液壓支架跟機自動化控制系統設計研究

液壓支架跟機自動化控制系統設計研究

摘要針對液壓支架跟機自動化控制系統的設計、應用課題，在分析跟機控制的影響因素及難點的基礎上，對液壓支架跟機自動化控制系統的流程進行設計，并提出系統幾個關鍵點的耦合性解決方案，所研發的ＺＤＹＺ型液壓支架跟機自動化控制系統在工作面條件良好時取得了十分優異的應用效果。同時，基于系統自帶的參數互饋調整、故障識別、自我保護等功能，特殊地質條件的適應性和現場具體生產條件的應變性均得到較大提升，加速了綜采工作面無人化、智能化的發展，實現了較好的技術及經濟效益。

關鍵詞液壓支架；跟機自動化；系統耦合；互饋調參

液壓支架是實現井工煤礦綜合機械化開采的關鍵設備，與采煤機、刮板輸送機合并稱為“三機”。液壓支架電液程序控制可實現本地控制、遠程控制、自動控制為一體的便捷操作，可實現液壓支架單架控制、成組控制、跟機自動控制、人工遠程控制等功能。目前，在國內大型煤礦企業已逐漸得到普及應用，技術經濟效益顯著。尤其是跟機自動控制技術的研發及實踐，為實現能帶壓移架及高效支護提供了可行路線，應作為煤礦綜合機械化開采的重點方向。但是，跟機自動控制的技術實現還面臨諸多難點，如對特殊地質條件的適應性、對現場具體生產條件的應變性、與采煤機刮板輸送機的匹配性等，均限制了該技術的應用及發展［１－５］。本文即針對液壓支架跟機自動化控制系統進行設計應用，并對其與地質、生產、設備耦合性進行針對性設計及解決，從而實現系統的工程化應用，創造可見的技術及經濟效益。

１跟機控制的影響因素及難點

１．１跟機控制的影響因素分析

液壓支架跟機自動化控制的影響因素較多，如工作面的傾角、頂板等地質條件，采煤機的割煤速度，刮板輸送機的姿態，液壓系統的供液壓力及流量。對于工作面的具體地質條件來講，煤層及工作面傾角會影響采煤機的運行速度、液壓支架的牽引阻力、液壓支架的上傾下滑、刮板輸送機的上竄下滑等，對液壓支架跟機控制產生影響。對于采煤機的割煤速度來講，由于頂板條件的不同、三機配套關系的不同，割煤前超前幾臺支架收支架前探梁及護幫板、割煤后滯后幾臺支架伸前探梁及護幫板均在作業規程上有明確要求，因此，采煤機割煤速度會對跟機控制的參數產生影響。對于刮板輸送機的姿態來講，輸送機的可彎曲度、與液壓支架配套等會對跟機控制參數產生影響。液壓系統的供液壓力及流量對支架的牽引速度、同時牽引支架的數量、液壓支架的推移牽拉等產生影響。

１．２跟機控制的難點分析

第一，液壓支架跟機控制除了液壓支架的牽拉升降之外，還涉及前探梁及護幫板控制、刮板輸送機推移控制、液壓支架防塵噴霧控制等，控制系統及流程相對復雜。第二，液壓支架與刮板輸送機是由“十”字形銷耳連接，其相對支架的遷移具有一定程度的離散行程特性，在工作面傾角頂底板等地質條件、支架輸送機上竄下滑等生產條件的影響下，支架的控制難度較大。第三，液壓供液系統及液壓元件系統的故障率較高，液壓供液系統需要保持足夠的供液壓力及流量來保障液壓支架的組合動作，一旦出現泄液、漏液情況，就容易導致供液壓力及流量不足。同時，液壓支架元件數量多，一旦出現故障，就容易導致液壓支架操控性變差、升降或遷移故障等，在采煤機保持正常行走速度時，液壓支架可能會因故障出現跟機控制不匹配的問題，造成自動化控制的失效或事故。

２跟機自動化控制系統流程設計

跟機自動化控制的基本原理是圍繞采煤機的運行速度及采煤機液壓支架的工藝匹配關系，自動對液壓支架進行收前探梁、收護幫板、降架、拉架、升架、伸前探梁、伸護幫板等各項操作。整個操作過程包括傳感器識別、信號傳遞、程序控制、指令發出、液壓動作等，實現跟機自動控制。基于以上工作原理，設計液壓支架跟機自動化控制系統的工作流程如圖１所示。工作流程首先是根據環境影響因素，如頂板的破碎程度、底板的松軟程度、煤層的傾角狀況，來選擇控制流程，如擦頂移架、抬底控制、防傾倒控制；然后根據采煤機速度、泵站供液能力等來選擇控制方式；最后，選擇控制的具體參數，并對具體的執行狀態進行檢查，再根據檢查結果對參數及狀態進行修正。該系統的重點在于其具有根據具體的地質生產條件進行自我組織和參數選擇及調整功能，具有智能化的學習、修正、改善能力；并具有相應的故障識別功能，當系統發生故障時能夠自動修正，無法修正的進行報警處理，方便人工維護；系統還具備基本的保護功能，如防止采煤機與液壓支架碰撞、實現頂板基本支護、防止大面積空頂、防止液壓支架傾倒等。

３系統耦合性關鍵點解決方案

液壓支架跟機自動化控制系統是一項大的系統工程，系統內部各部支架耦合匹配至關重要，對該系統運行過程中的幾個關鍵點進行重點分析：（１）跟機速度與采煤機運行速度耦合性控制。根據《煤礦安全規程》及《綜采工作面作業規程》要求，一般條件下滯后采煤機后滾筒５～１０架移架，頂板條件不佳時，滯后采煤機后滾筒３～５架追擊移架。以ＭＧ１５０／３７５－Ｗ為例，其牽引速度為０～７．７ｍ／ｍｉｎ，以平均速度５ｍ／ｍｉｎ、單臺液壓支架寬度１．５ｍ為例，每臺液壓支架的降架、拉架、升架時間應為１．５／５ｍｉｎ，即１８ｓ，才能保證跟機速度與采煤機運行速度的匹配關系。如果速度不匹配，則會造成拉架滯后或跟機過緊的不利局面。（２）跟機控制與液壓系統耦合性控制。根據上文分析，液壓供液系統需要保持足夠的供液壓力及流量來保障液壓支架的組合動作，從而滿足采煤機運行速度較快時多臺支架同時操作的條件；同時，必須保證液壓支架的工作系統狀態良好，具備可靠的牽拉操作條件，防止因支架牽拉故障造成動作緩慢、跟不上采煤機運行的情況出現。（３）跟機控制與端頭割煤工藝耦合性控制。液壓支架跟機自動化控制系統的關鍵控制區域在于端頭三角煤處，兩端頭處割煤涉及單向割煤、雙向割煤、反刀、支架跟機特別控制等特殊工藝。如圖２所示，在兩端頭三角煤區域設置幾個關鍵點解決采煤機端頭作業時液壓支架的靈活控制問題。在采煤機完成端頭作業并反刀后再實施跟機拉架，并調整傳感器靈敏度，適時地在拉架操作前進行伸前探梁、伸護幫板等臨時支護。

４應用及展望

基于以上原理及流程所研發的ＺＤＹＺ型液壓支架跟機自動化控制系統已在國內部分礦井進行應用，在工作面條件良好時取得了十分優異的應用效果。同時，基于系統自帶的參數互饋調整、故障識別、自我保護等功能，特殊地質條件的適應性和現場具體生產條件的應變性均得到較大提升，促進了綜采工作面無人化、智能化的發展，但在傳感器的識別精度、參數反饋修正的速率、特殊地質生產條件的適應性方面仍需進一步研究及改進。

參考文獻

［１］曹秋明．綜采液壓支架跟機自動化智能化控制系統管窺［Ｊ］．西部探礦工程，２０１８，３０（９）：１８８－１９０．

［２］牛劍峰．綜采液壓支架跟機自動化智能化控制系統研究［Ｊ］．煤炭科學技術，２０１５，４３（１２）：８５－９１．

［３］余建林．綜采“三機”聯動控制系統研究［Ｄ］．西安：西安科技大學，２０１５．

［４］陶顯，林福嚴，張曉青，等．液壓支架電液控制系統跟機自動化技術研究［Ｊ］．煤炭科學技術，２０１２，４０（１２）：８４－８７．

［５］宋單陽，宋建成，田慕琴，等．煤礦綜采工作面液壓支架電液控制技術的發展及應用［Ｊ］．太原理工大學學報，２０１８，４９（２）：２４０－２５１．

作者：史進康 單位：汾西礦業中興煤業有限責任公司