高立強(qiáng)

（西山煤電集團(tuán)公司設(shè)備租賃分公司， 山西 太原 030053）

引言

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其自動(dòng)化水平直接決定了整個(gè)煤礦的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率。在實(shí)際截割過程中，三角煤為較難處理的煤層。為保證生產(chǎn)效率，處理三角煤時(shí)常以斜切進(jìn)刀方式為主。通常情況下，針對(duì)三角煤需要在工作面行走一個(gè)循環(huán)中進(jìn)刀兩次。加之，由于煤層、地質(zhì)條件的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)化記憶截割尤為重要，對(duì)于最終實(shí)現(xiàn)綜采工作面的“無人化”開采作業(yè)尤為重要[1]。本文將重點(diǎn)完成采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)記憶截割系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)概述

1.1 采煤機(jī)概述

目前，應(yīng)用于綜采工作面較為廣泛的采煤機(jī)為雙滾筒采煤機(jī)，其包括左右兩個(gè)截割部、牽引部及相關(guān)的電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。在實(shí)際截割過程中，采煤機(jī)的截割運(yùn)動(dòng)是工作面走向牽引運(yùn)動(dòng)、滾筒調(diào)高運(yùn)動(dòng)及推溜運(yùn)動(dòng)的集合。其中，牽引運(yùn)動(dòng)由采煤機(jī)左右行走輪與銷排嚙合實(shí)現(xiàn)；滾筒調(diào)高運(yùn)動(dòng)由調(diào)高油缸對(duì)滾筒的高度進(jìn)行控制；推溜運(yùn)動(dòng)由刮板輸送機(jī)刮板鏈在液壓支架推移油缸的作用下靠向煤層，該運(yùn)動(dòng)由液壓支架、刮板輸送機(jī)及采煤機(jī)共同完成[2]。一般情況下，綜采工作面采煤機(jī)的常規(guī)工作方式如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)常規(guī)工作方式

采煤機(jī)的進(jìn)刀方式包括直接推入法進(jìn)刀、滾筒鉆入法進(jìn)刀及斜切進(jìn)刀。其中，直接推入的進(jìn)刀方式效率較低，應(yīng)用較少；滾筒鉆入的進(jìn)刀方式僅適用于采高較小的工作面；斜切進(jìn)刀方式包括針對(duì)端部割三角煤、留三角煤的斜切進(jìn)刀，中部煤的斜切進(jìn)刀及半刀斜切進(jìn)刀四種方式[3]。

1.2 采煤機(jī)記憶截割流程的設(shè)計(jì)

目前，在普通煤層開采的自動(dòng)化水平可以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。但是，對(duì)于工作面的三角煤而言，需采用斜切進(jìn)刀的方式進(jìn)行截割，該項(xiàng)工作主要依靠人工手動(dòng)完成，效率較低。因此，本文重點(diǎn)針對(duì)采煤機(jī)的端頭完成記憶截割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。結(jié)合采煤機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)需求，其對(duì)應(yīng)的記憶截割工藝流程如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)記憶截割工藝流程

由圖2 可知，系統(tǒng)首先會(huì)對(duì)采煤機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。當(dāng)判定采煤機(jī)為自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)采煤機(jī)載入的路徑對(duì)截割滾筒的路徑進(jìn)行跟蹤，并實(shí)時(shí)對(duì)負(fù)載進(jìn)行采集、預(yù)測(cè)、判斷，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)截割進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控；當(dāng)判定采煤機(jī)為人工操作時(shí)，采煤機(jī)分為人工示教和路徑記憶的截割狀態(tài)[4]。

2 采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)及方法的設(shè)計(jì)

2.1 采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合綜采工作面的生產(chǎn)需求，采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)包括機(jī)載端頭記憶截割系統(tǒng)和順槽遠(yuǎn)程端頭記憶截割系統(tǒng)，其主要結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)包括傳感器模塊、處理模塊和控制模塊。其中，傳感器模塊主要是對(duì)采煤機(jī)牽引速度、采煤機(jī)機(jī)身傾角、左右滾筒的搖臂傾角、電機(jī)溫度及牽引、截割電機(jī)的電流進(jìn)行采集；處理模塊為基于控制器對(duì)所采集的信息和狀態(tài)得出相應(yīng)的控制指令，對(duì)采煤機(jī)左右搖臂、制動(dòng)、牽引速度進(jìn)行控制。順槽端頭記憶截割系統(tǒng)與綜采工作面機(jī)載端頭記憶截割系統(tǒng)通過無線以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

針對(duì)綜采工作面惡劣的工作環(huán)境，采用西門子公司的S7-300 系列的PLC 控制器為核心設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的機(jī)載控制器，并為其配置控制器的各類模塊，配置參數(shù)見表1。

表1 機(jī)載端頭記憶截割控制器模塊組成

2.2 采煤機(jī)記憶截割方法研究

采煤機(jī)記憶截割功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)在于對(duì)采煤機(jī)端頭的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并完成姿態(tài)定位。采煤機(jī)記憶截割包括對(duì)截割路徑的記憶和對(duì)截割路徑的跟蹤[5]。

根據(jù)截割點(diǎn)的不同，將記憶點(diǎn)分為常規(guī)點(diǎn)和動(dòng)作點(diǎn)。其中，常規(guī)記憶點(diǎn)設(shè)定采集的位置間距為1 m；動(dòng)作記憶點(diǎn)指的是在特殊位置需要操作人員通過控制器發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)啟?？刂啤恳俣燃皾L筒位置的控制點(diǎn)信息的記憶。針對(duì)三角煤截割效率低的問題，需特別針對(duì)其完成動(dòng)作點(diǎn)的記憶，主要包括以下三個(gè)位置點(diǎn)：

1）當(dāng)采煤機(jī)端頭第一正向截割時(shí)，對(duì)采煤機(jī)牽引速度降為0 且采煤機(jī)滾筒換方向的位置點(diǎn)進(jìn)行記憶。

2）當(dāng)采煤機(jī)端頭完成第二刀斜切進(jìn)刀時(shí)，對(duì)采煤機(jī)牽引速度降為0 且采煤機(jī)滾筒換方向的位置點(diǎn)進(jìn)行記憶。

3）當(dāng)采煤機(jī)端頭第三刀正向截割三角煤時(shí)，對(duì)此時(shí)采煤機(jī)牽引速度降為0 且采煤機(jī)滾筒換方向的位置點(diǎn)進(jìn)行記憶。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采煤機(jī)的工作需求，考慮到煤層地質(zhì)條件對(duì)應(yīng)的記憶截割下油缸的位移見表2，分別包括有四個(gè)動(dòng)作記憶點(diǎn)和八個(gè)常規(guī)記憶點(diǎn)。

表2 采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)記憶點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

3 采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的記憶截割系統(tǒng)的性能，將所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)端頭記憶截割系統(tǒng)搭建完成后應(yīng)用于工作面煤層的實(shí)際開采中。所應(yīng)用工作面煤層的平均厚度為4 m，工作面底板的平均傾角為5°，工作面所采用的采煤機(jī)為雙滾筒采煤機(jī)，具體型號(hào)為MG300/700-WD，與之相配套刮板輸送機(jī)的型號(hào)為SGZ-800/800，并重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)的跟蹤效果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如下頁圖4 所示。

由下頁圖4 可知，基于本文所設(shè)計(jì)的記憶截割系統(tǒng)能夠保證采煤機(jī)實(shí)際截割過程中的跟蹤路徑與目標(biāo)路徑保持一致，尤其是能夠針對(duì)三角煤截割斜切進(jìn)刀段保證采煤機(jī)具有良好的跟蹤效果。

圖4 采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)跟蹤效果

4 結(jié)語

采煤機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵大型機(jī)電設(shè)備，保證其生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平對(duì)于提升煤礦的生產(chǎn)能力具有重要意義。為解決工作面三角煤截割時(shí)自動(dòng)化水平且效率低的問題，本文針對(duì)性地基于S7-300PLC 控制器設(shè)計(jì)了端頭記憶截割系統(tǒng)，提出了記憶截割的記憶和跟蹤方法。經(jīng)實(shí)踐表明，本文所設(shè)計(jì)的端頭記憶截割系統(tǒng)能夠保證采煤機(jī)在各種工況尤其是對(duì)三角煤截割時(shí)的跟蹤效果。