任懷偉（1980?），河北廊坊人，研究員，中國煤炭科工集團(tuán)首席科學(xué)家，中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)智慧礦山專委會(huì)秘書長，《工礦自動(dòng)化》青年專家委員會(huì)委員。獲得杰出工程師青年獎(jiǎng)、全國煤炭青年科技獎(jiǎng)。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(dān)國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）等國家項(xiàng)目10余項(xiàng)。研究成果獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)特、一等獎(jiǎng)10項(xiàng)。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(xiàng)，制定國家標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)。
工作面綜采裝備群自動(dòng)化連續(xù)、穩(wěn)定協(xié)同運(yùn)行是智能化開采的基礎(chǔ)。液壓支架精準(zhǔn)推移與快速跟機(jī)技術(shù)直接影響綜采裝備群自動(dòng)化連續(xù)協(xié)同運(yùn)行效果，進(jìn)而影響工作面智能化開采水平。目前液壓支架推移與自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，乳化液泵站、液壓支架等煤機(jī)裝備適應(yīng)性不強(qiáng)，導(dǎo)致裝備與采場耦合關(guān)系差，出現(xiàn)液壓支架跟隨采煤機(jī)運(yùn)行速度慢、推移不到位、丟架等現(xiàn)象。如何進(jìn)一步提高液壓支架推移動(dòng)作的精度和跟機(jī)速度，是實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜地質(zhì)條件煤層智能化開采的前提，也是當(dāng)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(zhǔn)推移技術(shù)
煤礦領(lǐng)域亟需實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(jī)的調(diào)高液壓缸等。液壓支架采用乳化液作為傳動(dòng)介質(zhì)，油液內(nèi)存在較多氣泡，在運(yùn)動(dòng)過程中易對(duì)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(xué)者們通過研制大流量水基電液比例閥、設(shè)計(jì)新型邏輯閥等方式實(shí)現(xiàn)液壓支架精準(zhǔn)推移。
大流量水基電液比例閥研究尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，存在對(duì)油污等級(jí)敏感、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，無法直接應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中。通過增加邏輯閥的方式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置控制存在如下問題：① 使閥控缸系統(tǒng)更加復(fù)雜，大幅增加成本；② 延長跟機(jī)時(shí)間，未考慮液壓支架跟機(jī)速度遠(yuǎn)小于割煤速度的現(xiàn)狀，不符合實(shí)際情況。后續(xù)研究應(yīng)聚焦 2 個(gè)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(yù)估每次動(dòng)作的提前量，確保實(shí)際停止位置為目標(biāo)位置。
2、 液壓支架快速跟機(jī)技術(shù)
液壓支架自動(dòng)跟機(jī)相較于人工控制速度慢，且推移不到位、丟架等情況時(shí)有發(fā)生，原因主要是：① 跟機(jī)工藝不合理；② 供液系統(tǒng)不穩(wěn)定；③ 移架工序設(shè)計(jì)不合理。因此，應(yīng)從優(yōu)化跟機(jī)工藝、穩(wěn)壓供液、快速移架等方面提高跟機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)液壓支架快速跟機(jī)。
（1） 優(yōu)化跟機(jī)工藝。學(xué)者們從工序順序優(yōu)化和工序動(dòng)作時(shí)間預(yù)測 2 個(gè)方面提高跟機(jī)速度，提高了自動(dòng)跟機(jī)工藝對(duì)采場環(huán)境、裝備狀態(tài)的適應(yīng)性，有效縮短了液壓支架跟機(jī)時(shí)間，提高了裝備自動(dòng)化率，加快了跟機(jī)速度。但相關(guān)技術(shù)在工程應(yīng)用中存在以下問題：① 液壓支架無法根據(jù)采煤機(jī)速度動(dòng)態(tài)調(diào)整跟機(jī)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(dòng)跟機(jī)工藝仍處于理論研究階段，尚無工程實(shí)例。
（2） 穩(wěn)壓供液技術(shù)。學(xué)者們通過控制乳化液泵站壓力的恒定實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓供液，但未考慮多支架協(xié)同動(dòng)作時(shí)，供給每臺(tái)液壓支架的壓力、流量均會(huì)受到影響，從而影響液壓支架動(dòng)作速度及效果。
（3） 快速移架技術(shù)。一般認(rèn)為，可以通過減少推移時(shí)間或升降柱時(shí)間來提高移架速度，實(shí)現(xiàn)快速移架。在減少推移時(shí)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(shí)間。在減少升降柱時(shí)間方面，分析影響升降柱速度的因素并通過改進(jìn)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來提高動(dòng)作速度是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。
采用增大乳化液泵站工作壓力、增加多臺(tái)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(yuǎn)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(huì)相應(yīng)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(tái)液壓支架進(jìn)液端增加壓力動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（蓄能器），以減小供液系統(tǒng)的壓力波動(dòng)，補(bǔ)償壓力損失，保證系統(tǒng)穩(wěn)定供液，達(dá)到液壓支架動(dòng)作時(shí)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(yù)估到達(dá)目標(biāo)位置的提前量，超前控制換向閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)液壓支架精準(zhǔn)動(dòng)作控制。
（3） 保障液壓支架自動(dòng)跟機(jī)效果。基于時(shí)序的自動(dòng)跟機(jī)控制無法適應(yīng)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(shí)序控制的跟機(jī)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(dòng)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(jī)移架的工藝節(jié)拍。
（4） 提高工作面整體跟機(jī)速度。采取基于采煤機(jī)速度動(dòng)態(tài)調(diào)整的移架方式，在支護(hù)效果與移架速度間找到平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速跟機(jī)。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(duì)應(yīng)的采煤機(jī)割煤速度范圍。自動(dòng)跟機(jī)程序根據(jù)采煤機(jī)實(shí)時(shí)速度，按照預(yù)設(shè)的移架方式自動(dòng)跟機(jī)，增強(qiáng)工作面裝備間的協(xié)調(diào)性和對(duì)采場環(huán)境的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)液壓支架快速跟機(jī)和工作面快速推進(jìn)。
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(dú)立自供液壓力、流量動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架動(dòng)作的高效敏捷供液，保障液壓支架動(dòng)作穩(wěn)定性和快速性。
（2） 液壓支架控制器邊緣計(jì)算能力提高。為實(shí)現(xiàn)基于液壓支架精準(zhǔn)推移與快速跟機(jī)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(hào)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(jì)算能力的日益提高是未來發(fā)展的重要趨勢之一。
（3） 跟機(jī)控制策略對(duì)采場環(huán)境適應(yīng)性增強(qiáng)。與現(xiàn)有固化單一的跟機(jī)控制策略不同，未來跟機(jī)策略對(duì)采場環(huán)境的適應(yīng)性將明顯增強(qiáng)，液壓支架動(dòng)作不到位、過飽和動(dòng)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(shí)現(xiàn)少人化開采提供技術(shù)保障。同時(shí)，對(duì)較復(fù)雜地質(zhì)條件煤層實(shí)現(xiàn)智能化開采具有積極意義。
（4） 采場?裝備動(dòng)態(tài)耦合與跟隨控制。未來需增強(qiáng)乳化液泵站、液壓支架、采煤機(jī)等工作面裝備與采場環(huán)境的適應(yīng)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(zhǔn)推移與快速跟機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 工礦自動(dòng)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(dòng)化
