伟 中煤科工集团太原研究院有限公司 ,山西 太原0 3 0 0 O 6 摘 要 针 对传 统掘 进机 外接 冷却 水 的冷 却方 式应 用 受限的 问题 , 提 出一种掘 进机 温度 自动控制 系统设计 方案 。该系统采用风冷却器作为强制散热单元, 采用 P L C作为控制单元 , 通过温度信号采集及处理、 P I D控 制等, 使掘进机截割电动机和液压 系统温度保持在允许范围内。井下工业性试验结果表明, 在掘进机没有外 接冷却水的情况下 , 该系统有助于掘进机 长时间稳定运行 。 关键 词 掘进 机 ;温度控 制 ;截割 电动机 ; 液 压 系统 ;风 冷却 器 中图分类号 T D6 3 2 . 2 文献标志码 A 网络 出版时间 2 0 1 6 0 4 2 9 1 1 1 4 网络 出版地 址 h t t p / / www. c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . TP . 2 0 1 6 0 4 2 9 . 1 1 1 4 . 0 0 3 . h t m1 收稿 日期 2 0 1 5 1 I - 0 2 ; 修 回日期 2 0 1 6 0 3 1 6 ; 责任编辑 李明 。 基金项 目 国家高技术研 究发展计 划 8 6 3计划 资助项 目 2 0 1 2 AA0 6 A4 0 5 。 作者简介 毛继伟 1 9 8 1 一 , 男 , 河南叶县人, 副研究员 , 硕士 , 现主要从事掘进机等煤矿装备的研发工作 , E - ma i l m j w o k 1 2 3 1 6 3 . c o m。 表 1 胶 轮车判定逻辑 序号判定结论顺 序 T T2 序号判定结论顺序T T 2 1 0 0 1 0 0 篆 扰 z 。 e 集 革 扰 z 。 3 0 0 3 0 0 1 0 0 1 O O 小体量 2 O 1 小体量 2 1 0 物体干扰 3 1 O 物体干扰 3 O 1 4 O O 4 0 0 车 辆 驶 入 1 0 0 车 辆 驶 出 1 0 0 3 曼 坚 妻 2 1 o s 景 旱 喜 z 。 用 下 方 行 车道 3 1 1 车道 3 1 1 l 0 O 1 O 0 车 辆 驶 入 2 1 0 车 辆 驶 出 2 0 1 区 间 时 又 一 9 区 间 时 又 R 1 1 倒 退 驶 出3 倒 退 驶 入 。 区间4 1 0 区间4 0 1 5 0 0 5 0 0 1 O O 1 0 O 2 1 0 2 O 1 车 辆 驶 入 。 。 s 区间 4 O 1 4 1 0 5 O O 5 O 0 系统控制逻辑按照设定的控制区域特点进行分 析 , 单向区间只分析车辆数量 , 双向区间分析车辆数 量 和方 向并进 行 敌对 闭锁 , 丁字形 、 十字形 交叉 路 口 形成的多向区间分析车辆 的数量和方 向、 各个方 向 的信号灯互为敌对 。为便于 系统维护, 将传感器通 信状态及车辆调度控制分站主传输状态纳入控制逻 辑判断 中, 通过信号灯不同的图案显示不同的故障 类 型 。 4结 语 基于物理检测方式 的胶轮车运输监控系统已在 郭家湾煤矿应用 。实践表 明, 该 系统可通过物理检 测方式有效识别胶轮车位置 , 为矿井胶轮车辅助运 输提供可靠的避车信号。与传统基于射频方式的胶 轮车运输监控系统相 比, 该 系统减少 了大量线缆 的 应用, 安装及维护更加方便 。 参考 文献 [ 1 ] 赵 立厂. 矿井胶轮车运 输信 号系统 的分 布式架 构设计 [ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 2 , 3 8 9 1 0 1 1 0 3 . 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[ 4 ] 万 纯. 基于矿用 型机车位 置传感 器 的设 计与 实现 [ J ] . 电 子世 界 , 2 0 1 4 1 4 2 3 3 . 1 2 工矿 自动 化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 De s i g n o f a u t o ma t i c t e mp e r a t ur e c o n t r o l s y s t e m f o r r o a d he a d e r M AO J i we i CC TEG Ta i y u a n Re s e a r c h I n s t i t u t e ,Ta i y u a n 0 3 0 0 0 6 ,Ch i n a Ab s t r a c t F o r l i mi t e d a p p l i c a t i o n p r o b l e m o f t r a d i t i o n a l r o a d h e a d e r c o o l i n g me t h o d s b y e x t e r n a l c o o l i n g wa t e r ,a de s i g n s c h e me o f a u t o m a t i c t e mpe r a t ur e c o nt r o l s y s t e m f o r r o a d he a de r wa s pr o po s e d.The s ys t e m us e s a i r c o ol e r a s a m a nda t o r y c o ol i n g u ni t a nd PLC a s a c on t r ol u ni t, a nd c a n m a ke t e mpe r a t ur e s o f r o a d h e a d e r c u t t i n g mo t o r a n d h y d r a u l i c s y s t e m wi t h i n a l l o wa b l e r a n g e t h r o u g h t e mp e r a t u r e s i g n a l a c q ui s i t i o n a n d pr oc e s s i ng a nd PI D c o nt r o 1 .Un de r g r ou nd i nd us t r i a l t e s t r e s ul t s ho ws t ha t t he s y s t e m he l ps r o a dhe a d e r r u n l ong a nd s t a bl y wi t h ou t e x t e r n a l c o o l i ng wa t e r . Ke y wo r ds r o a dhe a d e r ;t e mpe r a t u r e c o nt r o l ;c ut t i ng mo t o r;hy dr a u l i c s y s t e m ;a i r c o o l e r 0 引言 中国采矿业的高速发展对部分断面掘进机的作 业能力提出了更高要求。掘进机工作能力 的提高必 然 要求 掘进 机整 机 功 率 不 断增 加 , 进 而 导 致 能 耗增 加 , 发热 现 象严 重 。 目前 主 流 的 掘进 机 普 遍 采 用 喷 雾水冷却的方法降温 , 即利用巷道 中的供水为掘进 机冷却 , 然后通过喷雾降尘装置将水喷洒在巷道里 , 达到一定的降尘效果 。随着掘进机使用范围的不断 扩大 , 在新建的矿山巷道或公路、 铁路隧道往往没有 供水 系统 , 且这 些巷 道大 多 为全岩 巷道 , 掘进 机工 作 负载大 , 发热量更大 , 往往掘进机工作时间不长 , 其 液压系统和截割电动机就超出了额定工作温度 , 只 能采取停机冷却措施 , 极 大降低 了工作效率 和工程 进度。本文通过研究掘进机液压系统和截割电动机 的发热情况 , 设计了一套基于 P L C的掘进机温度 自 动控制系统 , 以解决掘进机在没有外接冷却水情况 下 无法 长 时间工 作 的问题 。 1 相 关计 算及 元部 件选 型 掘进机温度 自动控制系统的冷却部分采用风冷 却器作为强制散热单元 。 1 . 1 掘进 机发 热功 率计 算 掘进机的发热功率取决于截割电动机和液压系 统的装机功率及运行效率, 其表达式为 P 一 1 一 叩 1 P1 1 一 叩 2 P2 1 式中 刀 为截割电动机效率 ; P 为截割 电动机功率 , k W; 为液压系统效率 ; P 为液压系统输入功率 , kW 。 掘进机 截 割 电 动机 功 率 为 3 0 0 k W, 效率 为 9 5 ; 液压系统输入功率为 1 5 0 k W, 效率动态变化 , 根据同型号掘进机在多个巷道 的工作情况统计研 究 , 液压系统的平均效率为 6 2 。由此得掘进机需 要强制冷却的发热功率为 7 2 k W, 其 中截割 电动机 发热 功 率 为 1 5 k W , 液 压 系 统 发 热 功 率 为 5 7 k W 。 需要 指 出的是 , 液 压 系统 的油 箱 具 有一 定 的 自然 散 热能力 , 但其散热能力较小 , 对系统影响较小 , 因此 不予 考 虑口 ] 。 1 . 2风 冷却 器散 热 面积计 算与 选型 风 冷却器 的散热 面积 为 A 一 盖 式 中 P 为风冷却器散热功率 , k w; K 为风冷却器 的表面 传热 系数 , W/ m。 K ; A T m为 液 压 系 统工 作 时 , 液压 系统油 箱 与周 围空气 允许 的温 度差 , K。 咨询相关制造企业后 , 确定风冷却器的传热系 数为 5 5 w/ m K , 计算出风冷却器所需散热面 积为 2 3 . 0 3 m 。按照相关手册 , 实际选用 的风冷却 器散热面积比计算结果需增加 2 0 9 / 6 ~3 O , 因此确 定风冷却器的散热面积为 3 0 m 。由于掘进机安装 尺寸的限制, 选用 2台 F L 一 1 5型风冷却器 。 1 . 3 截割电动机所需的最小冷却液流量计算 将截 割 电动机 保持 在合 理温度 时所 需 的最小 冷 却 液流量 为 Q 一 P w 3 L mu 式中 P 为截割电动机发热功率, k W; p为冷却液的 质量密度, k g / ms ; C m为冷却液的比热容, J / k g K ; △ T为冷却液通过截割 电动机后允许 的温升 , K, 本 文取 3 0 3 . 1 5 K, 即 3 0℃ 。 经式 3 计 算 得 所 需 的最 小 冷 却 液 流量 为 7 . 2 L / rai n 。只要冷却 液的流量不低 于该 值 , 即可 确保截割 电动机 温度在允许 范围内。根据相关 经 验 、 规定和泵的规格 , 确定泵 的排量 为 1 0 mL / r , 驱 动电动机的功率为 1 . 5 k W 。冷却截割电动机后 的 2 0 1 6年 第 5期 毛继伟 掘 进机 温度 自动 控制 系统设计 1 3 冷却液需经过风冷却器进行冷却 。采用 1 . 2节所述 方 法计 算 所 需 风冷 却 器 的面 积 , 计 算 结 果 小 于 2 3 . 0 3 m 。 为了简化准备过程 , 截割电动机冷却 回路 中同样采用 F L 一 1 5型风冷却器。 2系统设 计 2 . 1循 环 冷 却 部 分 掘进机温度 自动控制系统的循环冷却部分包括 截割电动机冷却 回路和液压系统温度控制 回路 , 如 图 1 所示 。截割电动机冷却 回路采用 1台电动机驱 动 1台冷却液泵作为动力源 , 泵 出的冷却液直接冷 却截割电动机 , 经大功率风冷却器将热量散发出去 , 然后冷却液回到水箱 , 形成循环 冷却 系统 。液压系 统的液压油在 回油 时直 接经过大功率风 冷却器散 热 , 将液压系统温度保持在合理范围内。 截割 巨 一 . 。 水箱 冷却器 令 { 冈 冷 却器 过 滤 器 液 压 系 统 回 液 a 截 割 电 动 机 冷 却 回 路 b 液 压 系 统 温 度 控 制 回 路 图 1 掘 进机温度 自动控制系统 的循环冷却部分结构 2 . 2 温度 自动控 制 系统 掘 进机 温度 自动 控制 系统 组成 如 图 2所示 。该 系统针对液压系统温度控制回路和截割电动机冷却 回路 , 通过温度信号采集及处理 、 P I D控制 、 温度实 时显示等处理 , 对液压系统油箱 内的液压油温度 、 截 割 电动机绕组温度、 水箱 内冷却 液温度进行实时监 控 , 将掘进机整机温度控制在合理范围内[ 4 ] 。 图 2 掘进机温度 自动控制系统组成 系统采用 S 7 3 0 0 P L C。其具有强大的计算能 力, 输入、 输出模块数量多, 具有较强的扩展能力 , 为 系统 的升级改造 留下 了一定空间。掘进机启动后 , P L C建立与各温度传感器 的通信, 将采集到的温度 信号与其设定的温度值进行 比较 , 并将采集数据显 示在操作台显示器上 。当采集数据高于设定值时 , P L C将进行 P I D控制参数 的智能化 自动整定 , 启动 风冷却器和冷却液泵运行 , 保证液压系统和截割电 动机在允许 的温度范 围运行 ; 当采集数据超过液压 系统或截割电动机 的允许 温度 时, 系统在显示器上 提示停机冷却 , 提醒工作人员进行故 障排查。 系统软件主要功能包括传感器数据处 理与分 析、 各执行元件控制 、 温度显示 、 超温报警及消警、 数 据记录、 数据上传 等。软件 主要包 括基于 S 7 3 0 0 P L C的主 程序 和 显示 器 显示 程 序 。主 程序 采 用 P L C专用语言编写[ 5 ] , 显示程序采用满足 Wi n d o ws 运行环境的 VB进行编写 。局域网内的数据上传采 用 T C P / I P协议 j 。 3 结语 掘进 机温 度 自动控 制系 统 已安 装 在 E B Z 3 0 0型 掘进机上进行 了 3个月 的井下工业性试验 , 期 间掘 进机在没有其他外接冷却水的情况能够长时间稳定 工作 , 液压系统温度保持在 6 O ~6 5℃, 截割 电动机 温度保持在 8 0 8 5℃ 。 接下来尝试将该系统与掘进机机载湿式除尘系 统相结合 , 开发掘进机温度控制 、 湿式除尘为一体的 自动化控 制 系统 。 参考 文献 F I ] 成大先. 机 械设 计手 册 [ M] . 北 京 化 学工 业 出版 社 , 2 0 03. 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