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基于扩展截割路径的采煤机端头记忆截割方法研究

2023-10-20 48 上传者：管理员

摘要：为解决工作面端头煤层依然依靠人工操作完成截割，效率低且劳动强度大的问题，在对采煤机基本结构分析的基础上，完成了采煤机端头记忆截割系统的总体设计，包括机载端头记忆截割系统和顺槽远程端头记忆截割系统两部分，并完成各系统关键硬件的选型，通过工业性试验验证了所设计的端头记忆截割控制系统能够保证采煤机具有良好的跟踪效果。

关键词：
PLC控制器
端头煤层
记忆截割
跟踪效果
采煤机
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采煤机为煤矿综采工作面的核心生产设备，在当机械化生产的前提下对采煤机自动化生产水平要求也越高。目前，采煤机的自动化截割主要表现在工作面的中段，而在工作面端头区间的斜切进刀截割仍然是基于人工操作实现的。为进一步提升采煤机的自动化、智能化截割水平，采用基于扩展截割路径的端头记忆截割方法实现对工作面端头区间煤层的截割，在降低操作人员数量和劳动强度的同时，避免采煤机截齿损害、轴承磨损以及电机过载等故障[1]。

1、采煤机记忆截割系统的总体设计

综采工作面生产环境恶劣，对应的采煤机所面临的生产工况相对复杂，导致针对综采工作面端头区间的煤层截割无法达到记忆截割的水平[2]。本节将针对此问题完成采煤机端头的记忆截割系统的设计，包括有机载端头记忆截割系统和顺槽远程端头记忆截割系统。

1.1 采煤机概述

以双滚筒采煤机为例开展研究，采煤机基本结构如图1所示。双滚筒采煤机主要包括有左右牵引系统、左右截割系统以及电气控制系统等核心部件。其中，截割部为与煤层截齿的部件，滚筒为截割部的执行机构，其与煤层直接接触，也是交变载荷传递的第一载体；牵引部为实现采煤机沿着煤层行走的部件，其以刮板输送机提供的轨道为基础实现行走功能；电气控制系统为采煤机的中枢大脑，其是发出控制指令的部件。

图1 采煤机基本结构示意图

1.2 采煤机端头记忆截割控制方案

目前，综采工作面端头煤层为采煤机截割的主要难点，其也是无法实现全面自动化生产的关键点。针对采煤机端头煤层主要以斜切进刀方式完成截割任务，而且此项任务目前主要依靠人工操作完成[3]。鉴于端头煤层的特殊性，需要在该位置往复截割两个循环才能够完成最终的采煤任务，即“2进2出”采煤工艺。在上述四刀的截割中，第一刀、第三刀以及第四刀所行走的轨迹为与工作面煤壁相平行的直线路线；而第二刀所行走的轨迹为S型的弯曲路线。

采煤机在实际生产中的关键控制动作包括牵引调速、推溜以及滚筒调高。其中，采煤机端头记忆截割的核心在于对采煤机滚筒的自动调高和牵引速度的自动控制以达到二者的高度匹配，最终实现了对工作面端头煤层的自动化记忆截割。根据采煤机端头记忆截割的控制需求，设计如图2所示的控制流程。

如图2所示，采煤机端头记忆截割功能实现的基础为根据现场所安装的各类检测采煤机工作状态传感器所采集的实时数据，并结合历史数据实现对采煤机端头负载的预判，并基于扩展截割路径端头截割方法实现对端头区段内煤层的截割。

图2 采煤机端头记忆截割控制流程

2、采煤机端头记忆截割系统设计

采煤机端头记忆截割可以分为机载端头记忆截割系统和顺槽远程端头记忆截割系统。根据现场实际生产情况，分别完成上述两类端头记忆截割控制系统的设计。

2.1 采煤机机载端头记忆截割控制系统的设计

考虑到端头区段空间的限制和工作环境的恶劣性，在机载端头记忆截割系统仅对传感器所采集的数据进行简单的处理；也就是说，机载端头记忆截割系统所配套的各类传感器模块所采集的数据进行简单的处理后通过无线网络将其传输至顺槽远程端头记忆截割系统中进行运算、分析处理[4]。

因此，对于机载端头记忆截割系统而言，其核心为PLC处理器和各类传感器模块。综合工作面生产环境的恶劣性，本系统采用西门子公司的S7-300系列PLC为核心处理器，与其相配套的各类硬件如表1所示。

表1 机载端头记忆截割系统PLC控制器硬件模块

该系统所配套的传感器包括有倾角传感器、电流互感器和温度传感器。其中，倾角传感器主要对采煤机机身和滚筒进行定位；电流互感器对左右截割电机和牵引电机的电流参数进行采集；温度传感器对左右截割电机和牵引电机温度进行采集。

针对机载端头记忆截割系统数据向顺槽远程端头记忆截割系统传输的需求，考虑到工作面处于不断推进的状态，采用传统的电缆对数据进行传输无法长期实现其功能。因此，本系统采用MESH交换机作为无线通信平台完成两个系统数据的交换[5]。

2.2 顺槽远程端头记忆截割系统

顺槽远程端头记忆截割系统的主要功能是实现与机载端头记忆截割系统的数据通信和对数据进行监控管理。因此，该系统主要包括有采煤机WinCC监控平台和无线MESH交换机网络管理平台。

其中，基于采煤机WinCC监控平台可实时显示采煤机的工作状态，包括端头截割曲线、电机电流、温度以及故障信息等。无线通信管理平台保证两个系统数据的正常交换和通信。

3、采煤机端头记忆截割的工业性试验

为了验证端头记忆截割控制系统的控制流程的合理性以及各个模块的有效性，在71509综采工作面应用本文所设计的记忆截割控制系统，在现场所搭建的控制系统凭条架构如图3所示。

图3 采煤机端头记忆截割系统现场应用效果

71509综采工作面煤层的平均倾角为5°，煤层最大厚度为4 m；该工作面所配套的采煤机型号为MG300/700-WD，与之相配套的刮板输送机型号为SGZ-800/800。采煤机在对端头区段煤层进行截割时，端头记忆截割系统的控制效果如图4所示。

图4 端头记忆截割系统控制效果

如图4所示，在对端头区段内煤层进行截割时，采煤机的行走和截割轨迹均能够按照目标路径完成截割功能，即具有良好的跟踪效果。

4、结论

采煤机为综采工作面生产的核心设备，其生产能力和自动化水平直接关系着整个煤矿的生产能力。目前，对于工作面中段煤层已经初步实现了自动化记忆截割功能，而对于工作面端头区段的煤层还主要依靠人工操作完成截割。为此，本文设计了一款基于扩展截割路径的端头记忆截割系统。总结如下：

1）端头煤层记忆截割包括有机载端头记忆截割系统和顺槽远程端头记忆截割系统两部分组成；其中，机载端头记忆截割系统以PLC控制器为核心，以各类传感器为依托实现对采煤机实时运动参数的采集，并通过无线网络传输至顺槽远程端头记忆截割系统；顺槽远程记忆截割系统对所采集的数据进行深度分析处理后得出控制指令，并传输至机载端头记忆截割控制系统实现对采煤机截割动作的控制。

2）实践表明：在对端头区段内煤层进行截割时，采煤机的行走和截割轨迹均能够按照目标路径完成截割功能，具有良好的跟踪效果。

参考文献:

[1]刘春生,陈金国.基于单示范刀采煤机记忆截割的数学模型[J].煤炭科学技术,2011,39(3):471-73.

[2]张丽丽,谭超,王忠宾,等.基于遗传算法的采煤机记忆截割路径优化[J].煤炭工程,2011(2):111-112.

[3]周斌,王忠宾.灰色系统理论在采煤机记忆截割技术中的应用[J].煤炭科学技术,2011(3):74-76.

[4]曹鹏,周平,张世洪,等.基于记忆程控截割法的采煤机液压调高系统响应时间的研究[J].机床与液压,2017,45(8):114.[王忠宾,徐志鹏,董晓军.基于人工免疫和记忆切割的采煤机滚筒自适应调高[J].煤炭学报,2009,34(10):75.

文章来源:高建喜.基于扩展截割路径的采煤机端头记忆截割方法研究[J].机械管理开发,2023,38(10):179-180+183.