采煤机端头记忆截割系统的试验研究

聂龙飞

（西山煤电多种经营总公司机电修造园区科技发展分公司， 山西 太原 030053）

引言

随着煤炭开采自动化和智能化的发展，矿井开采效率日渐提高，同时开采技术的机械化水平也愈加成熟，以采煤机为主的割煤设备的自动化水平提高明显。虽然各大矿井在开采过程中均实现了采煤机的自动割煤工作，但很少有对采煤机端头自动截割系统的研究[1]。目前，在矿井工作面中部区间的自动截割控制中对记忆截割方式的应用较广，但在工作面的端头位置采煤机需要重复两个进刀循环作业才可以实现斜切进刀割煤的工作，工作面中部的自动截割方式与端部的截割方式不匹配[2-3]，故对采煤机端头记忆截割系统的研究尤为重要，对工作面端头的开采以及矿井的可持续发展均具有重要意义。笔者进行了采煤机端头记忆截割系统的试验研究，通过上位机智能监控系统对其中的各个模块进行了功能分析，从而验证端头记忆截割系统的可行性。

1 试验平台介绍

本次试验所搭建的上位机智能监控系统包括上位机、操控台、PLC控制系统以及制造的采煤机等效模型。研究的采煤机端头记忆截割系统的各个模块为定位模块、负载平衡模块、截割路径记忆模块以及跟踪模块。上位机可以实时监测试验时采煤机行走过程中的参数[4]；操控台可以实现对采煤机行走的人工操控，具体内容有采煤机的启停、行走速率以及割煤高度等参数；PLC控制系统是采煤机动力的来源，具有高灵敏度以及扩展度的特点；本次试验所用的采煤机模型与真实采煤机比例为1∶11，采煤机模型的调高原理以及运行原理等与真实采煤机如出一辙，在调高过程中可通过倾角传感器采集摇臂姿态，而行走过程中也可以实现精确定位，上位机智能监控系统如图1所示。

图1 上位机智能监控系统示意图

在本次试验中，PLC控制系统可以将采煤机行走割煤过程的参数传输到上位机，上位机不仅可以对收到的信号进行处理和显示，还可以对操控命令进行研究和处理，从而将控制命令传输到PLC控制系统中，实现对采煤机的控制。上位机主要显示两大部分：主要运行参数和控制命令，前者显示了采煤机行走割煤过程的主要参数，后者实现对采煤机运行的操控，如图2所示。

图2 上位机显示界面示意图

2 试验方案分析

本次试验是为了通过上位机智能监控系统对其中的各个模块进行功能分析，从而验证端头记忆截割系统的可行性，故采集数据主要为采煤机的行走位置、采煤机摇臂倾角以及行走速率。试验过程中，刚开始实验员需要控制操控台使得采煤机往返行走几次，对采煤机在工作面端头的正向割煤、反向斜切进刀以及又一次正向割煤过程进行模拟，从而对割三角煤工作进行初步分析；在模拟过程中PLC控制系统会采集到采煤机行走的位置以及采煤机姿态等数据，进而传输到上位机，上位机对采煤机截割信息进行插补拟合后又传输到PLC控制系统中，然后采煤机会基于上位机发出的指令自动割煤，如图3所示。

图3 采煤机截割路径跟踪试验示意图

3 试验结果分析

在实验室模拟的采煤机端头记忆截割路径如图4所示，从图中可以看出，跟踪路径与目标路径几乎重合，说明采煤机端头记忆截割的跟踪路径效果显著，可以满足采煤机的智能控制需求。

图4 采煤机端头记忆截割路径示意图

图5 显示了本次试验采煤机行走过程中滚筒的调节状况，图4中采煤机机身位置在2m以内采煤摇臂倾角逐步调高至稳定，对应图5中的（a）和（b），也就是采煤机在工作面端头正向截割过程（调高左滚筒和下降右滚筒）；采煤机机身位置在2～4 m之间摇臂倾角逐步下调，对应图5中的（c）和（d），也就是采煤机在工作面端头反向斜切进刀割煤过程（下降左滚筒和调高右滚筒）；采煤机机身位置在4 m之后摇臂倾角先升后降，对应图5中的（e）和（f），也就是采煤机在工作面端头又一次正向割煤过程（下降右滚筒和调高左滚筒）。

图5 采煤机行走过程中滚筒的调节状况示意图

4 工业性试验分析

为了验证上述试验结果的准确性和可行性，在山西某矿井工作面进行了采煤机端头记忆截割系统的试验，现场构建的系统如图6所示。

图6 采煤机端头记忆截割系统的现场试验示意图

该矿井综采面为近水平煤层，煤层平均厚度为4.25 m，在工作面中该系统的布置情况如图7所示。

图7 采煤机端头记忆截割系统现场布置示意图

采煤机在工作面端头和中部的割煤方式是不同的，在综采面端部每进行一次斜切进刀都会沿着煤壁推进2个截深。本次在该工作面截割的第11刀到第14刀截深范围内进行试验，认为在试验过程中工作面端头的底板是平整的，不会影响采煤机的正常截割行走作业。具体操作为：在截割的第11刀到第12刀截深范围内人工操作，进行端头的采煤机斜切进刀工作，在此次过程中记录采煤机的运行参数；在截割的第13刀到第14刀截深范围内采煤机就可以自动进行端头的斜切进刀工作，这样智能监控系统就可以对该过程中采煤机的运行参数进行分析，从而对采煤机端头记忆截割系统各个模块的工作稳定性情况进行验证。

在现场实测过程中，采煤机的运行参数可分为动作记忆点和常规记忆点，当采集到的记忆点发生失真，则对该点剔除同时进行重新记忆，表1显示了第11刀截深范围内采集到的记忆点，图8对这些点进行了绘制。

表1 第11刀截深范围内采集到的部分记忆点统计表

图8 第11刀截深范围内记忆点变化示意图

将记忆点和上位机对采煤机调控的信号传输到PLC控制系统后，可以使得采煤机自动进行割煤工作。人工操控采煤机割煤过程中滚筒电机电流和采煤机行走速率的变化趋势如图9的（a）和（b）所示，而调控后采煤机自动割煤过程中电机电流和牵引速率如图10的（a）和（b）所示。比较图9和图10后可得，调控后采煤机滚筒电机电流较调控前要明显减小，也就是调控后采煤机端头所受载荷减小，保证了采煤机工作的稳定性。

图9 人工操控采煤机割煤过程中参数变化示意图

图10 调控后采煤机自动割煤过程中参数变化示意图

5 结语

结果表明，采煤机端头记忆截割对目标路径的自动跟踪效果好，并且通过山西某矿井工作面的现场试验，证明了试验结果的准确性和现场可行性。