现代化采煤机摇臂姿态定位技术研究

申伟鹏

（山西煤炭运销集团神农煤业有限公司，山西晋城 048400）

0 引言

对于综采工作面自动化而言，其隶属于复杂综合体，它是通过控制系统、供电系统、供液系统、破碎机、转载机、运输机、液压支架以及采煤机协同工作。在此之中，最为重要的设备当属采煤机。由此可看出，若想实现综采工作面的自动化，那么首先需设计出符合我国煤层条件的自动控制系统。对于采煤机而言，其系统工程极为复杂，其中所包含的技术有自动化控制、通讯、电器以及机械等等。为了实现采煤机自动化，首先需对采煤机的自动化技术进行深入研究，而其所包含的子系统又分为故障诊断系统、自适应调高、自主定位、远程控制、通讯系统以及基本控制。采煤机的自主定位又分为两种，一种是位置定位，另一种是姿态定位，这二者均为自动化采煤机实施的重要问题。

1 采煤机姿态定位

1.1 姿态定位方法

就采煤机而言，牵引机构与其滚筒式的截割机构的连接主要通过铰接形式实现，并利用伸缩的油缸完成铰接中心的转动，与此同时，还利用轴编码器或是倾角传感器对采煤机的摇臂角位移、摇臂倾角或是工作面倾角进行采集，并在此基础上对其进行数学模型的建立，从而测算出摇臂高度，通过所得数据的分析，实现对采煤机截割姿态轨迹的描述，从而为其进行自动截割与远程控制打下良好基础[1]。

1.2 编码器姿态定位

由于采煤机隶属高集成度综采设备，且自身所含空间较为狭小，故而在进行各传感器的安装时难度相对较大。通常情况下，编码器都会安装于采煤机牵引部与摇臂之间的铰接耳处，且所选安装位置较为合理，并通过结构的优化设计，使得安装设备能够在复杂条件下持续稳定运行。在此背景下，设备能够合理地对狭小空间进行利用，从而在所安装的铰轴处能够使摇臂与铰轴同步转动，并确保实际的采煤数据与编码器所显示的数据一致。在进行铰轴与编码器连接时，需利用扁平小轴和较为柔软的联轴器，以此来有效降低加工难度，从而达到因振动所带来的编码器影响。从某一程度上来讲，此方式不仅降低了安装时所需条件，还充分利用了内部的有限空间，与此同时，还实现了对编码器的合理维护[2]，如图1所示。

图1 姿态定位编码器连接安装示意图

2 编码器姿态定位

本文所选研究对象为综采工作面MG2x 200∕925 AWD的采煤机，该型式采煤机主要生产于盖州煤业公司，通过轴编码器对其机身转动角度进行测量，并根据相应公式对其采高进行计算。本研究所用的轴编码器的摇臂长度与分别率分别是2 350 m和2π∕4 096，且其自姿态定位的精度理论值为2 350 x 2π∕4 096，约为3.6 mm。从自动化控制的角度来讲，本研究所用理论值符合研究要求。然而由于在实际使用过程当中，采煤机所处环境较为恶劣，且工作产生振动程度相对较大，尤其是在薄煤层的环境下工作，因其机身相对较轻，故而在遇到断层岩时，常会出现较为强烈的震动现象。因此，在进行安装之前，首先需对其姿态定位的精度进行确立，使其能够符合所需要求，不仅如此，在设备运行一段时间后，尤其是有着明显的震动时，还需对编码器进行固定，如若不然，将会致使设备出现较大的姿态定位误差，从而严重降低自动化控制的效果。而此时，则需进行编码器的重新固定或是安装，并对其数据进行相应的改变，这在无形当中增添了许多麻烦，并对井下生产与推进造成了严重阻碍[3]。

3 姿态定位技术改进

3.1 位移传感器姿态定位

基于对编码器状况的研究，为了有效降低其在使用过程中所产生的不良影响，通过国内外相关技术的研究发现，对于采煤机而言，其姿态测量传感器的安装需在调高油缸内部，并通过相关设备对油缸内部的伸长量进行测量，根据所得数据对采高进行计算即可[4]，其原理如图2所示。

采煤机调高油缸内部装有位移传感器的波导管和磁环，融为一体，为使用提供了便利，其中前者主要固定在油缸本体中，而后者则位于油缸活塞杆处，移动油缸活塞杆的过程中，会有纵向磁场产生在二者之间，而磁信号经过传感器转换以脉冲信号的形式呈现出来，接下来利用高速计时器来测定脉冲信号便能将磁环位置准确、快速地计算出来。

图2 油缸结构及原理

图3 为采煤机调高示意图。从图中能够看出，该结构牵引部与摇臂衔铰接中心与油缸和摇臂之间的距离A为定值，同时牵引部和油缸与牵引部和摇臂之间的距离B也为定值，油缸伸缩对二者均不会产生影响，但是会影响牵引部和油缸与油缸和摇臂之间的距离C。例如MG2×200∕925AWD，最大卧底可达29厘米，最大摇臂采高可达256厘米，精确度能够达到0.1毫米，油缸活塞长28.5厘米。并且利用信号将处理器和传感器隔离，能够令其抗干扰能力得到有效提升，使可靠性与稳定性得到有效保障[5]。

图3 采煤机调高示意图

3.2 改进效果

优势：其一，利用位移传感器将油缸实际伸长量计算出来，进而提升采煤机摇臂高度，能够令其精度得到明显提升，对采煤机摇臂采高进行测量时，若利用编码器，则其精度为3.6毫米，若利用位移传感器则能将其精度提升至1毫米，在放大误差的同时减小其倍数，使其精度更为精确；其二，利用该传感器能够令其保护问题得到有效解决，其防护性能得到显著提升，并且该传感器与油缸融为一体，位于其内部，因此可以提升抗震功能，即便工作环境较为复杂也能够适应；其三，传感器电流信号多处于4～20毫安，将信号隔离添加在信号前端能够令其可靠性得到明显提升，避免电磁环境过于复杂对其工作造成影响[6]；其四，利选择该传感器后，对于断电归零与定期重标问题无需进行考虑，使及其磨损现象得到有效降低，令其稳定性与重复性得到有效保障，还能杜绝因振动给安装带来的问题[7]。

使用效果：根据实际应用情况能够了解，在改进采煤机后，盖州煤业1002对采煤机摇臂姿态进行测量时利用油缸位移传感器，明显提高了定位精度，同时提高了可靠性与稳定性，而安装因机械振动而导致的松动现象也明显降低，而重复拆装与搬家倒面现象也能有效避免，可以对其正常维护。将其应用于1002工作面后出现的问题明显减少，只有线缆断裂现象发生，能够更加稳定运行姿态定位系统和油缸位移传感器，以确保顺利进行综采自动化工作[8]。

4 结语

在定位采煤机摇臂姿态时所选的传感器为非接触式油缸位移传感器，与编码器相比，其精度更为理想，利用这一方式不仅能够令防护传感器问题得到有效解决，对于断电后归零与定期重标等问题也无需再次加以考虑，即便电磁环境较为复杂同样能够正常进行工作，所以环境不会对其造成影响，并能使自动化工作数据的可靠性与稳定性得到有效保障，因此可以将其广泛应用于采煤机中，其市场推广前景与移植性较强，经过一段时间的发展，其应用必将更为广泛。