基于磁流變觸覺反饋的采煤機恒功率控制系統的研究

高玉喜

（陽泉煤業集團翼城華泓煤業有限公司， 山西 神池 036100）

引言

為了充分發揮采煤機截割機構驅動電機的效能，大多數采煤機均采用了恒功率的控制方式，通常采用調整采煤機牽引速度來保證采煤機恒功率工作的方案，但采煤機在井下綜采面工作時受現場行進道路及煤層地質條件的影響極大，采煤機在將煤炭從煤壁上剝離下來時受到的截割阻力處于無規則變化狀態，因此在基于牽引速度調整的恒功率控制系統中為了確保電機在過載時不受損壞，設置有過載保護系統，這樣就出現采煤機在工作中會頻繁的出現超載時保護電路啟動，造成采煤機的停機，而當采煤機工作時負載降低時，采煤機又常常處于欠載的工作狀態，造成綜采效率低下[1]。因此現有的基于牽引速度調整的恒功率控制系統已經越來越不能滿足高效率的綜采要求，急需開發新的恒功率控制系統，滿足井下綜采面高效、可靠的采煤機綜采要求。

1 基于磁流變觸覺反饋的采煤機恒功率控制原理

在現有的恒功率控制基礎上，在控制系統中增加磁流變觸覺反饋控制系統，該控制系統主要是由磁流變阻尼器構成，利用磁流變觸覺反饋原理實現對采煤機工作過程的恒功率的控制[2]，消除目前基于牽引速度調整的恒功率控制方式在實際應用中的局限性，新型的基于磁流變觸覺反饋的采煤機恒功率控制原理如圖1所示。

由圖1可知，該恒功率控制系統在工作時，由設置在采煤機上的運行速度監測傳感設備和位于控制電路上的電流互感器設備對采煤機在實際工作時的運行速度和截割機構驅動電機的電流情況進行監測，將監測信息利用工業局域網絡傳輸到數字信號處理控制器（DSP）內，由該控制器設備根據系統設定的邏輯信號關系輸出有相應占比的脈沖寬度調制控制信號，由該調制信號對電流輸出控制器的輸出電流情況進行控制。經電流控制器調制輸出的電流在磁流變觸覺反饋控制系統內的阻尼器的線圈內通過時產生磁場，對控制系統活塞的移動產生阻力，由控制系統根據阻力的變化情況對判斷相應的運行方向，由操作者控制操作桿移動相應的位移，同時系統根據采煤機實際的位移情況反饋到數字信號處理控制器內，經數據處理后進一步的對采煤機截割電機的運轉速度進行調節。在整個控制過程中，系統會實時根據綜采面采煤機截割煤壁時的阻力的變化對采煤機的牽引速度和截割機構的運行速度進行調節，在不降低采煤機綜采效率的前提下，實現采煤機的恒功率的運行，同時也杜絕了采煤機的超載運行對截割機構造成的損壞。該控制系統的優點在于操作者在對采煤機運行狀態進行控制時并不是依賴于視覺和聽覺，而是根據采煤機運行時操作手柄的磁阻變化情況來進行操作，能極大的釋放操作者的工作強度，提高控制效率和精確性，更適合煤礦井下綜采面高塵、高噪聲的復雜環境。

圖1 基于磁流變覺反饋的采煤機恒功率控制結構示意圖

2 磁流變阻尼器的結構及工作原理

該系統采用的磁流變阻尼器的結構為剪切閥體式，主要包括線圈、本體、活塞和控制桿，其整體結構如圖2所示[3]。

圖2 磁流變阻尼器結構示意圖

由圖2可知，在本體和控制活塞頭的兩側有一定的間隙，活塞桿推動活塞運動時推動缸體中的磁流液體進行運動，從活塞和缸體之間的微縫隙處反向往另一側的缸體內流動，當阻尼線圈內有電流通過后在缸體側向間隙處會產生垂直于磁流變液體運動方向的磁場，磁流變液體在磁場磁感作用下發生流變效應，其液體形態將轉換為類粘彈塑性形態，使液體在運動過程中的阻力增加，在缸體內的活塞持續運動的作用下對類黏彈塑性形態的液體產生了一個側向剪切力作用，因磁流變液體類黏彈塑性體的抗壓強度是隨著磁通強度的變化而不斷變化的，因此在實際應用時可通過調整作用在線圈內的電流的大小改變作用在磁流變液體上的磁通的大小，進而獲得精確的、大小可轉換的阻尼作用力，達到精確控制采煤機截割機構作業速度，確保其恒功率運行。

3 采煤機恒功率控制系統的仿真分析

利用MATLAB/SIMULINK仿真分析軟件[4]，建立基于磁流變觸覺反饋的采煤機恒功率控制系統的數值仿真分析模塊，對磁流變觸覺反饋控制系統的控制效果進行仿真分析，該控制系統的數值仿真分析模塊如圖3所示。

圖3 磁流變控制系統仿真模塊

根據采煤機在實際工作時的額定工作電流情況，在進行仿真分析時對該仿真控制系統加載上振幅為10 mm，頻率為1 Hz的正弦交變激勵信號，由此可得到系統磁流變液體的阻尼的變化情況，仿真分析結果如圖4、圖5所示。

圖4 阻尼力-速度曲線

由圖4分析可知，隨著活塞桿運行速度的增加其內部液體的阻尼隨之增加，這主要是受磁流體內部黏滯阻力增加影響的原因，該速度-阻尼力的變化關系曲線與Bingham的本構關系相符合，速度越低其黏滯性越大。

圖5 阻尼力-電流曲線

由圖5分析可知，采煤機工作電流是隨著阻尼力的變化而變化的，該處表明了磁流變阻尼的可通過電流大小進行調節的可控性及阻尼調節過程的連續性，在系統中設置為上限勵磁電流強度約為1.3 A，用于防止阻尼力過大導致的運行卡阻與遲滯現象。在最小勵磁電流作用下的阻尼力約為0.48 N，在最大勵磁電流作用下的阻尼力約為25.2 N，當勵磁電流強度為0的情況下阻尼力不為0，主要是因為線圈內的材料為具有鐵磁性，在內部殘存著一定的磁阻，該特性能夠確保在系統對采煤機運行速度調節時不會出現失速現象，確保恒功率調節的平穩性。

4 結論

本文提出的采煤機恒功率控制系統，利用磁流變觸覺反饋調控精度高、反應速度快的優點實現對采煤機綜采過程的恒功率控制，解決了由于很難確保對采煤機牽引速度的靈活調節而造成的采煤機在工作中時常處于過載或者欠載的狀態等問題，確保了采煤機工作過程的穩定性，極大地提升了煤礦井下的綜采效率。