摘 要：为了使采煤机滚筒能够随煤层厚度变化自动调整高度,采用电液比例方向阀代替传统电磁阀,研究了一种采煤机滚筒电液比例自动调高系统。分析了该调高系统结构,研究了系统的组成部分和工作原理,并对电液比例方向阀、液控单向阀、安全阀和位移传感器等元件进行了选型,在LMS.AMEsim中仿真了油缸的调整过程。
关键词:采煤机;电液比例阀;位移传感器;油缸;
Research on Electro-hydraulic Proportional Automatic Height Adjustment System of Coal Mining Machine
Liu Wei
Shanxi Coal Transportation and Sales Group Pu County Haoxingyuan Coal Co., Ltd.
Abstract：In order to enable the coal mining machine drum to adjust the height automatically with the change of coal seam thickness, an electro-hydraulic proportional directional valve is used instead of the traditional solenoid valve, and a coal mining machine drum electro-hydraulic proportional automatic height adjustment system is studied. The structure of the height adjustment system was analysed,the components and working principle of the system were studied, and components such as electro-hydraulic proportional directional valves,liquid-controlled check valves, safety valves and displacement sensors were selected, and finally, the adjustment process of the cylinder was simulated in LMS.AMEsim.
Keyword：coal mining machine; electro-hydraulic proportional valve; displacement transducer; cylinder;
引言
在采煤过程中，采煤机的滚筒高度需要不断调整，以适应煤层高度的变化。目前，我国的采煤机滚筒调高采用手动控制实现，采煤机司机在操作过程中不断观察截割情况，并手动调整滚筒位置。由于井下环境恶劣，工作面能见度较低，采煤机发出的巨大噪声也会干扰司机准确判断滚筒位置。滚筒的高度由油缸的伸缩量变化进行控制，液压阀的开闭可以控制液压油缸的伸缩，从而实现滚筒高度调节。本文采用电液比例控制阀代替传统电磁阀，实现了滚筒运动轨迹精确控制，提高了系统性能和响应速度。
1 调高系统结构
通常液压控制系统由控制元件、动力元件、执行元件和其他辅助元件组成，动力元件在控制元件的作用下，向采煤机机械部分输出合适的作用力，以满足采煤机滚筒自动调高的静态和动态性能。液压调高系统的结构分为两部分，一是信号控制部分，主要作用为向限压阀、换向阀、比例阀等液压装置提供控制信号，改变其方向和开度，同时也可以给手动阀提供开闭信号，使系统在手动模式下实现电磁锁控制，二是液压动力部分，主要作用为改变系统流量和压力[1,2]。
相比于其他类型的控制系统，液压控制系统具有独特的优势，采煤机滚筒液压调高系统具有安装体积小、元件重量轻的特点，动力元件只需要很小的惯性就能够产生很大的力矩。由于矿井通风条件有限，且空气湿度较大，如果设备发热极易引起火灾或者爆炸事故，设备的散热需要重点考虑，对于液压控制系统来说，液压油的散热效果良好。
2 电液比例调高原理
采煤过程中，随着采煤机的不断推进，滚筒所截割的煤层的厚度也会变化，为了使滚筒贴合顶板和底板，提高采煤效率，采煤机的滚筒高度需要不断调整。除了液压控制阀和调高油缸，大部分滚筒调高液压元件被安装在调高泵箱内，油箱和电动机电机箱占据了调高泵箱的主体空间，在抽屉板内布置其他诸如液压组件和管路等。由于调高泵箱的重要性，其安装和配置具有特殊性，调高泵箱的箱体上应设置方便观察的油窗，采煤机工作时，其油面应该在最低油位上方。除了观察窗，油箱还应该配置滤清器和放油孔。油缸与采煤机滚筒摇臂应采用铰接方式进行连接，以满足采煤机工作时产生的机械应力。如图1所示为采煤机电液比例调高系统原理图，该系统由电动机、齿轮泵、油缸、换向阀、液压锁、溢流阀、过滤器、油箱等元件组成。设备启动以后，齿轮泵在电动机的驱动下向油箱吸油，液压油从油箱中被抽至过滤器中进行过滤，然后进入液压泵。通过操作换向阀的阀体位置，液压油经过不同的控制回路进入油缸，从而改变滚筒的升降状态，当滚筒的高度调至合适位置时，控制回路的液压锁将回路闭锁，从而使液压系统的压力保持稳定。在整个控制过程中，安全阀的作用是保持滚筒位置，溢流阀的作用是卸压，防止过载。
3 元件选型
采煤机电液比例调高系统的主要元件有电液比例方向阀、液控单向阀、安全阀和位移传感器等。
电液比例方向阀选择的依据有阀的类型、额定压力、额定流量、中位机能。根据滚筒调高系统的控制精度和动态响应要求，选择带内部反馈闭环的电液比例方向阀，相较于不带内部反馈的电液比例方向阀，这种阀的稳态和动态性能均更加优秀。根据采煤机调高液压系统的工作压力为18 MPa，额定流量为19L/min，因此选择电液比例阀的型号为GDBFW-02.3C4，这款电液比例方向阀的最大工作压力为31.5 MPa，最大流量为45 L/min，质量为3.8 kg，通径为6 mm，采用4～20 m A的电流信号进行控制[3,4]。
液控单向阀又叫液压锁，安装在液压油缸和电液比例方向阀之间，该阀具有单项流通的特性，在系统调高和定位截煤方面具有重要作用，能够保证系统的安全，如果选择不当会产生振动等现象，影响采煤机的安全。液压锁的开锁条件根据采煤机调高液压系统确定为内泄式，在选择液压锁的闭锁压力时，需要同时考虑系统有载荷和无载荷两种情况下的压力，因为由于液压缸活塞两侧受压面积较小，无杆腔和有杆腔的闭锁压力很大，甚至可能超过系统有载时的压力，因此选择的液压锁的闭锁压力必须满足上述强度条件。本文选择YDF06.00.00液控单向阀作为液压锁。
采煤过程中，如果滚筒切割到巨大的煤矸石，一方面滚筒的截齿会加速损耗，另一方面煤矸石会给滚筒一个很大的反向作用力，导致采煤机油缸的载荷突增，导致油缸或者管路等部分被压力冲破。安全阀的作用是当油缸内的压力超过一定值时，安全阀将油缸的两腔压力泄掉，泄压之后滚筒的高度降低，从而起到保护截齿和滚筒的作用，提高采煤的质量。
液压油缸的行程为575 mm，位移传感器选型为KYDM系列磁致伸缩传感器，此型号传感器的量程为600 mm，接口采用Profibus-DP，分辨率达到5μm，可在-40～85℃环境中稳定工作[5]。
4 仿真分析
在LMS.AMEsim软件中对采煤机滚筒调高系统进行仿真，这款软件不仅可以实现系统级的仿真，还能够在元件结构等方面进行特殊设计。电液比例阀是电液比例调高系统的重要元件，因此可以对电液比例阀进行特殊设计，更改结构和参数，使电液比例阀的建模更加精细，更加贴近元件实际性能。仿真过程分为草图模式、子模型选取、参数设置和运行模式四个步骤，电液比例方向阀采用HCD库进行设计，比例放大器系数取31.5，阀芯活塞直径为60 mm，阀芯等效质量为6.6 kg，弹簧刚度为200 N/m，系统工作压力为10 MPa，静摩擦力为2.8 N，动摩擦力为3 N。液压缸、安全阀、液压锁、液压泵、油箱等其他元件为系统中的自带元件，控制信号模块采用UD00，采用阶跃信号参数模拟比例仿真需求。AMEsim建立的电液比例调高系统仿真，如图2所示。
图3为仿真软件中建立的油缸活塞位移跟踪仿真曲线，仿真参数设置为：仿真时间10 s，仿真步长0.1 s，给定的位移信号为阶跃信号0.5 m。由图3可知，仿真开始后滚筒高度开始上升，上升过程平稳，在7.8 s时活塞杆到达指定位置，位移停止。
5 结语
传统的采煤机滚筒调高系统采用普通电磁阀对油压进行控制，存在控制不稳定，滚筒调节动态响应差等问题，采用电液比例控制阀代替普通电磁阀，并在AMEsim软件中进行仿真建模，仿真结果表明，电液比例方向阀能够提高滚筒调高控制系统的控制精度和响应速度，对采煤机截割效率提升，保护截齿不被矸石磨损具有一定意义。
[1] 张锋.采煤机滚筒调高电液比例控制系统的研究[J].机械管理开发,2021,36(10):233-234;287.
[2] 卜桂玲.采煤机调高机构液压控制系统建模与仿真[J].机床与液压,2021,49(13):175-177.
[3] 刘峰.浅谈电液比例泵的工作原理及其应用[J].内燃机与配件,2019(4):84-85.
[4] 郭琦.采煤机液压系统设计及仿真[J].煤矿机械,2020,41(1):13-15.
[5] 张建军.采煤机自动调高关键技术的研究[J].机械管理开发.2019,34(4):245-246;259.