闫文慧

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿， 山西 吕梁 033602）

引言

随着科技的不断发展，世界各国对于能源的消耗也不断增加，而煤炭作为战略性储备资源，在世界上广受关注。我国是煤炭资源储量大国，对于煤炭开采颇为重视。采煤机是煤炭开采的核心设备之一，对于煤炭开采业的发展、企业的转型升级起着关键性作用[1-5]。本文对传统采煤机自动调高液压系统进行问题分析，针对具体问题给出相应的解决方案，并对其进行结构原理分析和控制优化，以达到提高使用效率、优化控制性能、节省资源的目的，推动综采自动化发展，带动企业发展。

1 采煤机自动调高液压系统结构原理

采煤机自动调高液压系统由四部分组成，包括机械系统、检测系统、电气控制系统和液压控制系统。液压控制系统主要由电动机、泵、阀门组成，电气系统由D/A、A/D、PID 控制器和功率放大器组成，机械系统由摆臂、油缸、滚筒等组成，如图1 所示。

图1 采煤机自动调高液压系统结构

当采煤机进入工作状态后，由控制器接收外部发出的调整指令，由D/A 放大所接收的数字调整指令传输至电液比例阀上的电磁铁，控制阀芯根据指令进行位移。此时，高压乳液由液压泵注入阀芯，阀芯通过移动形成液压管路，并使乳液进入液压缸腔体内，从而控制油缸杆伸缩，调整系统内滚筒的高度。电气系统会接收到由线性传感器所发出的位移信号，经过A/D 转换处理之后发送至控制器系统，控制器会对比接收位移信号与输入位移信号，判断是否运行到位，计算出相应的位移差，再将信号发至PID 进行处理分析，传输信号至控制系统，微调阀芯和滚动位置。通过上述运行过程，可保证采煤机自动调高液压系统较高的稳定性和精确性。

2 采煤机自动调高液压系统控制优化

本文拟通过电液比例控制阀技术对传统电磁阀控制的自动调高液压系统进行技术改进，运用AMEsim 仿真技术软件进行系统建模，结合调高液压系统的相关理论，对采煤机自动调高液压系统进行相关选型和建模，分析调高系统的动态参数，体现优化后的优势。

2.1 电液比例控制原理

电液比例阀可在闭环系统中用于数字信号转换和组件的放大，也可用于开环系统实施液压控制参数的监测。电液比例阀控制原理如图2 所示。

图2 电液比例阀控制原理

电液比例阀控制系统由比例放大器、指令元件、电液比例阀、控制算法、液压执行元件、反馈元件六部分组成。其中，比例放大器主要是进行整理、加工和放大控制信号，电磁铁的位移偏差信号较弱，无法通过自身发出的信号进行电磁铁调整，故需要放大器进行信号放大，推动调整，满足要求。指令元件是指信号产生进行信息输入的系统元件，也称作输入电路，可设置为手动模式和自动模式。电液比例阀中转换器和液压放大器为其核心部件，转换器主要是进行电-机械信号转换，转换后的电信号经过放大，根据实际需求转换成相应比例的力矩与位移，液压放大器是将输出的力矩与位移用液压的原理放大，从而驱动负载，以达到放大系统功率的功能。控制算法是将电信号通过控制算法转换为偏差信号输入至控制器。液压执行元件是指马达或者液压缸，主要用于驱动负载，属于输出装置。反馈元件常用于闭环系统，通过被控制元件或者对中间变量信号检测而得出具体信号，本设计主要使用位移传感器。反馈元件分为内环和外环两个部分，内环主要进行阀门的特性改善，分析阀门的动静态特性，外环主要检测输出量，对系统的精度和性能进行优化。

2.2 调高液压系统元件选型

2.2.1 安全阀

煤矿综采工作面环境复杂，在设备运行中采煤机会受到很大影响，例如在割煤过程中，煤炭中存在硬岩石等物质，系统负荷会瞬间提升，对液压系统造成极大的冲击，以致破坏液压系统元件，影响企业生产。因此，本文选用可承载较大压力和流量的力士乐DBA 安全阀。

2.2.2 电液比例阀

为了在不改变原有功能的基础上又可实现比例控制，本文选用电液比例换向阀，力士乐防爆电液比例换向阀性能稳定、可靠性高。其具体参数见表1。

表1 力士乐防爆电液比例换向阀参数

2.3 采煤机电液比例控制调高液压系统建模仿真

经优化后系统的控制过程为：首先位移传感器对负载位置进行检测，并生成相应的电压信号，通过比较生成信号与输入信号，通过控制算法得出相应的位移差，并经过转换器形成放大后的控制电压，控制电压通过电液比例阀调节节流口的开度大小，从而控制活塞杆的移动，以此达到精准控制负载位移的目的。

其中，电液比例换向阀的阀芯运动计算公式如下：

式中：i0为流量最低值，A；Ke为电流—力增益，N/A；Ks为弹簧刚度，N/m；Yv0为阀口开启量，m；Xs0为弹簧预压缩量，m。

按照相关原理和理论，对采煤机电液比例控制调高液压系统进行仿真模型建立，其中液压泵元件、液压缸元件、液压锁元件、安全阀元件、油箱元件均使用液压库元件，但需保证采煤机电液比例控制调高液压系统的正常运行。控制系统使用UD03 模块，自主输入相关参数，使采煤机电液比例控制调高液压系统模拟仿真更加真实高效。建立的仿真模型如图3 所示。

图3 采煤机电液比例控制调高液压系统仿真模型

活塞杆响应速度仿真结果如图4 所示。

由图4 可知，当仿真时间为0.5 s、步长为0.01 s时，在规定时间内，比例环节呈线性增加到0.05 m/s。在接近0.2 s 时，速度达到稳定状态。在电液比例换向阀的控制之下，采煤机自动调高液压系统运行稳定。

图4 活塞杆响应速度

通过对比电磁阀控制系统和电液比例阀控制系统速度与位移后发现，电液比例阀系统能够在更短的时间内达到要求位置，可以更快地对滚筒运动实现稳定控制。同时，电液比例阀较普通电磁阀运行更加稳定，无较大波动现象，且在活塞到达稳定状态后，电液比例阀所控制的活塞杆速度较普通阀高10%，使调高过程更快更稳。

3 结论

本文通过对采煤机自动调高液压系统的原理进行分析，采用了液压比例阀代替普通电磁阀的优化方案。通过AMEsim 建模仿真以及相关原理选型分析得出以下结论：

1）电液比例阀控制系统拥有更好的稳定性，控制性能更优。

2）电液比例阀控制系统加快了活塞杆的运行速度，提高了设备运行效率。

3）验证了改进后调高液压系统的可行性，与实际应用情况相符。