突變工況下采煤機(jī)機(jī)電控制優(yōu)化

李春慶

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦掘進(jìn)科， 山西 古交 030200）

引言

采煤機(jī)在工作過程中，煤層本身的條件是不可控的，這導(dǎo)致截割滾筒截割煤層時(shí)受到的載荷波動(dòng)幅值大，變化劇烈。滾筒截割部機(jī)電系統(tǒng)在這類復(fù)雜的強(qiáng)沖擊載荷下非常容易損壞[1-4]。

傳統(tǒng)采煤機(jī)為降低載荷波動(dòng)的影響，通常采用恒速截割的方法，即通過降低采煤機(jī)牽引速度來降低滾筒負(fù)載，但降低牽引速度的同時(shí)會(huì)影響采煤機(jī)的生產(chǎn)效率。為更好地解決上述問題，提出了利用截割電流自動(dòng)識(shí)別，滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度聯(lián)合降載的控制策略，優(yōu)化采煤機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)[5-6]。

1 突變工況下的采煤機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)自適應(yīng)降載控制策略

研究發(fā)現(xiàn)，升高滾筒轉(zhuǎn)速和降低牽引速度均可以降低滾筒負(fù)載。不同的是，升高滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)采煤機(jī)生產(chǎn)效率沒有影響，但由于截割電機(jī)最大轉(zhuǎn)速的限制，調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速具有一定的局限性。因此，提出了牽引降載、滾筒降載互相協(xié)調(diào)的降載控制策略，如圖1 所示。

降載策略以截割電流作為判斷依據(jù)，將0.5 s 中的截割電機(jī)電流穩(wěn)定值I 作為識(shí)別基礎(chǔ)，從而有針對(duì)性地選用不同的自適應(yīng)控制策略。如邏輯框圖1所示，首先看截割電機(jī)電流I 是否超過初始額定電流，是，則需降載從而使用控制策略；否，則不改變初始牽引速度v 和滾筒轉(zhuǎn)速n。

當(dāng)截割電機(jī)電流I 超出額定電流的情況下，但未超過協(xié)調(diào)降載控制電流時(shí)，采煤機(jī)選用的控制策略是滾筒降載。采煤機(jī)滾筒的阻抗與采煤機(jī)機(jī)電系統(tǒng)截割部的電流為正比關(guān)系，通過滾筒轉(zhuǎn)矩與滾筒阻抗的關(guān)系可以得出電流與滾筒轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)值。在已知電流高于初始數(shù)值狀態(tài)后，按照減速電機(jī)額定加速度對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)的提升，待滾筒達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速后測(cè)定電流，確定電流幅值降至額定數(shù)值后，完成對(duì)采煤機(jī)的降載策略。

圖1 突變工況下自適應(yīng)降載控制策略

當(dāng)截割電機(jī)電流I 超出額定電流的情況下，同時(shí)超過滾筒降載最大電流時(shí)，按照減速電機(jī)額定加速度對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)的提升的同時(shí)，對(duì)采煤機(jī)牽引電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，確定電流幅值降至額定數(shù)值后，完成對(duì)采煤機(jī)的降載策略。

結(jié)合上述控制策略，建立電機(jī)電流與負(fù)載之間的關(guān)系，并確定最大滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)電流。

2 電機(jī)負(fù)載和滾筒負(fù)載的關(guān)系

實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在突變工況下自適應(yīng)降載，需要通過電流來感知工況的變化以確定采煤機(jī)降載控制參數(shù)目標(biāo)值[7-8]。因此需要通過電機(jī)負(fù)載和滾筒負(fù)載之間的關(guān)系來建立電流與牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

采煤工作時(shí)滾筒受力如下頁圖2 所示，分別為側(cè)向力Xij、牽引阻力Yij、截割阻力Zij，這三個(gè)力之間存在一個(gè)近似的比例關(guān)系，因此分析采煤機(jī)滾筒受力情況時(shí)，以截割阻力作為研究對(duì)象。

圖2 滾筒截割單齒受力圖

前蘇聯(lián)學(xué)者基于密實(shí)核理論，通過大量實(shí)驗(yàn)研究得到截齒受力大小與截割機(jī)構(gòu)包括截齒的幾何形狀和排列方式、截齒磨損程度、煤巖的性質(zhì)等參數(shù)之間的關(guān)系，滾筒的截割阻力Zij可由下式表示：

式中：Zij0為當(dāng)截齒銳利時(shí)單個(gè)截齒截割阻力，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)得知，Zij0與瞬時(shí)切削厚度hij成正比，N；f'為截割阻抗系數(shù)，取值范圍為0.38～0.42；δcm為單向截齒抗壓強(qiáng)度，MPa；Sa為當(dāng)截割煤層一段時(shí)間后，截齒磨損后在截割平面上的投影面積，根據(jù)煤層截割阻抗來判斷，取 1.2～0.75 cm2；Kδ為截齒排列接觸的相關(guān)影響系數(shù)和煤層礦體本身等相關(guān)參數(shù)。

瞬時(shí)切削厚度hij是由采煤機(jī)牽引速度vq和滾筒轉(zhuǎn)速n 決定的，具體公式如下：

式中：mi為對(duì)應(yīng)i 方向截線的截齒數(shù)；αij為對(duì)應(yīng)i 方向截線上截齒的圓心角。

截割阻力與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式為：

式中：D 為滾筒直徑，m。

截割電流與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式為：

式中：U 為截割電機(jī)的電壓，V；ω 為截割電機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/s；KP為截割電機(jī)受載波動(dòng)系數(shù)；η 為割部機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)效率；ic為截割部機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)比。

結(jié)合以上公式可以得到截割電機(jī)電流I 與采煤機(jī)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速的關(guān)系式。

以MG300/700 電牽引采煤機(jī)為例，MG300/700電牽引采煤機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)為截割煤層的截割阻抗150 kN/m，牽引速度6 m/min，滾筒轉(zhuǎn)速32 r/min，通過上式計(jì)算可以得到，自適應(yīng)降載策略中初始額定電流232 A。

采煤機(jī)的協(xié)調(diào)降載電流Ipg由截割電機(jī)額定功率決定，MG300/700 電牽引采煤機(jī)截割部電機(jī)額定功率為300 kW，通過計(jì)算可得滾筒的最大轉(zhuǎn)速為41 r/min，其對(duì)應(yīng)的電流為251 A。

通過上述計(jì)算得出，MMG300/700 電牽引采煤機(jī)的自適應(yīng)降載控制策略為：當(dāng)截割電機(jī)電流大于232 A 時(shí)，啟動(dòng)自適應(yīng)降載；當(dāng)電流不大于251 A 時(shí)采用滾筒轉(zhuǎn)速控制策略；當(dāng)電流大于251 A，采用協(xié)調(diào)控制策略。

3 自適應(yīng)降載控制可行性分析

為了驗(yàn)證上述調(diào)控策略的可行性，我們?cè)贛ATLAB 假設(shè)突變工況，將自適應(yīng)降載控制策略與恒速截割降載方法進(jìn)行對(duì)比分析。

假設(shè)采煤機(jī)在生產(chǎn)過程中的40 s 的時(shí)間里經(jīng)歷了兩次突變情況，如圖3 所示。第一次突變發(fā)生在第4 s 時(shí)，煤巖阻抗突然幅度增加20 N/m 并持續(xù)10 s；第二次突變發(fā)生在第25 s 時(shí)，煤巖阻抗突然幅增加130 N/m 并持續(xù)10 s。其中采煤機(jī)采煤巖層標(biāo)準(zhǔn)阻抗扭矩為150 N/m。

圖3 模擬工況隨時(shí)間變化圖

在模擬突變工況下滾筒負(fù)載的變化如圖4 所示，由于煤層載荷增大滾筒在第4 s 和第24 s 時(shí)增加到92 000 N·m 和140 000 N·m，并逐步恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載，在第14 s 和第34 s 時(shí)由于煤層載荷的減小，滾筒負(fù)載降低至57 000 N·m 和 39 000 N·m 并逐漸恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)值。從圖中可以看出，針對(duì)煤層載荷的突變，牽引降載策略與自適應(yīng)降載策略均能有效調(diào)節(jié)滾筒的負(fù)載。

圖4 突變工況下滾筒負(fù)載變化情況

圖5 突變工況下采煤機(jī)牽引速度變化情況

下頁圖5 為突變工況下采煤機(jī)牽引速度的變化情況， 從圖中可以看出，在第一次突變工況發(fā)生時(shí)，自適應(yīng)降載策略根據(jù)實(shí)際突變情況，并未對(duì)采煤機(jī)的牽引速度進(jìn)行調(diào)整，在第二次突變工況發(fā)生時(shí)，由于突變載荷較大，無法完全靠降低滾筒轉(zhuǎn)速來完成降載，自適應(yīng)降載策略將牽引速度降至3.1 m/min，這與上述理論計(jì)算的結(jié)果是相符的。由于采煤機(jī)的生產(chǎn)效率與牽引速度成正比，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)降載策略能有效的提高生產(chǎn)率10.5%。

4 結(jié)論

1）策略以機(jī)電系統(tǒng)中電流為參考值，判斷突變工況下滾筒負(fù)載，綜合調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)速及采煤機(jī)牽引速度，以適應(yīng)滾筒受力情況。

2）以MMG300-700 電牽引采煤機(jī)為例，通過理論計(jì)算，根據(jù)截割阻抗與電流的關(guān)系，制定了采煤機(jī)三種控制策略選定原則，得到當(dāng)截割電機(jī)電流小于251 A 時(shí)采用滾筒降載控制策略，截割電機(jī)電流大于51 A 時(shí)采用協(xié)調(diào)降載控制策略。

3）為了驗(yàn)證降載控制程序的正確性和有效性，利用MATLAB 仿真，對(duì)比分析了自適應(yīng)降載控制策略與傳統(tǒng)牽引降載控制策略，結(jié)果顯示自適應(yīng)降載策略在有效降低滾筒負(fù)載的基礎(chǔ)上可以提高采煤生產(chǎn)率。