任懷偉（1980?），河北廊坊人，研究員，中國煤炭科工集團首席科學家，中國自動化學會智慧礦山專委會秘書長，《工礦自動化》青年專家委員會委員。獲得杰出工程師青年獎、全國煤炭青年科技獎。致力于煤礦工作面智能化開采、智能化煤礦系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與技術(shù)研究工作，主持和承擔國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）等國家項目10余項。研究成果獲國家科技進步二等獎1項，省部級特、一等獎10項。發(fā)表論文63篇，其中SCI/EI收錄27篇，出版專著3部，獲發(fā)明專利14項，制定國家標準3項。
工作面綜采裝備群自動化連續(xù)、穩(wěn)定協(xié)同運行是智能化開采的基礎(chǔ)。液壓支架精準推移與快速跟機技術(shù)直接影響綜采裝備群自動化連續(xù)協(xié)同運行效果，進而影響工作面智能化開采水平。目前液壓支架推移與自動跟機技術(shù)在現(xiàn)場應用時，由于地質(zhì)條件復雜多變，乳化液泵站、液壓支架等煤機裝備適應性不強，導致裝備與采場耦合關(guān)系差，出現(xiàn)液壓支架跟隨采煤機運行速度慢、推移不到位、丟架等現(xiàn)象。如何進一步提高液壓支架推移動作的精度和跟機速度，是實現(xiàn)較復雜地質(zhì)條件煤層智能化開采的前提，也是當前乃至未來重要的研究方向之一。
一、技術(shù)研究現(xiàn)狀
1、液壓支架精準推移技術(shù)
煤礦領(lǐng)域亟需實現(xiàn)精準位置控制的液壓缸有液壓支架的推移油缸和尾梁液壓缸、采煤機的調(diào)高液壓缸等。液壓支架采用乳化液作為傳動介質(zhì)，油液內(nèi)存在較多氣泡，在運動過程中易對閥體產(chǎn)生沖蝕，影響電液比例閥、高速開關(guān)閥的控制精度及可靠性，因此推移油缸常采用電磁換向閥控制。學者們通過研制大流量水基電液比例閥、設(shè)計新型邏輯閥等方式實現(xiàn)液壓支架精準推移。
大流量水基電液比例閥研究尚處于實驗室階段，存在對油污等級敏感、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜等問題，無法直接應用到實際生產(chǎn)過程中。通過增加邏輯閥的方式實現(xiàn)精準位置控制存在如下問題：① 使閥控缸系統(tǒng)更加復雜，大幅增加成本；② 延長跟機時間，未考慮液壓支架跟機速度遠小于割煤速度的現(xiàn)狀，不符合實際情況。后續(xù)研究應聚焦 2 個方面：① 研制適合井下環(huán)境的大流量高壓水基電液比例閥，并借鑒油基電液比例閥的控制算法，提高水基電液比例閥的控制精度；② 通過智能優(yōu)化控制算法預估每次動作的提前量，確保實際停止位置為目標位置。
2、 液壓支架快速跟機技術(shù)
液壓支架自動跟機相較于人工控制速度慢，且推移不到位、丟架等情況時有發(fā)生，原因主要是：① 跟機工藝不合理；② 供液系統(tǒng)不穩(wěn)定；③ 移架工序設(shè)計不合理。因此，應從優(yōu)化跟機工藝、穩(wěn)壓供液、快速移架等方面提高跟機速度，實現(xiàn)液壓支架快速跟機。
（1） 優(yōu)化跟機工藝。學者們從工序順序優(yōu)化和工序動作時間預測 2 個方面提高跟機速度，提高了自動跟機工藝對采場環(huán)境、裝備狀態(tài)的適應性，有效縮短了液壓支架跟機時間，提高了裝備自動化率，加快了跟機速度。但相關(guān)技術(shù)在工程應用中存在以下問題：① 液壓支架無法根據(jù)采煤機速度動態(tài)調(diào)整跟機工藝；② 受傳感器感知技術(shù)、通信技術(shù)、邊緣端數(shù)據(jù)處理能力等制約，基于設(shè)備狀態(tài)的自動跟機工藝仍處于理論研究階段，尚無工程實例。
（2） 穩(wěn)壓供液技術(shù)。學者們通過控制乳化液泵站壓力的恒定實現(xiàn)穩(wěn)壓供液，但未考慮多支架協(xié)同動作時，供給每臺液壓支架的壓力、流量均會受到影響，從而影響液壓支架動作速度及效果。
（3） 快速移架技術(shù)。一般認為，可以通過減少推移時間或升降柱時間來提高移架速度，實現(xiàn)快速移架。在減少推移時間方面，目前主流的方法是將大采高液壓支架的推移油缸倒置略傾斜安裝，在保證移架力大于推溜力的前提下，提供一定的向上抬底力，避免出現(xiàn)扎底情況，減少推移時間。在減少升降柱時間方面，分析影響升降柱速度的因素并通過改進液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來提高動作速度是當前的研究熱點。
采用增大乳化液泵站工作壓力、增加多臺泵提高工作流量的方式來加快移架速度存在以下難題：① 遠距離高壓流體輸送技術(shù)中的壓降大和高壓產(chǎn)生的爆管問題短期內(nèi)難以解決；② 增大工作壓力、流量會相應地增加油液管路通徑，造成管路布置困難。
二、解決難題的技術(shù)途徑
（1） 工作面供液系統(tǒng)恒壓控制。在每臺液壓支架進液端增加壓力動態(tài)補償裝置（蓄能器），以減小供液系統(tǒng)的壓力波動，補償壓力損失，保證系統(tǒng)穩(wěn)定供液，達到液壓支架動作時油液壓力、流量變化不大的目的。
（2） 提高液壓支架推移控制精度。采用一種帶位置反饋的電磁換向閥控缸位置控制系統(tǒng)，通過傳感器感知油液壓力、流量、活塞桿位移等狀態(tài)參數(shù)，采用智能優(yōu)化控制算法預估到達目標位置的提前量，超前控制換向閥動作，實現(xiàn)液壓支架精準動作控制。
（3） 保障液壓支架自動跟機效果?；跁r序的自動跟機控制無法適應圍巖、供液系統(tǒng)等各種環(huán)境參數(shù)的變化，因此采用基于設(shè)備感知+時序控制的跟機策略，以傳感器感知的設(shè)備狀態(tài)為判斷條件，優(yōu)先控制液壓支架動作，并在工作中根據(jù)環(huán)境參數(shù)、人工操作數(shù)據(jù)優(yōu)化跟機移架的工藝節(jié)拍。
（4） 提高工作面整體跟機速度。采取基于采煤機速度動態(tài)調(diào)整的移架方式，在支護效果與移架速度間找到平衡點，實現(xiàn)快速跟機。先根據(jù)工作面地質(zhì)條件，確定可以采用的移架方式，再通過現(xiàn)場測試獲得不同移架方式對應的采煤機割煤速度范圍。自動跟機程序根據(jù)采煤機實時速度，按照預設(shè)的移架方式自動跟機，增強工作面裝備間的協(xié)調(diào)性和對采場環(huán)境的適應性，實現(xiàn)液壓支架快速跟機和工作面快速推進。
三、技術(shù)發(fā)展趨勢
（1） 集中?分布式敏捷高效供液。在現(xiàn)有乳化液泵站集中供液的基礎(chǔ)上，研究分布式液壓支架獨立自供液壓力、流量動態(tài)補償裝置，實現(xiàn)對液壓支架動作的高效敏捷供液，保障液壓支架動作穩(wěn)定性和快速性。
（2） 液壓支架控制器邊緣計算能力提高。為實現(xiàn)基于液壓支架精準推移與快速跟機的智能化開采，邊緣端需要處理的數(shù)據(jù)量顯著增加。傳感器數(shù)據(jù)高頻采集、智能優(yōu)化控制算法快速處理、控制信號高速傳輸都要求液壓支架端具有優(yōu)秀的邊緣數(shù)據(jù)采集和處理能力，因此液壓支架控制器邊緣計算能力的日益提高是未來發(fā)展的重要趨勢之一。
（3） 跟機控制策略對采場環(huán)境適應性增強。與現(xiàn)有固化單一的跟機控制策略不同，未來跟機策略對采場環(huán)境的適應性將明顯增強，液壓支架動作不到位、過飽和動作情況將大幅減少，工作面人數(shù)顯著減少，為提高簡單地質(zhì)條件煤層的智能化水平、實現(xiàn)少人化開采提供技術(shù)保障。同時，對較復雜地質(zhì)條件煤層實現(xiàn)智能化開采具有積極意義。
（4） 采場?裝備動態(tài)耦合與跟隨控制。未來需增強乳化液泵站、液壓支架、采煤機等工作面裝備與采場環(huán)境的適應性與協(xié)調(diào)性，提高工作面智能化開采水平，做到“提智亦提效”。
引用格式
任懷偉，張帥，張德生，等. 液壓支架精準推移與快速跟機技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 工礦自動化，2022，48（8）：1-9, 15.
REN Huaiwei, ZHANG Shuai, ZHANG Desheng, et al. Research status and development trend of hydraulic support precision pushing and fast follow-up technology[J]. Journal of Mine Automation，2022，48（8）：1-9, 15.
來源：工礦自動化
