突變工況下滾筒式采煤機調速控制策略研究

賀京華

（山西鄉寧焦煤集團毛則渠煤炭有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

滾筒式采煤機是綜采工作面的關鍵設備，對綜采工作面產能的提高以及檢修效能的提升有著重要的促進作用。采礦作業效率的提升，對采煤機的性能及相關設備有著更高的要求。為此，本文在研究的過程中以MG300/700-WD電牽引采煤機為研究對象，針對煤層巖石發生的突發狀況，提出相應的計算方法，進而計算出煤層截面切割阻層的抗性，然后依據滾筒荷載的特殊工作性質與巖石破壞的能力，制定出不同的控制策略，最終對控制策略進行分析和對比，并得出相關的總結和建議。

1 滾筒式采煤機耦合模型建立

為了對不同情況下的截割工作狀況進行深入研究和分析，本文基于采煤機的工作特性以及其變速控制的方式手段，創建了相應的控制模型，即采煤機牽引部、截割部和控制系統的整機耦合控制，為截電機和牽引電機的雙向頻率變化的速度調節打下堅實的基礎[1]。

1.1 模型建立

圖1為滾筒式采煤機截面切割部分的啟動系統動力學模型。由于綜合采煤的工作面條件不是很好，一旦遇到較硬的煤層或是雜巖時，就會使采煤機的機齒或是其他部件發生嚴重的損耗，進而影響到采煤的工作效率。所以，對滾筒式采煤機的調速控制進行深入研究分析便顯得尤為重要，特別是可以更好地應對一系列的突發狀況[2]。圖中：i1為簡化后的減速比，Jd為等效之后的滾筒慣量，Mm1為截割電機的輸出轉矩，Md為截割滾筒的負載荷轉矩，θm1為截割電機轉子角位移，θd截割滾筒的角位移，cmpe1為電機阻尼，kmpe1為第1級齒輪連接部分的剛度，cpd1為低速端齒輪聯結區域的等效阻尼，kpd1為滾筒連接軸的等效剛度。

圖1 截割驅動模型

忽略齒輪的平移、扭擺振動，重點關注齒輪的扭轉自由度，如圖1所示，驅動系統的數學模型是：

式中：δ1為角位移矩陣，[M1]為質量矩陣，[C1]為阻尼矩陣，[K1]為剛度矩陣，{P1}為載荷矩陣。忽略其余的誤差，只關注齒輪時變剛度的作用，它的剛度計算公式可以表現為：

輪齒的嚙合阻尼是：

式中：ξv為嚙合阻力比；Rp1為主齒輪半徑，m；Rg1為從齒輪半徑，m；Jp1、Jg1為主、從齒輪的轉動慣量，kg·m2。

兩個齒輪的動態嚙合力為：

式中：θp1為主齒輪的旋轉角位移，rad；θg1為從齒輪的旋轉角位移，rad˙p1為主齒輪的角速度，r/s˙g1為從齒輪的角速度，r/s。

采煤機的牽引數學模型為：

式中：{δ2}為角位移矩陣，[M2]為質量矩陣，[C2]為阻尼矩陣，[K2]為剛度矩陣，{P2}為載荷矩陣。

1.2 滾筒負載和牽引阻力

Md為滾筒負載，關鍵點在滾筒切向截割的阻力矩：

式中：n為參加截割的截齒數目；Dc為滾筒的直徑，m；Zi為單齒的平均截割切向力，N。那么：

式中：Ap為煤層平均截割阻抗，kN/m；t為截齒切削寬度，m；Kz、Ky、Kψ、Kc為煤層巖石相關系數；bp為截齒的寬度；β為截齒相對于采煤機推進方向偏轉角，（°）；hm為截齒的平均削厚度，m。那么：

式中：φμ為煤體對滾筒的圍包角，（°）；vq為牽引速度，m/min；ng為滾筒速度，r/min；m 為相同截線的齒數。

牽引阻力矩的公式為：

式中：r為行走輪半徑，m；Ff為導向滑靴與軌道之間的摩擦阻力；Ft為采煤機自重；Fy為滾筒截齒產生的與牽引方向相反的推進阻力。

綜合上述的內容，可以得出采煤機整機控制模型耦合與控制原理，如圖2所示。

圖2 采煤機整機控制模型耦合和控制原理

2 滾筒式采煤機調速控制策略研究

為了可以有效應對不同的工作狀況，并保證采煤的效率不會受到嚴重影響，進而提出了牽引控制協調策略。如圖3所示，截割電機以特定的轉矩工作的調速范圍是[ω，ωe]，那么滾筒的調速范圍是[ng，ngmax]。

由公式（10）可推算出 Te：

圖3 截割電機調速控制特性

式中：i0為截割部總減速比；η為機械系統傳動效率。

可以在電機額定轉矩Te、滾筒直徑Dc等參數已知情況下，確定工作時滾筒破煤能力與滾筒轉速ng的關系：

依據公式（10），使牽引速度vq不發生變化，逐步控制滾筒的速度上升到最大ngmax值，然后調節滾筒破煤的截割阻抗閾值Ap_cri：

由此可知，將Ap_cri值當作是滾筒調速控制策略及牽引調控策略的轉換點，進而制定出如下調控策略[3]：當煤層突然變化的荷載阻抗值Ap≤Ap_cri時，能夠從優選擇使用滾筒調速控制策略；當煤層突然變化的荷載阻抗值Ap＞Ap_cri時，能夠從優選擇使用牽引滾筒調速控制策略。

從全方位考慮采煤機安全運行及采煤效益提升的角度來看，按照對象截齒平均切削的厚度計算方式與突發狀況下的調控裝換條件，提出了滾筒式采煤機的速度調節的控制方法。

3 結論

運用基于采煤機的工作原理建立的牽引部、截割部及控制系統的整機模型，對突變工況下滾筒采煤機進行控制，能夠轉變采煤方式，改善采煤情況，降低采煤風險，提高采煤效率。