高立强

（西山煤电集团公司设备租赁分公司， 山西 太原 030053）

引言

采煤机为综采工作面的关键设备，其自动化水平直接决定了整个煤矿的生产能力和生产效率。在实际截割过程中，三角煤为较难处理的煤层。为保证生产效率，处理三角煤时常以斜切进刀方式为主。通常情况下，针对三角煤需要在工作面行走一个循环中进刀两次。加之，由于煤层、地质条件的复杂性，实现采煤机的自动化记忆截割尤为重要，对于最终实现综采工作面的“无人化”开采作业尤为重要[1]。本文将重点完成采煤机记忆截割系统的设计，并对记忆截割系统的应用效果进行试验研究。

1 采煤机记忆截割系统概述

1.1 采煤机概述

目前，应用于综采工作面较为广泛的采煤机为双滚筒采煤机，其包括左右两个截割部、牵引部及相关的电气系统和液压系统。在实际截割过程中，采煤机的截割运动是工作面走向牵引运动、滚筒调高运动及推溜运动的集合。其中，牵引运动由采煤机左右行走轮与销排啮合实现；滚筒调高运动由调高油缸对滚筒的高度进行控制；推溜运动由刮板输送机刮板链在液压支架推移油缸的作用下靠向煤层，该运动由液压支架、刮板输送机及采煤机共同完成[2]。一般情况下，综采工作面采煤机的常规工作方式如图1 所示。

图1 采煤机常规工作方式

采煤机的进刀方式包括直接推入法进刀、滚筒钻入法进刀及斜切进刀。其中，直接推入的进刀方式效率较低，应用较少；滚筒钻入的进刀方式仅适用于采高较小的工作面；斜切进刀方式包括针对端部割三角煤、留三角煤的斜切进刀，中部煤的斜切进刀及半刀斜切进刀四种方式[3]。

1.2 采煤机记忆截割流程的设计

目前，在普通煤层开采的自动化水平可以满足实际生产的需求。但是，对于工作面的三角煤而言，需采用斜切进刀的方式进行截割，该项工作主要依靠人工手动完成，效率较低。因此，本文重点针对采煤机的端头完成记忆截割系统的设计。结合采煤机的实际生产需求，其对应的记忆截割工艺流程如图2所示。

图2 采煤机记忆截割工艺流程

由图2 可知，系统首先会对采煤机的自动运行状态进行判断。当判定采煤机为自动运行时，根据采煤机载入的路径对截割滚筒的路径进行跟踪，并实时对负载进行采集、预测、判断，根据分析结果对采煤机自动截割进行自适应调控；当判定采煤机为人工操作时，采煤机分为人工示教和路径记忆的截割状态[4]。

2 采煤机记忆截割系统及方法的设计

2.1 采煤机记忆截割系统设计

结合综采工作面的生产需求，采煤机端头记忆截割系统包括机载端头记忆截割系统和顺槽远程端头记忆截割系统，其主要结构如图3 所示。

图3 采煤机端头记忆截割系统结构

由图3 可知，采煤机端头记忆截割系统包括传感器模块、处理模块和控制模块。其中，传感器模块主要是对采煤机牵引速度、采煤机机身倾角、左右滚筒的摇臂倾角、电机温度及牵引、截割电机的电流进行采集；处理模块为基于控制器对所采集的信息和状态得出相应的控制指令，对采煤机左右摇臂、制动、牵引速度进行控制。顺槽端头记忆截割系统与综采工作面机载端头记忆截割系统通过无线以太网进行通信。

针对综采工作面恶劣的工作环境，采用西门子公司的S7-300 系列的PLC 控制器为核心设计对应的机载控制器，并为其配置控制器的各类模块，配置参数见表1。

表1 机载端头记忆截割控制器模块组成

2.2 采煤机记忆截割方法研究

采煤机记忆截割功能实现的基础在于对采煤机端头的实时位置进行监测，并完成姿态定位。采煤机记忆截割包括对截割路径的记忆和对截割路径的跟踪[5]。

根据截割点的不同，将记忆点分为常规点和动作点。其中，常规记忆点设定采集的位置间距为1 m；动作记忆点指的是在特殊位置需要操作人员通过控制器发出指令实现对采煤机启停控制、牵引速度及滚筒位置的控制点信息的记忆。针对三角煤截割效率低的问题，需特别针对其完成动作点的记忆，主要包括以下三个位置点：

1）当采煤机端头第一正向截割时，对采煤机牵引速度降为0 且采煤机滚筒换方向的位置点进行记忆。

2）当采煤机端头完成第二刀斜切进刀时，对采煤机牵引速度降为0 且采煤机滚筒换方向的位置点进行记忆。

3）当采煤机端头第三刀正向截割三角煤时，对此时采煤机牵引速度降为0 且采煤机滚筒换方向的位置点进行记忆。

结合现场采煤机的工作需求，考虑到煤层地质条件对应的记忆截割下油缸的位移见表2，分别包括有四个动作记忆点和八个常规记忆点。

表2 采煤机记忆截割系统记忆点统计

3 采煤机记忆截割系统的试验研究

为进一步验证本文所设计的记忆截割系统的性能，将所设计的采煤机端头记忆截割系统搭建完成后应用于工作面煤层的实际开采中。所应用工作面煤层的平均厚度为4 m，工作面底板的平均倾角为5°，工作面所采用的采煤机为双滚筒采煤机，具体型号为MG300/700-WD，与之相配套刮板输送机的型号为SGZ-800/800，并重点对采煤机的跟踪效果进行验证，验证结果如下页图4 所示。

由下页图4 可知，基于本文所设计的记忆截割系统能够保证采煤机实际截割过程中的跟踪路径与目标路径保持一致，尤其是能够针对三角煤截割斜切进刀段保证采煤机具有良好的跟踪效果。

图4 采煤机记忆截割系统跟踪效果

4 结语

采煤机作为综采工作面的关键大型机电设备，保证其生产效率和自动化水平对于提升煤矿的生产能力具有重要意义。为解决工作面三角煤截割时自动化水平且效率低的问题，本文针对性地基于S7-300PLC 控制器设计了端头记忆截割系统，提出了记忆截割的记忆和跟踪方法。经实践表明，本文所设计的端头记忆截割系统能够保证采煤机在各种工况尤其是对三角煤截割时的跟踪效果。