精確控制放煤機構液壓系統設計研究

巨文濤，趙東升，劉佳金

(1.中煤華晉集團有限公司 王家嶺分公司， 山西 河津 043300； 2.中煤華晉集團有限公司，山西 河津 043300；3.中國煤礦機械裝備有限責任公司， 北京 100011)

隨著我國智能開采技術的發展和進步，越來越多的礦井開始進行智能化開采技術的探索和應用，但目前國內的智能開采技術無論是薄煤層開采還是大采高開采，都主要以一次性采全高技術的自動化控制為主，針對放頂煤工作面的智能化開采技術研究和應用相對較少[1]. 放頂煤工作面的智能開采技術與一次性采全高相比其難點主要體現在放煤過程的判斷和對放煤機構的控制技術[2]. 放煤控制的及時和準確將會增加放煤量，同時減少矸石的涌進量，提高煤質[3]. 中煤華晉集團王家嶺礦開展智能化放頂煤控制技術研究，并對放頂煤工作面放煤機構的精確控制進行優化改造，設計出一種適用于放頂煤精確控制的液壓系統。

1 精確控制放煤機構液壓系統

四柱支撐掩護式液壓支架采用正四連桿機構，尾部放煤機構采用插板式機構設計，在掩護梁下端有一個帶有伸縮插板的尾梁與其進行鉸接，尾梁由尾梁千斤頂進行連接控制，當千斤頂進行伸縮時能夠實現對尾梁擺動角度的控制。當落煤時，可以控制尾梁擺動的角度來控制落煤量，若出現矸石，能夠及時控制尾梁擺角，對落煤及落矸情況進行及時控制。同時在尾梁處還設置一個放煤插板，其一端通過液壓油缸對其控制，通過液壓油缸的伸縮來控制插板伸縮，增加和減少尾部的放煤面積，實現對尾部的連續放煤。同時該機構還可以實現部分大塊煤的破碎作用，若出現大塊煤堵死情況，可以適當控制尾梁插板，通過反復收插，對大塊煤進行擊打，實現對大塊煤的破碎，見圖1.

圖1 放頂煤支架尾梁結構圖

在放煤過程中，先對尾梁插板進行收回，提高放煤面積，同時尾梁下擺，提高尾部落煤空間，使支架尾部放下來的煤直接落入刮板運輸機，該過程插板收回要快于尾梁下擺，以防止插板與刮板運輸機磕碰。放煤結束后，尾梁上擺，減少尾部放煤空間，同時伸出尾梁插板，封閉尾部放煤空間，防止矸石涌入尾部刮板運輸機中，該過程尾梁上擺要先于插板伸出，以防止插板與刮板運輸機磕碰。

因此，對尾部放煤機構的控制主要是針對尾梁擺動幅度的控制和尾梁插板的伸收控制，設計其液壓控制系統見圖2.

1—單向鎖;2—尾梁擺動油缸;3—尾梁先導控制電液換向閥;4—插板先導控制電液換向閥;5—插板油缸圖2 放煤機構液壓系統原理圖

從圖2可以看出，在放煤控制過程中尾梁的上下擺動和插板的前后伸收主要由油缸進行控制，因此，高效準確地控制油缸是提高放煤可靠性的重要保障。在傳統的放頂煤控制中，對尾梁和插板的動作無法監控，且閥芯的流量相對較小，無法達到快速準確地控制，導致液壓控制的精確性和及時性難以得到保障。對于智能化放頂煤工作面，尾梁和插板的控制不僅僅需要動作的快速性，還需要動作的可靠性，這樣才能夠保障尾梁和插板的角度、時間、動作等因素都能夠實現精確控制，以保障對放煤控制的規律性研究和高效控制技術的實施。

2 放煤機構液壓系統的優化

針對王家嶺智能化放頂煤工作面項目，對液壓系統結構進行優化，實現放煤控制的快速響應、精確控制和可監控性。

在傳統單向鎖的基礎上，對閥芯的材質、孔徑及通斷方式進行調整，改進加工工藝，形成用于放頂煤精確控制的高精度大流量單向鎖，其流量能夠達到普通單向鎖的1.5倍，實現液壓回路的快速響應。

閥芯原材料普遍選用20Cr13、30Cr13或錫青銅，近年來部分零件使用304等不銹鋼。機械性能方面，20Cr13、30Cr13等容易熱處理得到較高硬度，因此用于受沖擊、高壓、雜質影響較大的零部件，其它非關鍵零部件，以耐銹蝕性能和機械性能綜合考量?？准庸ぞ纫话悴捎苗M孔和精鉸實現，部分廠家采用滾壓等工藝手段，精度受機床精度、刀具精度和磨損狀況、零件本身材料特性影響都較大。增大流量方面，首先還是考慮更大過液面積的閥內部結構，其次在強度不低于要求的情況下盡量采用大過液孔，或增加過液孔數量。

在尾梁和插板油缸內安裝行程傳感器，根據行程傳感器的數值監控尾梁和插板的動作情況。采用兩組先導控制電液換向閥對尾梁的上下擺動和插板的伸收分別進行控制，根據放煤機構打開和關閉過程中尾梁和插板的動作邏輯和油缸行程，給出尾梁和插板先導控制電液換向閥動作指令，實現精確控制。

圖3為放煤機構關閉動作曲線，放煤機構關閉由尾梁油缸伸出和插板油缸伸出來實現。由圖3可見，尾梁油缸的伸出動作從控制指令發出后0.5 s左右開始響應，執行尾梁上擺動作。尾梁上擺動作從0.5 s開始到3.7 s結束，整個動作時間為3.2 s. 張凡[4]利用仿真軟件AMESim對改進型號支架的放煤機構進行建模仿真，尾梁油缸在1 s時啟動響應，到7 s完成伸長動作，用時6 s. 霍昱名[5]在智能化放煤控制的研究中，仿真結果顯示尾梁千斤頂從1 s時開始伸長，7.45 s結束，耗時6.45 s. 對照其他學者的最新研究可以看出，本文改進的放煤機構響應速度和執行效率均有大幅提升。

尾梁上擺動作結束后，間隔0.2 s左右插板開始伸出，由于插板油缸的缸徑比尾梁油缸小，插板油缸動作速度也較尾梁油缸的動作快，在1.5 s左右即完成了伸出動作。由于后部放煤處存在大塊煤或矸石的堆積情況，插板伸出接近一半行程時阻力增大，伸出速度有一定程度的降低。

1—尾梁油缸伸出動作曲線；2—插板油缸伸出動作曲線 圖3 放煤機構關閉動作曲線圖

油缸動作到位后，在1分鐘內未發生位置偏差，見圖4，說明其穩壓性相對較好，其機械結構也能夠保障對放煤后尾部矸石的充分屏蔽。

1—尾梁油缸位移曲線；2—插板油缸位移曲線圖4 關閉動作結束后油缸行程狀態監測圖

放煤機構打開動作曲線見圖5，放煤機構打開由尾梁油缸收回和插板油缸收回來實現。由圖5可見，尾梁及插板同時進行動作，尾梁在下擺過程中，插板同時進行收回動作。在收到遠程控制系統發出的命令后，油缸在0.5 s左右將動作信息反饋至控制系統，尾梁油缸在初始時動作速度相對較快，但到2 s左右時，其速度出現拐點，開始下降，可能因其流量的變化導致油缸收回的速度降低，出現曲線斜率的變化，但整體動作上能夠在3.5 s左右實現尾梁油缸的全部動作。插板油缸與尾梁油缸在接到控制命令后同時進行動作，插板油缸收回的速度較快，由于其缸徑較小，受流量變化的影響相對較弱，因此其變化曲線基本能夠維持相對穩定的斜率，其收回的速度也較尾梁下擺快，基本在2 s左右完成收回動作。

1—尾梁油缸收回動作曲線；2—插板油缸收回動作曲線圖5 放煤機構打開動作曲線圖

在放煤過程中，放煤機構動作相對傳統的設計無論是打開還是關閉都提高了動作速度和響應時間，整體的控制精度和可控性也得到提升。

3 結 語

放頂煤智能開采的核心是放煤，放煤的核心是對支架放煤機構的控制和對后部煤量的判斷，通過對放煤機構液壓系統優化設計，能夠有效提升放煤機構的動作精度和速度。通過對尾梁和插板油缸安裝行程傳感器，能夠精確監測尾梁和插板的動作狀況，實現控制系統對尾梁和插板動作情況的有效監測。王家嶺煤礦12309工作面通過對放頂煤支架放煤機構的優化設計，已成功實現對其遠程精確控制，控制動作響應及時，動作幅度可實時監測，準確掌握放煤的動態數據，為智能化開采提供有效支撐。