采煤机液压自动调高系统的研究.pdf

l 9 9 4 年 1 月 第 1 7 卷第 l 斯 重废大学学报 J O U R N A L O F CH O N G O l N G U N l V ER ST TY V O1 ．1 7． № ． Ja n．1 0g4 谚 一 采煤机 液压 自动 调 高系统的研究’ St ud y O i l Hydr au Hc Aut o m at i c Ra ng i n g Cu t t i n g Hei ght o f She a r e r 雷 玉 勇 阴 正 锡 钱骅 L e i Yu yo n g Yi n Z h e n g x i Qi a n Hu a 重庆 大学资源及环境工 程学院 ， 重 庆 ， 6 3 0 0 4 4 A 摘要提出7一种新的滚筒采煤机摇臂高度的自 动调整方法。 其原理是用采煤机滚 筒在 截 割纯煤 层和顶板 岩石 时的切割力 作用 于调 高油缸 而引起 的压力 变化 来识别煤 、 岩舟 界、 并据此控 制相应 的液压伺服系统 达到 自动调 整采煤 机滚筒高度 的目的。 文 中建立 了 自动调 高系统的数学模型 ， 并在此基础上 进行 了实验研 究。 关键词采煤机；自动调高； 液压控制 ’- _ I _一一 中国图书资料分笺法分类号 T D,1 2 1 ． 6 AB S TRAC T A n e w me t h od h a s b e c n p u t f o r wa r d t o a u t o ma t i c a l I y a d j u s t h e h t o f d r u m t y p e s he ar e r ． The p r i n c i p l e o f t hi s m e t h o d i s t ha t t h e b o un d ar y of c oa l a n d r o c k is r e c o g n i z e d w i t h th e p r e s s u r e c h a n g e s r l t i n g f r o m t h e h e i g h t a d j u stme n t of t h e o i l c y l i n d e r e x e r t e d b y t h e c u t t i n g f c ea wh i l e t h e s h ea r e r d r umi s c ut t i n g t h e p ur e c o al s e am a nd th e r oc k． W i t h t h e h e l p oft h i s． th e o or r e s p o n fl e n t h y d r a u l i c s e r v i n g s y s t e m c a n b e c o n t r o l l e d to a d j u s t the h e i g h t of s h ear e r d r u m a u t o ma ti ca l l y I n t his p a p e r， a math e mat i ca l m od e l i s e s t a b l i s h ed a n d e xp e r i m e n t s a n d r e s e a r c h e s h av e b o e n a l s o c ar r i ed o ut ． KEY“ W ORD S s hea r e r ， a ut o m a t i c r an g i n g，h yd r a u l i c c on t r o l l i n g 0 引 言 由于煤 田地 质构造 不规则 ， 在一个采区 内煤 层厚度 和倾角常有起 伏变 化 ， 这 就要求采煤 机在工 作 中要 随着煤 层厚度变化不断调 整其 采高 如 图1 ，目前 ， 国 内外滚筒 采煤 机大多 采 用手动操 纵 、 液压缸驱 动的摇 臂调高方 式 。 人工调高不 仅不能 准确控制采高 因没有 一个 确 定的标示 煤层厚度 的参照物 ． 而且工人的劳 动强度 大 ， 工 作条件非 常恶 劣和危脸 。 因此 ， 国 外煤炭行业 ， 特别是英国煤炭公司 巳进行了大量关 于采煤 机 自动调高的研 究。 采煤 机 自动调高 系统的社会效益和经济 效益都是非 常显著 的。 它的开发 应用 具有 良好 的前景 。 自动调高系统与 微机监控系统联接 ， 还 能实现井下采煤 自动化 ， 进行遥控采煤 。 收文 日期I 9 9 2 1 I - 3 第 1 7 卷 第1 翱 雷 玉 雾等 采媒 机瘫压 自动 调高 东 境的研 竞 圈【 采煤 机 壤筒 位置调 整 采煤机 自动 调高 的关键 问题在 于煤 岩分界的识 别技术 及传感装置 。 目前 国外 已有的煤 岩 分界识别技术可 归结 为两类 一是利用 Y射 线探 测顶煤厚度 ， 二是用探测截齿 力的方法 问 接识 别煤岩分界 。 目前 ， 国外 已有各 种 采煤 机 自动调 高 系统 问世 ， 并投 入实用 。 然而我 国有关这 方面 的研 究才刚开始 。 本文基 于 目前国内外 滚筒采煤机 大都 采用液压缸驱动的摇臂调高 这～事实 ， 讨 论用 油缸 的压 力变化来 间接识 别煤 、 岩分 界 ， 通过相应的液压伺眼控制 系统来实 现采煤机 滚 筒位置 自动 调整 的可行性 f 1 2 A ,- 。 ● 圈 2 采煤 机液 压 自动调 高 系境原理 1 ． 滚筒2 ． 调 高 油缸3 ． 滑阀1 ． 压力 比较弹 簧5 ． 背 压闷 6 ． 油 幕7 ． 安 全阀8 、 双 向液 压锁9 ． 二 位 四通 阀 1 0 、 反馈 凸轮 1 采煤滚筒位置 自动调整系统原理 如 图 2所 示 。 设摇臂位置处于 时 ， 采煤机滚筒 正好 贴着煤 层顶板 进行纯煤 截割 。 此时 滑 阀 3阀芯上的液压 力与 比较 弹簧 力平衡 ， 闷芯在对中弹簧作用下处于中位 。 调高油缸被锁 定 ． 摇臂 固定于位 置 ． 采煤机沿工作 面截煤过 程 中， 若遇顶 底 板 起伏变化 ， 滚筒截 入顶板 岩石 △ 时 ， 由于 重废学学报 9 9 4 芷 截割阻 力增 大 ， 滚筒载 荷 ， 亦即油缸 负戴增大 ， 油缸 的 压力随之增高 。 此时 ， 作用于 滑阀 3阀 芯上的 液压 力大于 比较 弹簧 力， 阀芯右 移 ， 恒压 源供油经滑 阀 3进入缸 内， 油缸 向上运 动并 驱 动摇臂旋转 ， 使滚筒高度降低。 摇臂的角位移 △ 通过凸轮机构 l 0反馈到比较弹簧 上 。 当滚筒高度 降低 厶 时 ， 阀芯上的液压 力又与 比较 弹簧 力平衡 ， 阀芯 在对 中弹簧 作用下 回 中 位 ． 调 高油缸重 瓿锁 定 ， 摇 臂固定于新位 置 这样 ， 采煤 机便完成一次 自动调高过 程 。 反 之亦然 。 液压 自动调高系统使采煤机始终贴着煤层顶 底 板割煤 ， 从而实现采煤机自动适 应煤 层厚度 的变化 该 系统亦可手 动控制调高 操纵二位 四通 阀 9 ， 断开控制 油路 ， 再手 动三位 四通滑 阀 3 ， 便可 实 现滚筒的 升降 。 为了改善系统的动态性能 ， 在滑 阀 3上设 置 了一 液阻 参 见图 3 ， 以增 加系数 阻尼 。 系统 中双 向液压锁 8是 为了提高调高油缸锁紧精 度而设置 的。 背压 阀 5是 为了提高调高过 程平稳 性 而设置的 。 由于煤 层中常常有不 规则夹矸存在 ， 所 以， 采 煤机 在截 割纯 煤时 ， 滚筒载荷也会有 较大 波动。 为 了排 除圆 滚筒截 割到 夹矸而调整 采高的 误 动作 ， 同时 ， 为了保 证采煤 机工 作 中滚筒位置 的相 对稳 定性 ， 控 制系统必须具一定的抗扰动能力 ， 井且 响 图 3 精阀一 泊缸放大器 应速度 不能太’ 陕。 为此 ， 将 滑阀 3设 计成 负开 口 正重叠 四边 滑阀 。 利用 负开 口滑 阀的死 区 特性提 高 采统的 抗扰动能 力。 2 液压 自动调高系统的数学模型 2 ． 1 调 高油缸 负载的数学模型 采煤 机工作 时 ， 滚 筒上的载 荷包 括牵 引阻 力 ． 垂 直反 力 ， 截 煤阻 力矩 ； 及侧 同 力 ． 由于 Ⅳ 和 与调高油缸的 负载无关 ． 故这 里仅讨 论 和 的数学模型 。 当采煤机以速度 牵 引． 滚筒 以转速 旋转割煤 时， 作用于滚 筒的 力 F 和 为一 周期变 ’ 化的 力。 根 据付里升级数理 论 ． 任何周期性信号可展开为若干简谐信号的叠加。 即有 P 0 s i n 2 ， 1 一 l 1 三 I F ， o n s i n 2 砌 杠 J ● i 式 中 ， o 分 别为 F 和 的稳定分量 ； ， 0 、 一 一分 别为基波 频率 和第 “次谐波频率 ； 似、 分别为 和 第 次谐波初 相位 。 若滚 筒在截 煤的同时截割到少量顶板岩石 ， 和截煤相似 ． 截齿截割岩石的受 力正 比于其 截割厚度 。 忽略 困截 割顶板 岩石而 引起 的载荷波 动分 量 ， 则 和 F 可表示 为 第 1 7 卷苇 1 期 雷玉 勇等 采 攫机 液压 自动调 高系 统的研 究 5 5 一 d ． △ ∑ s i n 2 f o t 1 一 l 2 一 ， K， 。 △打 F ．s in 2 n ， 0 以 J 式中 K ， 截割顶岩 的横 向和纵向阻 力系数 ； △ 打 截 割岩石厚度 。 调高油旺的负载压 力 P 表示 为 [ 0 G c o s 一 F , 0 s i m p D ] ， c o s p o K s i ． △ 去{ [ 蚤 ．s in 2 f 礼 ] ‘ c 唧0 [ 蚤 2 嘶H ] s in 3 式 中 ； 、 分别 为摇 臂长度 和摇臂 回转 中心至调高缸轴 L - 距离 ； 6 一滚 筒及摇臂折算到滚筒 中心的重量 ； 调高油缸 活塞的有效 面积 ； 摇臂相对于机 身的倾角 。 我 把调高油缸 压 力的稳态分量 作为液压控制 系统的被控 量 ， 而将其 波动分量作 为 系 统的扰 输入 。 则式 3 可写为 p [ 0 一 G j c o s 一 0 s i n p 0 ] K ， c ∞ 一 K s i n o 0 J △打} d 2 ． 2 阀 阀芯运动方程 参L 图 2 ． 1 ． 由牛顿第二定律有 M ．％ B ， R ， k b x p z, A ． ～ K bX 。 5 式中 阀芯及阀腔 内液体总质量 ；X 阀芯 位移 ； B 阀芯与 阀套 间的总粘性摩擦系数 ； 瞬态液 动 力产生的阻 尼系数 R 一 一阻 尼小孔的液阻 ； 、 ， 分 别为阀芯端面积和阀苍活塞端面积 滑问对 中弹簧刚度 i 稳态液动力刚度 ； k b 比较 弹簧刚度 ； 凸轮反 馈位 移。 t 式 5 讨论如下 若摇臂在位置 时 ， 滚筒是贴 着煤层顶板 进行纯煤 截割 的 ， 此 时滑 阀阀芯处于中位 ， 亦 △ 一。 1 6 x 一 0 J 将 6 代入 5 整理得 X 。 一 k s C p 0 t l, U 7 “ ； 而 ； 式7 即为 凸轮轮廓 曲线 方程 。 2 若采煤机在摇 臂位置 时 ， 同时截 割煤 层和少量 顶板岩 石 ， 则阀芯将运动 。 将 7 代 5 ， 并在 处线性化处理 ， 整理得 Ⅳ 案 X 一 s in ‰ c o s 。 n 。 △ 8 中 一 B ， ； 4 - h 5 6 重废大学学报 2 ． 3滑 阀 油缸液压放大 器数学模型 如图 2 所示 。 滑阀输入位移 X ， 输 出为流经阀 口的流量 吼 性化方 程 由下式 给出 ； Q L X 一 Ke 式 中 K 流量增益 ， K 口 一 K 压 力增益 ， K 一 一 四边滑阀的流 量 压力线 9 P 油缸 负载压 力 ， 一 一 z 流经滑 阀的油液进 入调高 油缸 ， 推动缸体运动 。 由连续性方程有 ； 。L A ， 1 o 式 中 △ 油缸位移 G， 油缸 内、 外 总漏损 系数 胁 油液的体积 弹性模数 ； r一一 油缸进 、 回油腔 容积之和 。 根据牛顿第二定律 ， 调高油缸的 运动微分方 程有 A ，一 一 - F 1 1 式 中 油缸粘性阻 尼 系数 凡 调高油缸负载 { m 油缸及相关运 动部件总质 量。 摇臂和滚筒 的运动微分方 程为 凡 z l一 L o G K △ H c o s q △ 一 以。 K ’A H s I n T A V e 一 d d t 2 1 2 式 中 ． ， 摇臂部件的转 动惯 量 在 卿 处对式 1 2 线性化处理 ， 整理得 F l f { [ 0 G c o s 9 0一 o s i m p 0 ] 一[ o s i H 口 C O S 早 I o ]． △ 一 l K 。 ．AH ． ，． d 2 鬲 A q , 1 3 式 中 0 K。 c o s g 0 一 K, s i m p o 由图 l中几何关系知 △ 一 “ t g 即 △ 一 l t g y 0 1 4 和 △ f． s i n ,／ 0一 f s i n 讪 △ 1 5 当 △ 很小时， 式 、 1 5 可 写成 ； △ △ cp 1 6 △ 一 f c o s c p △ 1 7 式 中 △ 一一采煤机滚筒高度调 节量 式8 ～ 1 7 确定了采煤 机液压 自动调高 系统 的运动微分方程 ， 求解该方程组即 1 可得 第1 7 卷第 1 期 雷玉 髯等 采 糙机 戚压 自计调 高 系统 的研 竞 5 7 到系统的动态性能 。 2 ． ‘ 液压 自动调高 系统 的传递函 数 为避免解高 阶微分方 程的 麻烦 ， 可先对系统的运 动微分方程式进行 拉氏变换 ， 求 出系统 的传递 函数 ， 然 后用频率 响应法来分 析系统的稳定性 和动态特性 ， 为进一步的 系统设计 和校 正提供理论 基础 。 图 { 液 压 自动调 高 系统方 块 图 分 别对式 8 ～ 儿 、 1 3 、 1 6 和 1 7 进行 拉 氏变换 ， 画出相 应的方块 图 ， 合并各环 节方块图即得液压 自动 调高 系统 的方块图 ， 如图 4 所示 。 用等效变换法 则简化图 d ， 求得系统 传 递 函数 为 、一垒 一 里 璺 f l 8 一 五而 一 干 0 式 中各项 系数 见附录 。 3 ． 1 实验系统及实验原理 图 5 实验 系统 图 I ． 电机 2 ． 油 泵 3 安 全阀 4 ． 过 滤器 5液 动滑 阀 图 6 试 验抽 缸 的位 移曲线 6 二 位 三通 阀 7 试验 油缸 8 ． 位 移传感 器 9 - 压力 表 x 。 输 入位 移x 。 输 出位 移 0 ． 压力 传感 器 I 1 电磁换 向阀 I 2 ． 节 流 阀 l 3 ． 加 载油缸 根据采 煤机液 压 自动调 高的 原理 ． 同时考虑 到简化 实验系统 的要求 设计 实验 系统如 图 5所 示 。 实 验系统主要 由两部分组 成 ． 即试验系统和 加载 系统 。 试验油缸 7用来模 拟采煤机调高 5 8 重废大学学报 9 9 4 皇 油缸 ， 加载油缸 1 3和弹簧 1 则用来模拟调高 油缸 的负载 对于给定 负载 ， 试验 油缸 7的压 力 与液动滑阀 5的调定压 力相等时 ， 滑 阀阀芯处于 中 位 ， 试 验油缸被锁紧 ， 此时 ， 试验 油缸无位移输 出 当加载油缸 1 3输 出位移 x 时 ， 试验 油缸 负载增大 减小 。 其负载压 力大 于 小于 滑 阀 5的调定压 力， 滑 阀 5动作 。 试验 油缸输 出位 移 z 理论上试验油缸的输 出位移应等于加载油缸的输 出位 移 亦 即 l l j x 1 3 ． 2实 验 结 果 及 分析 在阶跃输入和斜坡输入信号作用下 ， 试验油缸 的位 移实验 曲线如图 6所示 从实验记录曲线可以看出。 试验系统对阶跃和斜坡输入信号有 良好的跟踪性能， 试验 油缸压 力可 保持 定值 。 实验证 明， 采煤机液压 自动调高 系统对 于顶板的缓慢变化 或突变均 有 良好适应能 力 采煤机液压 自动调高 系统的原理 是可行的 4 结 论 卒 文 提 出 』攘 简 果 媒 机 媛 压 目动 调 商 新 方 法 。 理 论 和 实 验 研 究 表 明 ， 用 呆 媒 机 调 高 油 缸 的压 力变化来 问接识 别煤 岩分 界是 可靠的 采煤机液压 自动调高 系统的原理 和方法是可 行 的 。 液压 自动控制 系统的设计和校正还 有待 进一步研究 。 [ 附录] 文 中部分 系数项的含义 。 c o s ； 一 ； 一 ＆ m， ； 如 一 e B e‘ * ； B 4一 Ke‘ *一 K ； l ‘ ； m -， 】 ⋯ ； 媸 一 n K B e 一 ， “ {m c 一 j 一 B e m ．K J ； 一 P Ⅲ 。 一 ‘ 一 { 焘 ‘ ￡ ， ； 6一 f I A ， c o s 0 一 一 K ‘ 。 F C 一 ； F ∞ 一 G s j n 0 c o s q G c o s q 0 s i n p 0 ． 参考文献 1 雷 玉 剪． 国 外采煤 机 自动调高 系统 ． 煤 矿机 电 ， l 蚰0 ， ‘ 6 3 8 一 2 2 P ． E ． 索 伊 尔著． 高毓 麟译． 采煤 机的采高 位置 传感 和控制 ． 煤 炭科学 技术 ． I 9 8 9 5 l 7 ～ 2 l 3 pe ar y J T Au t oma te s t e e r i n g i n t s o． i l l Yor k s h i r e ar e a ． Co L l i e r y Gu ar d i a n．I 987， 8 P t e r Re ma ． U s i n g 时 f o t c e u∞ 吼e e s h e a r e r s c o u l d b r i n g A Ⅵ 协 s t e e i n g o t h e U． S ．c 。 a l a g e ．A u 曲 呲- l 9 9 7 { 8 5 Ka y S M ．A u t o mat L c c on t r o l an d mon i t or i ng o f s h e a r s ． Co l L i e r y G u a r di a n， Fe b ．-l g88 6王春 行 液 压伺 服控制 系统． 北京 机械工 业 出版 社 ， l l l 3 ～ 1 l 5 7 刘长年 ． 液压伺 服 系统 的分析 与设计 ． 北京 科学 出版杜 ． 1 9 8 5 2 2 5 4