采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制策略及仿真分析

霍 晶

（潞安集團(tuán)寺家莊公司， 山西 晉中 045399）

引言

采煤機(jī)為綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，其承擔(dān)工作面的截割煤炭和落煤任務(wù)。未來，隨著綜采工作面走向無人化、智能化，采煤機(jī)作為重要設(shè)備也朝著無人化、高自動化的方向發(fā)展。目前，采煤機(jī)在實際應(yīng)用中主要存在少人化、無人化自動控制功能尚未實現(xiàn)、截割性能有待提高等[1]。同時，針對采煤機(jī)截割部的變速截割研究較少，目前主要針對牽引速度的變速截割保證生產(chǎn)效率和安全性。針對此項應(yīng)用空白，本文將重點開展采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制策略研究，得出為保證最佳截割性能而采取的最佳控制策略。

1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)組成及主要參數(shù)

采煤機(jī)作為綜采工作面必不可少的設(shè)備，其主要由截割部、牽引部和相關(guān)電氣控制系統(tǒng)組成。經(jīng)研究可知，采煤機(jī)截割部負(fù)載特性與其實時截割參數(shù)和工作面煤層、地質(zhì)條件相關(guān)；采煤機(jī)牽引部負(fù)載特性與采煤機(jī)本身的推進(jìn)阻力、重量的分量以及其在推進(jìn)過程中的摩擦力相關(guān)。本文將以300 kW 采煤機(jī)為例開展研究，該型采煤機(jī)各部件的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 采煤機(jī)各部件主要參數(shù)

本文研究思路：結(jié)合上述參數(shù)分別完成牽引電機(jī)、截割電機(jī)以及相關(guān)電氣控制系統(tǒng)的模型；通過截割不同煤層模擬不同的外部載荷，驗證不同調(diào)速策略下對應(yīng)采煤機(jī)的截割性能。本次研究設(shè)定采煤機(jī)的初始牽引速度為3.6 m/min，滾筒的初始轉(zhuǎn)速為31 r/min；截割部所承受煤層的初始截割阻抗為180 kN/m，并在4 s 時截割阻抗上升為240 kN/m。

2 采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制策略

本著采煤機(jī)塊煤率、截割比能耗等參數(shù)為考核對象，對采煤機(jī)截割參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而得出在合理截割阻抗范圍內(nèi)最佳的滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度；而后，得出在不同截割阻抗范圍內(nèi)對應(yīng)的最佳控制策略；最終，得出了可應(yīng)用于采煤機(jī)的自適應(yīng)變速截割控制策略。

2.1 采煤機(jī)截割參數(shù)的優(yōu)化

評價采煤機(jī)截割參數(shù)的優(yōu)劣主要通過截割比能耗、塊煤率以及從整體綜合考慮工作面的生產(chǎn)率。其中，煤炭的塊煤率與其銷售價格、工作面的粉塵濃度等相關(guān)；在實際生產(chǎn)中，煤炭的塊煤率與滾筒的直徑、截線距以及每條截線的截齒數(shù)量相關(guān)[2]。截割比能耗為采煤機(jī)截割單位體積煤炭的能耗，該項參數(shù)最小對應(yīng)截割參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性越好；經(jīng)理論研究表明：截割比能耗隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加而呈現(xiàn)線性增加的變化趨勢；其與牽引速度成負(fù)相關(guān)的關(guān)系。采煤機(jī)的生產(chǎn)率僅與其牽引速度相關(guān)。

針對采煤截割參數(shù)優(yōu)化，以采煤機(jī)截割滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度為變量，以采煤機(jī)裝煤條件（滾筒的落煤量小于滾筒的理論裝煤量）、截割功率（截割功率和裝煤功率小于300 kW）以及牽引功率（牽引功率小于50 kW）為約束條件實現(xiàn)對采煤截割參數(shù)的優(yōu)化。本文基于粒子群優(yōu)化算法實現(xiàn)對截割參數(shù)的優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如下頁表2 所示。

如下頁表2 所示，隨著截割阻抗的增加，需要通過同時降低牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速實現(xiàn)采煤機(jī)截割比能耗、塊煤率以及生產(chǎn)率參數(shù)的綜合最優(yōu)；而且，牽引速度的減小幅度明顯低于滾筒轉(zhuǎn)速的減小幅度，說明滾筒轉(zhuǎn)速對截割參數(shù)的影響程度大于牽引速度[3]。

表2 采煤機(jī)截割參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

2.2 采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制策略

在實際生產(chǎn)中，采煤機(jī)會遇到截割阻抗增大和減小情況。因此，截割阻抗由大變小和由小變大的情況均應(yīng)該設(shè)計不同的控制策略。具體研究如下：

2.2.1 當(dāng)截割阻抗由大變小時

當(dāng)采煤機(jī)截割阻抗由大變小時，分別對1 號：先調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速后調(diào)節(jié)牽引速度、2 號先調(diào)節(jié)牽引速度后調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速、3 號同時調(diào)節(jié)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速的三種控制策略對應(yīng)的截割比能耗、生產(chǎn)率以及塊煤率三種參數(shù)的變化情況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖1 所示。

當(dāng)采煤機(jī)截割阻抗由大變小時大體調(diào)整趨勢為同時增加牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速。分析圖1 可知，當(dāng)優(yōu)先增加牽引速度時對應(yīng)的獲得的塊煤率均比其他策略高，對應(yīng)截割比能耗也比其他策略低；同時，優(yōu)先增加牽引速度可獲得更大的生產(chǎn)率[4]。因此，在截割阻抗由大變小的情況應(yīng)采用先調(diào)節(jié)牽引速度后調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速，從而獲得最佳的截割性能。

圖1 不同控制策略對應(yīng)截割參數(shù)的變化情況

2.2.2 當(dāng)截割阻抗由小變大時

當(dāng)采煤機(jī)截割阻抗由小變大時，分別對1 號：先調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速后調(diào)節(jié)牽引速度、2 號先調(diào)節(jié)牽引速度后調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速、3 號同時調(diào)節(jié)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速的三種控制策略對應(yīng)的截割比能耗、生產(chǎn)率以及塊煤率三種參數(shù)的變化情況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同控制策略對應(yīng)截割參數(shù)的變化情況

當(dāng)采煤機(jī)截割阻抗由小變大時大體調(diào)整趨勢為同時減小牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速。分析圖2 可知，當(dāng)優(yōu)先減小滾筒轉(zhuǎn)速時對應(yīng)的獲得的塊煤率均比其他策略高，對應(yīng)截割比能耗也比其他策略低；同時，優(yōu)先減小滾筒轉(zhuǎn)速而牽引速度后續(xù)調(diào)整時，該種情況為生產(chǎn)率減小最小的情況。因此，在截割阻抗由小變大的情況應(yīng)采用先調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速后調(diào)節(jié)牽引速度，從而獲得最佳的截割性能。

3 結(jié)論

1）隨著截割阻抗的增加，需要通過同時降低牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速實現(xiàn)采煤機(jī)截割比能耗、塊煤率以及生產(chǎn)率參數(shù)的綜合最優(yōu)；滾筒轉(zhuǎn)速對截割參數(shù)的影響程度大于牽引速度。

2）采煤機(jī)截割阻抗由大變小時，通過優(yōu)先增大牽引速度后增加滾筒速度的控制策略保證采煤機(jī)的截割性能達(dá)到最佳；

3）采煤機(jī)截割阻抗由小變大時，通過優(yōu)先減小滾筒速度后減小牽引速度的控制策略保證采煤機(jī)的截割性能達(dá)到最佳。.