掘进机截割部优化设计研究_杨文龙.pdf

掘进机截割部优化设计研究杨文龙（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西寿阳045400）摘要：通过对掘进机截割部运行状态的优化设计进行研究，依据掘进机截割部构造及运行原理，对截割臂执行油缸回路增设电磁比例多路阀，实现截割作业的节能优化效果。同时对截割头进行 PID 控制，实现掘进机截割作业过程中依据偏差信号自动调节。掘进机截割部的优化设计研究，对掘进机设备的智能化发展具有重要借鉴意义。关键词：掘进机截割部行程优化回转油缸传感器中图分类号：TD421.5文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0166-02引言井下掘进机应用于实际岩壁截割作业过程中，截割部组件大多存在质量较为集中且惯性大的运移趋势，从而出现能耗多而且截割偏差较大等情况。尤其是在长时间截割作业过程中，很难保证截割效果的稳定性。因此，通过设计液压油缸的多回路，增设电磁比例多路阀，降低截割部作业能耗，同时利用 PID 闭环控制技术对截割作业的精准度进行调节，确保掘进机的高效截割作业。1掘进机截割部构造掘进机截割部做为掘进机截割岩石最主要的机构，其结构组成主要包括截割钻头、截割臂、截割电机以及减速器四大部分，具体如图 1 所示。截割部运行过程中主要通过截割电机做为动力，经减速器进行速度调节带动截割钻头进行岩壁截割作业，同时依靠液压油缸带动截割臂调节截割钻头轨迹，确保精确截割巷道断面。截割作业中，截割钻头截割轨迹的精准度以及动力的可靠供应决定掘进效率的两大指标，截割钻头精确截割轨迹也是确保其安全稳定运行的前提。2截割钻头运行轨迹优化2.1截割钻头轨迹分析掘进机在进行巷道掘进作业时，截割钻头依靠截割电机为动力进行旋转，而截割路径则依靠液压油缸驱动截割臂进行调节。在无坚硬夹矸等阻碍时，截割钻头与截割臂保持重合并逆时针旋转进行巷道岩壁截割作业，截割臂沿水平方向运行，到达指定位置后截割钻头不动，截割臂竖向行进，到达指定高度后重复水平截割，依此进行 S 形巷道断面截割作业。在传统截割作业控制过程中，出现截割偏差后大多只能依靠人工发现并进行调节，而基于井下掘进巷道恶劣昏暗的工作环境，因此人工调节效果较差。而现有控制体系下，只能依据系统默认液压油缸运行状态进行截割作业，无法对偏差信号进行处理，因此无法做到截割作业的精确调控。为保证截割钻头截割轨迹的精确定位以及精确的截割效果，同时在截割作业过程中为保持截割钻头以及截割臂平稳运行，因此，对液压油缸压力进行测试以及截割钻头的智能 PID控制研究。2.2截割轨迹 PID控制由于实际掘进作业过程中复杂多变的环境以及截割作业时诸多不确定因素造成的影响，必须对截割头截割作业进行闭环反馈控制，以达到截割状态的自我调节感知效果。因此首先需要配置稳定的通信系统、数据采集系统即传感器、显示系统以及监测控制系统。其中 PID控制器作为数据处理机构，可以将接收到的数据进行分析处理，并直接对电磁阀开闭进行控制，进而对液压油缸的活塞行程进行调节，达到对截割臂执行元件进行控制的效果。截割轨迹的智能化调控关键在于实现对截割钻头的精准定位以及调节，传统意义上对液压回转以及升降油缸的控制是利用预设程序进行分别调控，确保截割钻头依据预定轨迹进行运移，而在获取到偏差信号之前，截割钻头的控制系统并不会自动机下达运移指令，会默认系统此前运行方式对液压油缸升降状态等调节。而利用 PID闭环反馈控制系统，可以实现依据传感器对偏差信号进行实时感知，并通过 PID 控制器进行分析处理，直接下达控制指令进行运行轨迹补偿。如下页图 2 所示1。可以看出，PID 控制系统中主要包括各类终端传感器、主从 PID 控制器、显示系统以及执行单元四部分组成。其中终端传感器主要是对截割钻头部以及截割臂的运移姿态进行数据采集，包括左回转油缸传感器、右回转油缸传感器、升降油缸传感器、伸缩油缸传收稿日期：2022-04-06作者简介：杨文龙（1992），男，山西怀仁人，本科，毕业于山西工程技术学院，机械助理工程师，从事机械设备维修与保养工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.0651截割钻头；2截割臂；3减速器；4截割电机图 1掘进机截割部构造1234优化改造2023 年第 2 期感器以及倾角传感器负责对截割臂的运移姿态进行数据监测2。旋转编码器负责对截割钻头的运行状态进行数据监测等。其中截割臂的数据经 PID主控制器进行数据处理，而截割钻头的数据经传感器采集传入PID从控制器进行处理。经处理后的数据会由控制器转换为电信号传输至电动机以及电磁阀进行液压油缸的转速调节或电机输出转矩转速调节，从而实现对截割部截割岩壁状态的调控效果，实现对偏差信号的自动补偿。3截割臂驱动优化3.1液压机构运行优化掘进机液压系统包括液压油缸、液压马达、操作台以及液压泵四部分，其中液压泵负责提供运行动力，依据实际情况进行液压供给。基于掘进机截割臂较大的体积，为提高液压供给效率，截割部运行过程通过布设 2 条液压管路进行同步供液。同时通过电液比例多路阀对截割部升降作业速度进行调控，其实质上是一种流量可调节的控制端口。电液比例多路阀仅在进行截割臂需进行特殊运移过程中启用，当电液比例多路阀阀芯处于中心部位时无需进行调节，让液压管路由中心位置进行卸压，与普通回路没有区别。这种多路阀调节作业与普通液压控制相比，增加了液压回路设计，可以实现截割部在升降作业过程中的精确控制，同时无杆腔内部的液压油可通过多路阀重新流入有杆腔，实现了液压油路路线简化，截割部运行效率得到大幅提升，起到了节能效果。3.2升降液压油缸压力测定截割臂在掘进机掘进作业时同样是截割部主要的执行结构，可以对截割钻头在巷道掘进作业中的截割位置进行确定，因此通过对截割臂液压升降油缸压力值的测定将影响到掘进机的掘进作业效果。本文通过布设压力传感器对升降油缸的压力数据进行采集，同时测定在不同供油条件下的变化特征，如图3所示3。分别测定液压油缸在有杆腔以及无杆腔压力变化情况。其中包括执行反应时长5s，调节时长15s，恢复时长5s。由图 3 可以看出，由于截割部在运行过程中体型较大，液压系统在执行过程中存在的一定的滞后效果，在有杆腔以及无杆腔范围内都存在着 5 s 的滞后时长。但与传统截割臂运行反应时长相比大大缩短，液压执行单元反应效果得到显著提升。同时在进行截割臂升降指令下达过程中，无杆腔的压力波动较大，而且执行时间也较快，能够在 18 s 左右完成截割臂升降作业。在执行截割臂运移过程中有杆腔以及无杆腔的压力波动均较为稳定，没有较大的压力损失，有杆腔体的压力基本保持在 2327 MPa，而无杆腔的压力基本保持在 0.10.5 MPa4。因此，通过对比截割臂升降液压油缸中的压力变化可以看出，优化液压回路，增设电磁比例多路阀后截割臂在进行运移状态调节过程中所需的反应时间更短，仅需 5 s 即可实现压力变化驱动截割臂进行运行状态改变，且整体的调节时间仅需 13 s 即可完成，调节效率较高。同时液压油缸运行过程中的波动性较小，截割臂截割作业时较为平缓，不会对截割钻头以及截割部设备产生较大冲击，设备使用寿命得到显著提高。可以看出优化设计后的液压系统基本能够满足截割部运移需求。4结语掘进机作为煤矿井下常用掘进设备，其智能化控制设计一直以来是矿井机械设备控制的难点所在，本文通过对截割部进行液压回路控制以及截割钻头PID 控制设计，使得截割作业的液压能耗大幅降低，截割路径也得到了精确控制。通过对掘进机截割部进行优化设计研究，大幅提高了掘进机掘进作业的效率，也为煤矿高效生产开采提供了有图 2PID 控制系统结构组成3-1有杆腔压力3-2无杆腔压力图 3截割臂升降液压油缸压力变化升降转油缸传感器左回转油缸传感器伸缩油缸传感器右回特油缸传感器显示系统PID主控器模拟量开关量CAN总线CAN控制器局域网络倾角传感器旋转编码器PID从控器电磁阀电动机30282624222018161015202505压力/MPa时间/s1.00.80.60.40.21015202505时间/s压力/MPa（下转第 170 页）杨文龙：掘进机截割部优化设计研究167机械管理开发第 38 卷展理念进行开采工艺的选取设计。4结语综合机械化开采工艺的选择要根据现场实际条件以及设计需求进行合理选用，开采工艺的优化设计也要避免对煤矿生产效率以及煤矿安全生产造成影响，未来煤矿开采工艺的选取向综合化智能化方向发展，将极大提升煤炭资源的开采效益，使采煤工艺的价值达到最优化，实现煤炭企业高产高效发展目标。参考文献1郝维栋.采煤工艺的选择及优化分析J.能源与节能，2021（7）：167-168.2马永永.综采工作面智能化采煤技术J.矿业装备，2021（5）：196-197.3原权全.浅谈煤矿采煤技术的发展与采煤自动化技术J.矿业装备，2021（5）：74-75.4关汉杰.厚煤层综放工作面沿空留巷技术研究J.2021（12）：11-13.（编辑：高伟）Study on the Selection and Optimization of Integrated Mechanized Mining ProcessLi Zelong（Xishan Coal and Electricity Tunlan Mine,Gujiao Shanxi 030206）Abstract:By analyzing the modern mechanized mining process and studying the optimization treatment measures of the mining system,thenew mining process such as comprehensive use of coal mining equipment,treatment of alleyways along empty digging lanes along emptystay lanes,and paste filling treatment in empty areas is proposed,which provides concrete and effective development ideas for themodernization of coal mining enterprises.Key words:coal mining process;along-air dredging;paste filling process;mining process力保障。参考文献1田劼，王红尧，吴淼.掘进自动截割成形控制系统动态特性分析J.工矿自动化，2015（8）：44-48.2杨用增，安林超.巷道掘进机截割头转速优化分析J.煤矿机械，2019（7）：91-93.3连佳亮.掘进机截割部运动行程的优化探究J.能源与节能，2020（3）：197-198.4刘云朋，霍晓丽.基于蚁群算法的掘进机截割头运动轨迹优化J.煤矿机械，2021（9）：128-130.（编辑：王慧芳）Study on Optimization Design of Cutting Section of RoadheaderYang Wenlong（Yang Coal Group Shouyang Kaiyuan Mining Company Limited,Shouyang Shanxi 045400）Abstract:Through the study on the optimized design of cutting section operation of roadheader,based on the structure and operationprinciple of cutting section of roadheader,the electromagneti