徐建軍

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

綜采工作面自動化是一個集采煤機、液壓支架、運輸機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、供液系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)協(xié)同工作的復雜綜合體。采煤機是其中的核心設備之一。 綜采工作面實現(xiàn)自動化的關(guān)鍵技術(shù)就是研究適合中國煤層條件的采煤機自動控制系統(tǒng)。采煤機是一個復雜的系統(tǒng)工程，是機械、電氣、通訊、自動化控制等不同技術(shù)的交叉與融合。實現(xiàn)采煤機自動化，就目前自動化采煤機技術(shù)現(xiàn)狀來看，它包括諸多子系統(tǒng)：基本控制、通訊系統(tǒng)、遠程控制、自主定位、自適應調(diào)高、故障診斷系統(tǒng)等。采煤機自主定位包括姿態(tài)定位和位置定位，是采煤機自動化必須解決的基礎性問題。

1 采煤機姿態(tài)定位

采煤機姿態(tài)定位，是采煤機滾筒的高度、機身角度(傾角和仰俯角)信息的總和。在采煤機自動化控制中，需要建立姿態(tài)信息與位置信息的一一對應的映射關(guān)系，對采煤機在工作時的姿態(tài)信息進行實時的監(jiān)測、分析、存儲等。準確測量采煤機姿態(tài)，才能更為精確的描繪出采煤機的軌跡，為采煤機自動控制奠定基礎。姿態(tài)定位的準確性、穩(wěn)定性是決定采煤機進行精確、穩(wěn)定的自動化控制的關(guān)鍵。

1.1 姿態(tài)定位方法

眾所周知，滾筒式采煤機的截割機構(gòu)與牽引機構(gòu)是通過鉸接形式連接，通過油缸伸縮，截割機構(gòu)以鉸接中心為軸心轉(zhuǎn)動，分別采用傾角傳感器和軸編碼器，采集采煤工作面的傾角(俯角和仰角)、采煤機搖臂的傾角和搖臂角位移，通過建立的數(shù)學模型，分別計算出采煤機搖臂高度，通過數(shù)據(jù)處理，準確描繪出采煤機相對位置的截割姿態(tài)軌跡，為遠程控制和自動截割提供依據(jù)。

1.2 編碼器姿態(tài)定位

采煤機是一個集成度較高的綜采設備之一，空間狹小，各傳感器安裝難度大。通過在采煤機搖臂和牽引部鉸接耳之間安裝編碼器，通過合理的選擇安裝位置，優(yōu)化設計安裝結(jié)構(gòu)，使搖臂編碼器的安裝能夠在工況復雜的條件下，穩(wěn)定可靠的運行。在這種情況下，合理的利用了狹小的空間，把編碼器安裝在搖臂與牽引部連接鉸軸處，使鉸軸與搖臂一起轉(zhuǎn)動，保證編碼器讀數(shù)與實際采煤一致。編碼器與鉸軸連接采用柔性聯(lián)軸器和扁平小軸，減少了加工難度，緩減了采煤過程中震動對編碼器的損壞。這種安裝方式雖然一定程度降低了安裝的方便性，但在很大程度上合理利用了采煤機有限的空間，同時對編碼器具有很好的保護作用，如圖1所示。

圖1 姿態(tài)定位編碼器連接安裝示意圖

2 編碼器姿態(tài)定位

黃陵礦業(yè)公司一號煤礦1001綜采工作面MG2×200/925-AWD采煤機姿態(tài)定位通過軸編碼器測量搖臂相對機身轉(zhuǎn)動角，通過計算可以得出采煤機搖臂采高。軸編碼器的分辨率為2π/4096，搖臂長度為2 350 mm，那么，采煤機采高姿態(tài)定位精度理論值為2 350×2π/4 096，約為3.6 mm，針對煤礦綜采設備的自動化控制來說，該控制精度完全可以滿足要求。在實際使用過程中，由于采煤機工作環(huán)境異常惡劣，工作過程中振動較大，特別是薄煤層采煤機機身較輕，遇見斷層巖石時振動十分強烈。在設備安裝初期，采煤機姿態(tài)定位精度較高，可以滿足使用要求，但在設備使用一段時間以后，尤其是在強振動的影響下，編碼器的固定會出現(xiàn)松動現(xiàn)象，使得采煤機姿態(tài)定位誤差較大，嚴重影響自動化控制。這時，就需要重新安裝和固定編碼器，重新校正姿態(tài)定位數(shù)據(jù)，給設備自動化控制帶來不必要的麻煩，影響礦井自動化工作面的連續(xù)推進和正常生產(chǎn)。

3 姿態(tài)定位技術(shù)改進

3.1 位移傳感器姿態(tài)定位

針對編碼器的使用情況，為了避免編碼器在實際使用過程中的不足，經(jīng)充分調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)，采煤機姿態(tài)測量傳感器采用調(diào)高油缸內(nèi)部安裝位移傳感器，通過監(jiān)測調(diào)高油缸的伸長量，計算后得到采煤機采高，其原理如圖2所示。

圖2 油缸結(jié)構(gòu)及原理

位移傳感器的磁環(huán)與波導管均安裝在采煤機調(diào)高油缸內(nèi)部，波導管安裝于油缸本體，位置相對固定，磁環(huán)安裝于油缸活塞桿，隨著油缸的活塞桿移動，波導管與磁環(huán)會產(chǎn)生一個縱向的磁場，傳感器將磁信號轉(zhuǎn)換成為電信號(脈沖信號)，傳感器通過高速計時器對脈沖信號進行測定，可快速、精確地計算出磁環(huán)的準確位置。

采煤機調(diào)高示意圖如圖3所示。在采煤機調(diào)高機構(gòu)中，搖臂與牽引部鉸接中心到搖臂與油缸鉸接中心距離A固定不變，搖臂與牽引部鉸接中心到油缸與牽引部鉸接中心距離B固定不變，只有搖臂與油缸鉸接中心到油缸與牽引部鉸接中心距離C隨著油缸伸縮而變化，則有α=arccos(A2+B2-C2)/2AB。以MG2×200/925-AWD采煤機為例，油缸活塞長度約為285 mm，油缸位移傳感器精度為0.1 mm，搖臂最大采高為2 560 mm，最大臥底為290 mm，采煤機調(diào)高精度為：(2 560+290)/2 850=1 mm。同時，在傳感器與處理器之間，采用信號隔離，提高抗干擾能力，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 采煤機調(diào)高示意圖

3.2 改進效果

改進優(yōu)勢：①采用位移傳感器實際測量油缸的伸長量計算采煤機搖臂采高，與之前采用編碼器測量測量采煤機搖臂采高相比，精度由原來的3.6 mm提高到1 mm，誤差放大倍數(shù)變小，提高了采煤機姿態(tài)定位的精度；②采用油缸內(nèi)置位移傳感器，有效解決傳感器的保護問題，提高防護性能，同時位移傳感器位于調(diào)高油缸內(nèi)部，與油缸融為一體，抗震動能力大幅提高，更能夠適應綜采工作面的復雜環(huán)境；③油缸位移傳感器采用4～20 mA電流信號，在信號前端添加信號隔離，有效地防止綜采工作面復雜電磁環(huán)境的影響，提高了可靠性；④采用油缸位移傳感器，不需要考慮定期重標或擔心斷電后歸零問題。這種非接觸式的測量避免了機械磨損的問題，保證了最佳的重復性和穩(wěn)定性，同時，可以有效避免機械振動帶來的安裝問題。

使用效果：黃陵礦業(yè)公司一號煤礦1002、1003綜采工作面MG2×200/925-AWD采煤機采用改進后，通過油缸位移傳感測量采煤機搖臂姿態(tài)，采煤機搖臂姿態(tài)定位精度提高，穩(wěn)定性和可靠性大幅提高，降低了由于機械振動導致安裝松動的影響，避免了搬家倒面和正常機械維護重復拆裝需要數(shù)據(jù)校正的麻煩。通過1002、1003工作面使用，在使用過程中僅僅出現(xiàn)過線纜斷裂現(xiàn)象，搖臂姿態(tài)定位的油缸位移傳感器和姿態(tài)定位系統(tǒng)運行穩(wěn)定，為綜采自動化工作面的順利運行提供可靠地數(shù)據(jù)基礎。

4 結(jié)語

采用非接觸式油缸位移傳感器進行采煤機搖臂姿態(tài)定位，精度優(yōu)于采用編碼器進行采煤機搖臂姿態(tài)定位，解決了傳感器防護問題，不需要考慮定期重標或擔心斷電后歸零問題，適應工作面復雜的電磁環(huán)境，保證了自動化工作面數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，可以在其它采煤機推廣應用，具有很強的移植性和的市場推廣前景。