采煤机机电液控制综合试验台电路部分设计.docx
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采煤机机电液控制综合试验台电路部分设计
摘要
随着采煤技术的发展，采煤机械越来越趋近于自动化和智能化，综合机械化采煤技术的普及已经成为增加煤炭产量、提高劳动生产率、减少事故的重要手段。
采煤机是综合机械化采煤工艺中的核心设备，它的自动化程度是实现综合机械化采煤的关键。
采煤机自动化技术主要包括牵引部自动调速控制技术和采煤机调高自动控制技术，近年来，我国在采煤机牵引部调速方面的技术发展很成熟，但是采煤机调高自动控制技术发展缓慢，成为影响采煤自动化的主要瓶颈。
本文针对采煤机调高自动控制技术发展的不足，在了解实际采煤机基本结构、工作原理和电气控制系统控制逻辑关系的基础上，掌握了采煤机记忆截割试验台基本结构、工作原理和电气控制逻辑关系。
采煤机记忆截割试验台由机械系统、电气控制系统和检测控制系统组成，本文确定了电气控制系统的控制逻辑关系，设计搭建了满足记忆截割技术要求的电气控制系统电路。
试验调试表明，电气控制系统的控制电路可以较好的实现控制电器间的控制逻辑关系。
关键词：
采煤机；采煤机试验台模型；电气控制
研究类型：
应用研究
Abstract
Alongwiththedevelopmentofcoalminingtechnology,thecoalminingmachinetendstobemoreandmoreautomaticandintelligent.Thepopularizationofcomprehensivemechanizedminingtechnologyhasbecomeanimportantmeanstoincreaseoutput,improveproductivityandreduceaccident.Thecoalminingmachineiscoreequipmentinthecomprehensivelymechanizedcoalminingtechnology,whoseautomationisthekeytorealizecomprehensivemechanizedmining.ThecoalminingmachineautomatictechnologymainlyincludestheautomatictechnologyofShearerHauled-partandthecoalminingmachinehighautomaticcontroltechnology.Innowadays,theautomatictechnologyofShearerHauled-partisrathermature,whiledrumliftingisnotverysatisfising,whichhasbecomethethemainbottleneckofcoalautomation.
Basedontheunderstandingofthelogicrelationshipamongbasicstructure,workingprincipleandelectriccontrolsystem,thisarticledescribesthatthecoalminingmachinecuttingmemorytestbediscomposedofmechanical,electricalcontrolandtestcontrolsystem,determinesthecontrollogicrelationshipofelectriccontrolsystem,designselectriccontrolsystematiccircuittomeetthetechnicalrequirementsforthememorycutting.Accordingtothetest,electriccontrolsystematiccircuitcancontrolthelogicrelationshipbetweenelectricalequipmentswell.
Keywords:
TheCoalMiningMachine；TheCoalMminingMachineTestModelt；ElectriControl
Researchtypes:
application
1绪论
1.1课题提出的背景
经济的发展离不开能源的支持，我国以煤炭作为主要能源。
机械化采煤在我国得到快速发展，经过几十年的技术引进、消化吸收和自主研发,我国综合机械化采煤设备的研制水平已有长足进步，但是仍然不能够松懈，我们应该再接再厉、克服重重技术难关进行创新工作。
采煤机是采煤工作中核心设备，采煤机自动化程度高低往往决定了整个采煤工作面的工作效率。
纵观国内外采煤机械发展趋向于智能化、自动化。
目前采煤机牵引部分自动化技术已经相当成熟，但是滚筒调高系统部分自动化仍然未很好解决。
基于采煤机目前现状，采煤机机电液控制综合试验台电路设计研究论文主要包括牵引部分和滚筒调高部分的设计和研究，在研究采煤机自动化工作中提供有一些帮助和解决方案。
1.2国内外发展状况
1.2.1国外发展状况
世界各主要产煤国家，为适应高产高效综采工作面发展和实现矿井集约化生产的需要，积极采用新技术，不断加速更新滚筒采煤机的技术性能和结构，相继研制出一批高性能、高可靠性的“重型”采煤机。
其中，最具代表的是英国安德森的Eiectra系列采煤机，德国艾柯夫的ST系列采煤机，美国乔依的TS系列采煤机和日本三井三池的MCLE-DR系列电牵引采煤机。
这些采煤机，体现了当今世界电牵引采煤机的最新发展方向。
英国安德森公司整机结构特点是机身为整体焊接框架结构，摇臂为分体装配式，左右对称通用，电气传动系统采用两直流电机他激串联，励磁电枢部分采用两套可编程控制器模块控制，可满足四象限运行的要求；德国艾柯夫公司，整机结构特点为机身3段式，两边传动部分为铸造箱体结构，中间电气部分为焊接框架结构，牵引部电气传动系统采用两直流电机；美国乔依公司机身为3段焊接结构形式，摇臂为分体联结、左右通用，牵引部电气传动系统为电机串激串联；日本三井三池公司均为交流电牵引采煤机。
综合论述，国外采煤机发展特点有以下特点：
1.装机功率和截割电动机功率有较大幅度增加；
2.电牵引采煤机已取代液压牵引采煤机而成为主导机型；
3.牵引速度和牵引力不断增大；
4.多电机驱动横向布置的总体结构日益发展。
1.2.2国内发展状况
国内电牵引采煤机的发展状况，最初煤科总院上海分院与波兰合作研制开发了我国第一台MG344-PWD薄煤层强力爬底板交流电牵引采煤机。
接下来借助MG344-PWD电牵引采煤机的电牵引技术，对液压牵引采煤机进行技术更新。
第一台MC300/680-WD型电牵引采煤机是在鸡西煤矿机械厂生产的MG300系列液压牵引采煤机的基础上改造成功，并在大同晋华宫矿开始使用。
与此同时，在太原矿山机器厂生产的AM-500液压牵引采煤机上应用交流电牵引调速装置改造成MG375/830-WD型电牵引采煤机。
20世纪80～90年代曾引进了德、英、波、日液压牵引采煤机，并以技贸结合方式引进英国液压牵引采煤机技术和德国直流电牵引采煤机技术，通过引进并再创新，于90年代掌握了国际先进的交流变频电牵引采煤机技术。
2005年中压交流变频调速技术标志着我国采煤机电气调速技术达到或接近国际先进水平。
截止目前，我国已形成多个电牵引采煤机生产基地，鸡西煤矿机械厂、太原矿山机器厂、煤炭科学研究总院上海分院、辽源煤矿机械厂、西安煤矿机械等。
同国外采煤机相比较，国内采煤机的发展有以下几个特点：
1.多电机驱动横向布置电牵引采煤机；
2.总装机功率、牵引功率大幅度提高；
3.电控技术研究和采煤机电气控制装置可靠性不断提高。
1.3论文研究的目的和意义
综合机械化采煤向着大功率、遥控、遥测、自动化方向发展，其性能日益完善，生产率和可靠性进一步提高。
但是采煤机滚筒自动调节技术的发展缓慢，影响着综采自动化技术的发展。
采煤机自动调高技术是采煤机技术发展的趋势，实际采煤机的体积、重量巨大，实验室难以实际采煤机为对象研究采煤机自动调高技术，因此，设计采煤机试验台模型对实验室研究采煤机自动调高具有重要的作用。
本文设计、搭建作为研究采煤机自动调高技术平台的采煤机机电液控制综合试验台电气控制系统电路对研究采煤机调高具有重要的意义。
1.4论文研究的内容
论文主要有以下研究内容：
1.了解实际采煤机的结构和功能；
2.熟悉采煤机机电液控制综合实验台的总体结构，确定采煤机机电液控制综合实验台电气控制系统的控制方案；
3.采煤机机电液控制综合实验台电路部分的设计，电路控制部分包括手动控制和自动控制；
4.采煤机机电液控制综合实验台电路控制部分调试。
1.5论文研究的技术路线
采煤机机电液控制综合试验台电路设计是一项综合性研究课题，它涉及到电工电子学、传感器技术和控制理论等一系列学科。
本文技术路线如图1-1所示。
图1-1论文研究的技术路线
从图1-1中可以看出本文主要有以下几个研究步骤：
1.查阅相关的资料，了解真实采煤机的结构功能原理和操作方式；
2.掌握采煤机机电液控制综合实验台的结构和功能；
3.采煤机机电液控制综合实验台电路设计，包括手动控制电路和自动控制电路设计；
4.电路电器元件的选型和电路连接；
5.电路调试。
2采煤机机电液控制综合实验台概述
2.1综合机械化采煤的主要设备
综合机械化采煤工作面配套的设备通常由可弯曲刮板输送机、双滚筒采煤机和液压支架等组成，如图2-1所示。
图2-1综合机械化采煤配套设备
可弯曲刮板输送机是一种以挠性体作为牵引机构的连续动作式运输机械，同时它为采煤机提供行走轨道以及完成装煤后的运煤工作。
双滚筒采煤机，是综采工作面上落煤和装煤的设备，采煤机本身骑在刮板输送机上能够通过采煤机上的牵引齿轮和刮板输送机上的齿轨相啮合来实现机身牵引行走，靠安装在端部两滚筒上螺旋截齿进行割煤和装煤。
双滚筒采煤机承担着综合机械化采煤工作面中重要工作，因此是不可或缺的重要设备。
液压支架是以高压液体为动力，由金属支架和若干液压元件组成，它能够实现支撑、切顶、自移及推溜等工序。
液压支架具有支护性能好、强度高、移架快等特点。
2.2采煤机的结构及功能
采煤机是实现煤矿生产机械化和现代化的重要设备之一。
机械化采煤可以减轻体力劳动、提高安全性，达到高产量、高效率、低消耗的目的。
采煤机分为截煤机、滚筒采煤机、刨煤机等，综合机械化采煤工作面中应用的是双滚筒采煤机。
双滚筒采煤机的结构如图2-2所示，主要由牵引部、截割部和电气控制部以及附属装置等组成。
图2-2电牵引采煤机的基本结构图
1－电动机；2－牵引部；3－摇臂；4－滚筒；5－底托架；6－滑靴；7－调高油缸；8－破碎头
电动机（一般都是定子水冷防爆）是滚筒采煤机的动力部分，它通过两端输出轴分别驱动两个截齿部和牵引部。
牵引部通过其主动链轮与输送机相啮合使采煤机沿工作面移动，即牵引部是行走机构。
采煤机牵引部承担着移动采煤机使工作机构连续落煤和调动的任务。
牵引部包括牵引机构和传动装置两部分。
牵引机构是直接移动机器的装置。
牵引部传动装置作用是将采煤机电动机的动力传到主动链轮或驱动轮上实现调速。
按传动方式可分为机械传动、液压传动和电牵引三种。
机械牵引是全部采用机械传动装置，工作可靠，结构复杂，故很少适用。
液压牵引式利用液压传动来驱动牵引部，能够实现无级调速，操作方便，保护系统完善。
电牵引是专门驱动牵引部电机的电动机调速从而控制调节速度，电牵引调速性能好、寿命效率高、结构简单及易于监测和保护。
托架固定在和承托整台采煤机的底架，通过其下部四个滑靴将采煤机骑在刮板输送机的槽帮上，采空区侧的两个滑靴套在输送机的导向管上，以确保采煤机的可靠导向。
底托架内的调高液压缸可是摇臂连同滚筒升降，以调节采煤机的采高。
调斜液压缸用于整体采煤机的纵向倾斜度，以适应煤层走向起伏不平的截割要求。
电器控制箱内部有各种电控元件，用于采煤机的各种电气控制和保护。
底截割部是采煤机直接落煤、装煤的部分，其消耗的功率占整个采煤机功率的80%多。
落煤部分包括工作机构和传动系统，工作机构是指滚筒和安装在滚筒上的截齿。
传动装置是指固定减速箱、要比齿轮箱和滚筒内部的传动装置。
截齿是采煤机直接割煤的刀具，按形状和安装方式不同可分为扁形截齿和镐形截齿两种。
螺旋滚筒由螺旋叶片、端盘、齿座、喷嘴等组成。
螺旋叶片用来将截落得煤推向输送机。
端盘紧贴煤壁工作，切出新的整齐煤壁。
叶片上两齿座之间装有内喷雾喷嘴用来降尘的。
采煤机一般有三种操作方式，即手动操作、两端头电按钮、遥控器操作。
手动操作，操作点在调高泵箱和电控箱上；两端头电按钮操作，电按钮集中在电气操作盒上，固定在机器两端；遥控器操作，司机随身携带无线电遥控器，可以在机身周围任何位置操作机器。
这三种操作方式的作用都是控制采煤机的牵引和摇臂的调高等。
采煤机附属装置包括调高和调斜装置，喷雾降尘装置，防滑装置和电缆拖移装置等。
2.3采煤工艺
采煤工艺按设备的不同主要可以分为炮采回采工艺、普采回采工艺、综合机械化采煤工艺。
2.3.1炮采回采工艺
炮采回采工艺过程包括打眼、爆破落煤和装煤、刮板输送机运煤、移置输送机、支柱等主要工序。
炮眼的布置一般分为单排眼，适合一般的薄煤层或软质煤、节理发育的煤层；双排眼一般适合采高较小的中硬度中厚煤层；三排眼适合采高较大、煤质坚硬的中厚煤层。
爆破工序主要器材有炸药和毫秒雷管等。
应该确定合理的间隔和起爆顺序，合理的间隔时间应该大于弹性震动延续时间（一般是4-6ms），应大于煤岩开始移动形成裂隙时间（一般是4.3-5.8ms）。
确定合理时间间隔的办法是通过现场试验，当炸药耗量低，炮眼利用率高，震动小，即为合理间隔时间。
2.3.2普采回采工艺
普通机械化采煤工作面通常由单滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机、金属支柱或者单体液压支柱和铰接梁配套，普通机械化采煤主要有落煤、装煤、运煤和支护等几个主要采煤工序。
如图2-2所示。
普采工作面采煤工艺过程如下：
1.采煤机的滚筒进入下缺口，然后由下向上采煤；
2.随采煤机之后，清理顶煤、挂顶梁；
3.在采煤机后面清理出新轨道，并在距采煤机10-15米处开始推移刮板输送机；
4.当输送机移到新机道上后，在悬挂的顶梁下面支撑金属支柱或者单体液压支柱。
当采煤机运行到工作面，进行工作时，采煤机由上向下，开始一个循环采煤。
如果煤层厚度大于滚筒的直径，不能一次采全高，采煤机由下向上牵引沿顶板采顶煤；然后，由上向下牵引沿底板采底煤。
采煤机沿工作面上往返牵引一次，才能实现一个完整的采煤循环。
图2-2普采工作面
1－但滚筒采煤机；2－刮板输送机；3－单体液压支柱；
2.3.3综合机械化采煤工艺
综采机械化采煤工作面设备布置如图2-3所示。
综合机械化采煤工作面中刮板输送机沿着煤壁方向布置，主要完成运煤工作，同时是采煤机运行导轨；双滚筒采煤机骑在刮板输送机上一边前进一边割煤；液压支架在刮板输送机上方为采煤工作支撑出一定的工作空间，输送机的推移和支架的前移是由支架底部的推移千斤顶来完成的；端头支架是用于加强工作面端部顶板支护的液压支架；转载机一端与工作面输送机相连接，另一端骑在可伸缩带式输送机的机尾上；可伸缩带式输送机是工作面运输巷中的运煤装置；乳化液泵站装在运输巷道里面，是液压支架和其它液压装置提供液压动力的设备。
图2-3电牵引采煤机的基本结构图
1－双滚筒采煤机；2－刮板输送机；3－支架；4－下端头支护；5－上端头支护；6－转载机；7－胶带输送机；8－配电箱；9－乳化液泵站；10－平板列车；
11－移动变电站；12－喷雾泵站；13－液压绞车
综采生产工艺过程主要包括割煤、运煤、支护和处理采空区4个工序。
1.割煤工序
割煤工序包括落煤和装煤。
完成落煤工序的设备是双滚筒采煤机，一般采用前滚筒在上割煤，后滚筒在下割煤。
采煤机在割煤的同时，利用滚筒的螺旋叶片和滚筒的旋转抛掷作用，把煤直接装入刮板输送机上，为了提高装煤效果，在滚筒后面装有弧形挡板。
（1）采煤机的割煤方式
采煤机割煤及与其他工序合理配合，称为采煤机割煤方式。
采煤机割煤方式可分为单向割煤和双向割煤两种。
单向割煤
单向割煤方式的特点是采煤机单程割煤，回程装煤或者空行，沿工作面往返一次进刀。
根据工作面条件不同，单向割煤工序分为下行式割煤和上行式割煤，如图2-4所示。
下行式割煤工序：
采煤机由工作面上切口下行割煤，推移输送机机尾至煤壁，采煤机继续下行至割通工作面（图a）；采煤机上行装煤或空行，随即移动机头和推输送机（图b）；采煤机运行至上端输送机机尾处，沿机尾处弯曲段斜切进刀（图c）；采煤机从机尾处开始下行割煤（图d）。
图2-4滚筒采煤机单向割煤方式
采煤机双向割煤
双向割煤采煤机沿工作面往返一次进两刀完成两个采煤循环。
双向割煤能够充分发挥采煤机的效能，提高工作面生产效率；存在的问题是工人劳动强度大，要求各种技术水平高。
（2）滚筒作业方式
双滚筒采煤机一般采用“前顶后底”的割煤方式，即前滚筒沿顶板割顶煤，后滚筒沿底板割底煤。
如图2-5所示，采煤机向右牵引时，前滚筒为右螺旋，割煤时顺时针旋转，沿顶板割煤；后滚筒为左螺旋，割煤时逆时针旋转，沿底板割煤。
向左牵引时调整滚筒摇臂，实现反向割煤。
这种割煤方式即是“前顶后底”工作方式。
图2-5双棍滚筒采煤机“前顶后底”割煤方式
（3）采煤机进刀方式
采煤机沿工作面全长割完一刀后，需要使其滚筒进入煤体，即推进一个截深的距离，以便于下一刀割煤，这一过程叫做进刀。
滚筒采煤机的进刀方式主要有推入是、正切式和斜切式。
推入式进刀法又称为预开口式进刀法。
进刀过程为：
先利用人工或者其他方法在工作面两端开好切口，即先把刮板输送机机头或机尾部位采出形成切口。
当采煤机割至工作面端部时，利用推移装置将输送机推向煤壁，然后采煤机正常割煤。
一般普采工作面单滚筒采煤机常用这种进刀。
正切进刀法是在工作面对两端用强力千斤顶将输送机及上面的采煤机滚筒推向煤壁，利用滚筒端盘端面上的截齿钻入煤壁，以实现进刀。
进刀过程：
当采煤机割煤至工作面一端后停止牵引，但是滚筒继续旋转；放下上滚筒采煤机返回割一个机身长的底煤部；开动千斤顶推移支承采煤机的输送机槽；滚筒边钻进煤壁直至钻入一个截深并移输送机；变换前后滚筒位置，采煤机割去端面残煤，再转入正常割煤。
斜切式进刀法
端部斜切式进刀法如图2-6所示。
其进刀过程为：
当采煤机割煤至工作面端头时，其后的输送机机槽已经移近煤壁，采煤机机身处还留着一端下部煤；调换滚筒位置，前滚筒降下、后滚筒升起，然后沿输送机弯曲段反向割入煤壁，直到采煤机机身进入输送机直线段为止，这时采煤机已向煤壁推进了一个截深；然后将输送机移直，调换上下滚筒位置，采煤机沿工作面正常割煤直到另一端，再重复进刀。
图2-6端部斜切进刀法
中部斜切式进刀法如图2-7，其过程为采煤机割至工作面端面时工作面成为一条直线，输送机在工作面中部弯曲；采煤机快速空牵引至工作面的中部，然后沿输送机弯曲段以正常的速度斜切进刀继续割至工作面另一端；采煤机返回快速牵引至工作面中部，然后开始割剩下未割的半段煤壁。
图2-7中部斜切进刀法
2.运煤工序
采煤机割下煤炭装入刮板输送机中，从工作面运出后转载到桥式转载机，再经带式输送机及采空区带式输送机运到采区煤仓。
综采工作面运煤工序包括工作面运煤和工作面运输巷运煤。
（1）工作面运煤
完成工作面运煤工序的设备是刮板输送机，它除了要完成运煤和清理机道浮煤，还要作为采煤机的运行轨道，以及液压支架向前移动的支点。
因此，刮板输送机是综采设备中不可分割的部分，它的性能直接影响综采面的正常生产。
（2）工作面运输巷运煤
工作面运输巷运煤主要设备室桥式转载机和带式输送机。
桥式转载机时综采面运煤系统的中间转载设备，可以纵向整体移动重型刮板输送机，它将刮板输送机运出的没转到带式输送机上。
带式输送机是工作面运输巷的专用设备，由它把煤从工作面运输巷运到装车站的煤仓中。
带式输送机机身长度可以根据工作面的需要伸长或者缩短。
3.工作面支护
综采工作面是用液压支架进行支护的。
液压支架是综采工作面的关键设备之一，它是以高压液体作为动力来完成对工作面顶板的支撑、切顶和挡矸等一系列动作。
（1）液压支架的移架方式
图2-8液压支架的移架方式
液压支架的移架方式，可分为单架依次顺序式、分组间隔交错式和成组整体依次顺序式，如图2-8所示。
单架依次顺序式，又称为单架连续式。
如图2-8a所示，支架沿采煤机的牵引方向依次前移，移动步距等于采煤机的截深，支架移成一条直线。
该方式简单，容易保证支护质量，可用于不稳定顶板；但是移架速度慢，工时长。
分组间隔交错式，如图2-8b所示。
每组2-3个架，组内按顺序前移，组间平行作业。
该方式移架速度快，能满足采煤机快速采煤的要求，但是支护质量不足，适应于稳定顶板。
成组整体依次顺序式如图2-8c所示。
该方式按顺序每次移动一组，每组2-3个架，组内联动，组间按顺序前移。
该方式移架速度快，但是支护质量差。
（2）支护方式
按支护与割煤、移架、退移输送机3个主要工序配合方式不同，综采工作面的支护方式有及时支护和滞后支护方式。
及时支护是指采煤机割煤后，支架依次或分组随机立即前移支护顶板。
这种支护方式，推移输送机后，在支架底座前端和输送机之间要一个截深的宽度，工作空间大，有利于行人、运料和通风；但是增加了工作面的控顶宽度，不利于控制顶板。
因此有的综采设备其支架和输送机采用插底式和半插底式配合方式。
滞后支护方式是指割煤后，输送机跟随采煤机先逐段向煤壁移动，然后支架再随输送机前移而依次移动。
或者是输送机先逐段移动，全部移完后，支架再依次或分组移动。
4.采空区处理
随着采煤工作面向前推进，顶板暴露面积不断增加，工作面压力也逐渐增大。
为了正常安全生产，必须对采空区的顶板及时处理。
采空区的处理方法主要根据顶岩层的性质、厚度和开采每层的厚度等因素选择的。
一般分为两种方法：
垮落法是使采空区悬露顶板自行垮落或者人为垮落后充填采空区的控制方法。
充填法是用充填材料充填采空区空间的控制方法。
2.4采煤机电液控制综合实验台的总体结构
采煤机机电液控制综合试验台是以实际电牵引采煤机（MG500/1130-WD型）按1:
6的比例设计。
采煤机机电液控制综合试验台的总体方案设计流程图如图2-9所示。
图2-9记忆截割试验台的总体方案设计流程图
首先，了解真实采煤机结构和工作原理的基础上根据比例要求确定试验台的尺寸要求。
其次，对真实采煤机结构进行简化，确定试验台的设计方案。
记忆截割试验台的设计主要分为三个部分：
机械系统的设计、电气控制系统的设计、检测控制系统的设计。
本文主要对机电液控制综合实验台的电气控制系统进行设计。
3采煤机机电液控制综合实验台的控制电路设计
3.1试验台控制电路方案设计
3.1.1试验台控制电路的设计要求
采煤机机电液控制综合试验台控制电路的设计包括两个方面，包括牵引部分和调高部分手动控制电路设计和自动控制电路设计。
牵引部采用电机驱动，采用齿轮齿轨传动方式驱动采煤机试验模型在导轨上运动，通过控制牵引部电机的正
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