基于透明综采工作面采煤机自动截割系统的研发

韩继来

摘 要： 目前，我国大多数煤矿所使用的采煤机自动化程度较低，无法完成自适应的截割作业要求，只能在综采面安排专人采用人工观察的方法控制采煤机的截割作业，由于综采面工作环境极端恶劣、噪声大、粉尘度高，操作人员很难通过“眼观耳听”的方法来判断采煤机的截割滚筒是否触及到巷道的顶板或者地板，滚筒调节滞后陛差。而作为综采面的核心关键设备，采煤机的自动化截割是实现采煤机、刮板输送机、液压支架三机联合自动控制的必要条件。

关键词： 透明综采;工作面;采煤机;自动截割;系统研发

【中图分类号】TD421.6     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.190

1 系統设计

采煤机运行时，在刮板输送机提供轨道上沿工作面往复行驶，采煤机截割滚筒随着采煤机行走位置的变化，不断将煤从煤层中分离出来，落入刮板输送机中并运出综采工作面，基于往复行驶而提出的记忆截割控制策略已经用到实际采煤生产中，现场反馈使用良好.根据煤层起伏改变调节采煤机滚筒高度，适应不同的煤层采高。综采工作面集控中心布置于综采工作面附近的控制室内，通过以太网、CAN总线网络与综采工作面设备进行数据传输，完成设备之间的信息交换。以太网实时传输摄像头采集的实时视频数据，并在显示屏上播放实时呈现工作面图像信息，同时也传输控制信号、状态信号等;CAN总线网络实时传输设备状态信息、控制命令。其中沿工作面摄像头和采煤机摄像头拍摄共同拍摄采煤机周围环境以及采煤机机身视频，实现工作面视频图像重现，用人的眼睛弥补目前无法用传感器探测的数据;采煤机数据包括采煤机运行过程中的参数信息、系统信息、状态信息以及控制命令;其它数据主要包括与采煤机作业时相关的环境信息，如刮板输送机状态、附近液压支架状态、刮板机链条张紧状态等。

2 采煤机自适应截割系统构成

在综采面进行调高、牵引及推溜的过程中，推溜作业是在采煤机截割作业之前，采煤机的滚筒高度的调整及牵引作业是和采煤机的截割作业同时进行的。因此可以说采煤机的滚筒高度调整及牵引作业是采煤机在井下巷道内工作时的最核心动作，采煤机滚筒高度的调整是在采煤机调高油缸的控制下进行的，采煤机的牵引调速则是对应于采煤机牵引电机的转速控制。采煤机要实现自适应截割，基本的一点要求就是采煤机在工作过程中当截齿切割到巷道的岩壁后能够自动对摇臂的伸出高度进行调节，避免长时间切割岩石造成电机的堵转、发热、断齿等。而随着科技和应用材料技术的发展及大功率驱动电机的广泛应用，目前大部分采煤机的截齿一般均可对岩壁进行截割作业。

采煤机运行时，其PLC控制系统首先会检测其所处的控制模式，如果是在手动控制模式下，则由采煤机的控制人员手动控制采煤机的运行，此时采煤机自动对路径进行跟踪记忆;若在自动控制模式下，则采煤机自动读取路径跟踪数据，在路径跟踪模式下自动控制运行，此时若采煤机截齿处所承受的截割负载出现异常，则控制系统根据所受到的截割负载的大小，自动判断是降速截割还是进入自适应控制模型，根据设备当前的运行状况进行自适应调整。

该系统的自适应调节控制的依据是采煤机在路径跟踪模式下，调节煤壁作用在采煤机截齿上的截割负载的大小，系统的调整对象则是采煤机的牵引速度和截割滚筒的工作高度。在截割滚筒进行截割作业时，若其截割到岩壁则会造成截割电机的电流、温度迅速增加并超出系统设定的警戒点。根据试验采集的数据表明，采煤机的截割负载和其截割电机的输入电流之间有着一定的对应关系，在利用实际测定的数值建立了截割电流和截割负载之间的对应关系后，就可以根据电流传感器监测到的输入电流的大小自动计算出作用于截齿上的负载的大小，当其负载值超过警戒设定值后，就可以判断截齿已经接触到了岩壁，此时系统会先降低采煤机的牵引速度，若在设定的时间范围内截割电流能够恢复到正常范围，则系统会控制直接降速切割，如果超出设定时间后截割电流依旧处于高位，则系统会控制调整截割滚筒的高度。调整后若采煤机的负载依旧无法恢复则系统会发出报警，请求人工进行判定调整，从而确保自适应调整的可靠性和稳定性。

3 自动截割控制过程分析

采煤机自动截割系统中，采煤机的实时位置以及采煤机的采高是极其重要的参数，需要对上述两个参数的准确位置做实时定位。在刮板运输机上行驶的采煤机，其行驶路径是刚性连接，轨道上各个点沿工作面方向与煤壁相对位置几乎不变，采用绝对值编码器测量采煤机位置变化，实现采煤机实时位置定位。采用位移传感器测量调高油缸伸缩量，结合采煤机的侧倾角和换算出滚筒高度，实现采煤机的采高定位。位移传感器安装于油缸缸体内部，避免外力损伤传感器，采煤机的倾角传感器安装在电气控制箱内。

记忆截割：记忆截割的原理就是采煤机的第i+1次采煤过程是以第i次存储的数据为基准，复现与第i次采煤过程相似的采煤作业，第i次存储的数据可以是人工示教阶段存储的数据，也可以是上一次自动截割存储的数据。

第i+1次数据和第i次数据的关系，根据煤层变化情况，分为不调整和调整两种不同情况，不调整时关系式为（A+，=Ai，Bi+。=B，，Ci_，=C。，D，+。=D。…），调整时关系式为（Ai+。=T。+A，B。_1=Tb+B。，Ci+1=T。+Ci，D。+1=Td+D。…其中T。、Tb、Tc和Td等为调整值），调整值是采煤机机载控制器根据煤层变化情况做出自适应调整，当煤层变化过大时需要，可能需要重复人工示教阶段，重新记录第i次数据并存储。采煤机根据存储时间进行路径跟随时，机载控制器时刻监视采煤机状态，若发现异常情况，系统会自行调整，调整后的数据需要检验其合法性，如果有数据异常隋况发生，需要进行人工干预修正。

4 结语

综上所述，采煤机作为综采工作面的主要设备，其运行状况直接影响矿井生产力，使用自动截割技术，有效提高采煤机的工作效率、降低劳动强度，但采煤机司机一直处于综采工作面l引入远程干预技术，采煤机司机不需要长时间处于综采工作面，改善工作环境。本文提出的自动截割技术和远程干预技术相结合的方式，符合工作面少人化、无人化的趋势。

参考文献

[1] 张俊梅，范迅，赵雪松.采煤机自动调高控制系统研究[J].中国矿业大学学报，2002，3I（7）：415-418.

[2] 廉自生，刘混举，李文英.基于切割力响应的煤岩界面识别技研究[J].山西机械，1999，103（3）：25—27.