液压支架跟机自动化控制系统设计研究

液压支架跟机自动化控制系统设计研究

摘要针对液压支架跟机自动化控制系统的设计、应用课题，在分析跟机控制的影响因素及难点的基础上，对液压支架跟机自动化控制系统的流程进行设计，并提出系统几个关键点的耦合性解决方案，所研发的ＺＤＹＺ型液压支架跟机自动化控制系统在工作面条件良好时取得了十分优异的应用效果。同时，基于系统自带的参数互馈调整、故障识别、自我保护等功能，特殊地质条件的适应性和现场具体生产条件的应变性均得到较大提升，加速了综采工作面无人化、智能化的发展，实现了较好的技术及经济效益。

关键词液压支架；跟机自动化；系统耦合；互馈调参

液压支架是实现井工煤矿综合机械化开采的关键设备，与采煤机、刮板输送机合并称为“三机”。液压支架电液程序控制可实现本地控制、远程控制、自动控制为一体的便捷操作，可实现液压支架单架控制、成组控制、跟机自动控制、人工远程控制等功能。目前，在国内大型煤矿企业已逐渐得到普及应用，技术经济效益显著。尤其是跟机自动控制技术的研发及实践，为实现能带压移架及高效支护提供了可行路线，应作为煤矿综合机械化开采的重点方向。但是，跟机自动控制的技术实现还面临诸多难点，如对特殊地质条件的适应性、对现场具体生产条件的应变性、与采煤机刮板输送机的匹配性等，均限制了该技术的应用及发展［１－５］。本文即针对液压支架跟机自动化控制系统进行设计应用，并对其与地质、生产、设备耦合性进行针对性设计及解决，从而实现系统的工程化应用，创造可见的技术及经济效益。

１跟机控制的影响因素及难点

１．１跟机控制的影响因素分析

液压支架跟机自动化控制的影响因素较多，如工作面的倾角、顶板等地质条件，采煤机的割煤速度，刮板输送机的姿态，液压系统的供液压力及流量。对于工作面的具体地质条件来讲，煤层及工作面倾角会影响采煤机的运行速度、液压支架的牵引阻力、液压支架的上倾下滑、刮板输送机的上窜下滑等，对液压支架跟机控制产生影响。对于采煤机的割煤速度来讲，由于顶板条件的不同、三机配套关系的不同，割煤前超前几台支架收支架前探梁及护帮板、割煤后滞后几台支架伸前探梁及护帮板均在作业规程上有明确要求，因此，采煤机割煤速度会对跟机控制的参数产生影响。对于刮板输送机的姿态来讲，输送机的可弯曲度、与液压支架配套等会对跟机控制参数产生影响。液压系统的供液压力及流量对支架的牵引速度、同时牵引支架的数量、液压支架的推移牵拉等产生影响。

１．２跟机控制的难点分析

第一，液压支架跟机控制除了液压支架的牵拉升降之外，还涉及前探梁及护帮板控制、刮板输送机推移控制、液压支架防尘喷雾控制等，控制系统及流程相对复杂。第二，液压支架与刮板输送机是由“十”字形销耳连接，其相对支架的迁移具有一定程度的离散行程特性，在工作面倾角顶底板等地质条件、支架输送机上窜下滑等生产条件的影响下，支架的控制难度较大。第三，液压供液系统及液压元件系统的故障率较高，液压供液系统需要保持足够的供液压力及流量来保障液压支架的组合动作，一旦出现泄液、漏液情况，就容易导致供液压力及流量不足。同时，液压支架元件数量多，一旦出现故障，就容易导致液压支架操控性变差、升降或迁移故障等，在采煤机保持正常行走速度时，液压支架可能会因故障出现跟机控制不匹配的问题，造成自动化控制的失效或事故。

２跟机自动化控制系统流程设计

跟机自动化控制的基本原理是围绕采煤机的运行速度及采煤机液压支架的工艺匹配关系，自动对液压支架进行收前探梁、收护帮板、降架、拉架、升架、伸前探梁、伸护帮板等各项操作。整个操作过程包括传感器识别、信号传递、程序控制、指令发出、液压动作等，实现跟机自动控制。基于以上工作原理，设计液压支架跟机自动化控制系统的工作流程如图１所示。工作流程首先是根据环境影响因素，如顶板的破碎程度、底板的松软程度、煤层的倾角状况，来选择控制流程，如擦顶移架、抬底控制、防倾倒控制；然后根据采煤机速度、泵站供液能力等来选择控制方式；最后，选择控制的具体参数，并对具体的执行状态进行检查，再根据检查结果对参数及状态进行修正。该系统的重点在于其具有根据具体的地质生产条件进行自我组织和参数选择及调整功能，具有智能化的学习、修正、改善能力；并具有相应的故障识别功能，当系统发生故障时能够自动修正，无法修正的进行报警处理，方便人工维护；系统还具备基本的保护功能，如防止采煤机与液压支架碰撞、实现顶板基本支护、防止大面积空顶、防止液压支架倾倒等。

３系统耦合性关键点解决方案

液压支架跟机自动化控制系统是一项大的系统工程，系统内部各部支架耦合匹配至关重要，对该系统运行过程中的几个关键点进行重点分析：（１）跟机速度与采煤机运行速度耦合性控制。根据《煤矿安全规程》及《综采工作面作业规程》要求，一般条件下滞后采煤机后滚筒５～１０架移架，顶板条件不佳时，滞后采煤机后滚筒３～５架追击移架。以ＭＧ１５０／３７５－Ｗ为例，其牵引速度为０～７．７ｍ／ｍｉｎ，以平均速度５ｍ／ｍｉｎ、单台液压支架宽度１．５ｍ为例，每台液压支架的降架、拉架、升架时间应为１．５／５ｍｉｎ，即１８ｓ，才能保证跟机速度与采煤机运行速度的匹配关系。如果速度不匹配，则会造成拉架滞后或跟机过紧的不利局面。（２）跟机控制与液压系统耦合性控制。根据上文分析，液压供液系统需要保持足够的供液压力及流量来保障液压支架的组合动作，从而满足采煤机运行速度较快时多台支架同时操作的条件；同时，必须保证液压支架的工作系统状态良好，具备可靠的牵拉操作条件，防止因支架牵拉故障造成动作缓慢、跟不上采煤机运行的情况出现。（３）跟机控制与端头割煤工艺耦合性控制。液压支架跟机自动化控制系统的关键控制区域在于端头三角煤处，两端头处割煤涉及单向割煤、双向割煤、反刀、支架跟机特别控制等特殊工艺。如图２所示，在两端头三角煤区域设置几个关键点解决采煤机端头作业时液压支架的灵活控制问题。在采煤机完成端头作业并反刀后再实施跟机拉架，并调整传感器灵敏度，适时地在拉架操作前进行伸前探梁、伸护帮板等临时支护。

４应用及展望

基于以上原理及流程所研发的ＺＤＹＺ型液压支架跟机自动化控制系统已在国内部分矿井进行应用，在工作面条件良好时取得了十分优异的应用效果。同时，基于系统自带的参数互馈调整、故障识别、自我保护等功能，特殊地质条件的适应性和现场具体生产条件的应变性均得到较大提升，促进了综采工作面无人化、智能化的发展，但在传感器的识别精度、参数反馈修正的速率、特殊地质生产条件的适应性方面仍需进一步研究及改进。

参考文献

［１］曹秋明．综采液压支架跟机自动化智能化控制系统管窥［Ｊ］．西部探矿工程，２０１８，３０（９）：１８８－１９０．

［２］牛剑峰．综采液压支架跟机自动化智能化控制系统研究［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１５，４３（１２）：８５－９１．

［３］余建林．综采“三机”联动控制系统研究［Ｄ］．西安：西安科技大学，２０１５．

［４］陶显，林福严，张晓青，等．液压支架电液控制系统跟机自动化技术研究［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１２，４０（１２）：８４－８７．

［５］宋单阳，宋建成，田慕琴，等．煤矿综采工作面液压支架电液控制技术的发展及应用［Ｊ］．太原理工大学学报，２０１８，４９（２）：２４０－２５１．

作者：史进康 单位：汾西矿业中兴煤业有限责任公司