基于整定模糊控制的采煤機自適應截割策略的研究

盧 喬

（山西焦煤西山煤電晉興公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

受科技發展和經濟等因素的影響，我國多數煤礦所使用的采煤機自動化程度較低，工作時需要人工對其截割路徑、進給速度、截割轉速等進行控制，但在實際工作中由于煤礦井下的粉塵濃度高、視野條件差等因素，極易導致綜采作業時采煤機發生觸頂、截割路徑偏差大、回采率低的問題，不僅嚴重影響了煤礦井下的綜采作業效率，而且也給工人的生產造成了較大的安全隱患。同時人工控制采煤機進行綜采作業也容易導致截割過程中的塊煤率低下、粉塵量大，進一步加劇了井下綜采作業的難度。因此為了提升井下采煤機綜采作業的自動化程度，降低截割過程中的能源消耗，本文提出了一種基于整定模糊控制的采煤機自適應截割控制策略，通過建立自動控制檔案，實現采煤機井下作業時根據截割阻力變化情況的自適應截割控制，滿足綜采作業智能化的需求，提升煤炭生產企業的經濟效益[1-2]。

1 采煤機截割受力的分析

采煤機在工作時其截割電機所發出的截割轉矩經過減速機構及截割滾筒后傳遞到煤層上，通過旋轉擠壓將煤炭從煤壁上剝離下來，截割作業過程中采煤機截割滾筒的受力分析如圖1 所示，由此可知，在截割作業過程中作用在采煤機截割滾筒上的力可表示為[1]：

式中：Fx為作用在截割機構x軸方向上的分力，N；n為截割機構同時參與截割的截齒的數量，個；Xi為第i個截齒所受的到的側向力，N；Fy為作用在截割機構y軸方向上的分力，N；Zi為第i個截齒所受到的截割阻力，N；φi為第i個截齒的位置角，（°）；Yi為采煤機第i個截齒的進給阻力，N；Fz為作用在截割機構y軸方向上的分力，N。采煤機工作受力結構示意圖如圖1 所示。圖中：vq表示采煤機的進給速度，Ff采煤機的推進阻力[3]。

圖1 采煤機工作受力結構示意圖

當采煤機在進行進給運動時，還需要克服在前進過程中的推進阻力的作用，為了簡化分析，本文在設定采煤機在牽引方向上的載荷可表示為[2]：

式中：Ky為采煤機的進給阻力系數；G為采煤機的整機重力，N；fq為采煤機的進給摩擦阻力系數；β 為采煤機的工作傾角。

2 煤層的阻抗識別及截割參數的優化

采煤機截割機構在進行綜采作業時，其進給速度vq和截割滾筒的截割轉速ω 是影響其綜采效率和塊煤率的主要因素。為了確保截割驅動電機的工作穩定性，采煤機工作時所受到的截割阻抗直接會反應到采煤機的截割滾筒上的受力。在采煤機的牽引速度和截割滾筒轉速一定的情況下，其截割載荷的大小主要取決于煤層的截割阻抗，因此可以利用采煤機工作時截割驅動電機工作電流的波動情況來表征煤層的截割阻抗的大小，本文通過搭建采煤機截割傳動試驗平臺對截割作業時的截割負載和截割驅動電機工作電流的關系進行研究，其結果如圖2所示[4]。

圖2 滾筒負載與電機電流值的關系曲線

根據煤層的阻抗特性，及圖2 所示（圖中電流的曲線僅表示電流變化趨勢，不表示具體值）的采煤機滾筒負載和采煤機截割驅動電機電流的關系，將井下煤層的截割阻抗劃分為五個等級，在每個阻抗等級中分別設定一個最適應的采煤機截割滾筒的轉速和采煤機的牽引速度，采煤機控制系統自動根據截割阻力的變化判斷出所處的截割阻抗范圍，然后選擇所匹配的截割控制參數，實現自適應控制調整，井下煤層的阻抗劃分范圍如圖3 所示。

圖3 井下煤層截割阻抗區間劃分

通過對采煤機在不同截割阻抗下的電機工作特性及整機工作時的動態截割特性的研究[3]，建立了不同截割阻抗下的采煤機截割轉速ω 和進給速度vq的最優工作參數表，其對應關系如圖4 所示，通過此對應關系可以實現由截割控制系統根據截割阻抗精確調整所需的截割轉速和進給速度。

3 基于整定模糊的自適應截割策略

由于煤礦井下地質條件復雜，同一區間內煤層的截割阻抗的變化情況較大且頻繁，為了提升截割控制系統工作時電機的調速性能，在該控制系統中采用了整定模糊控制器來實現對截割速度和進給速度的調節。其工作時以截割電機的理論轉速和實際轉速的偏差及偏差變化率為輸入變量[4]，經過模糊控制器的模糊推理后，進行整定參數調整，實現對電機工作調速性能的優化控制，其自適應截割控制策略的控制原理如圖5 所示。

圖4 采煤機截割參數的分級優化

圖5 整定模糊控制的自適應截割策略原理

為了驗證該自適應截割控制策略的控制效果，本文以某截割試驗平臺為基礎對采煤機在不同阻抗下的調速控制策略的實際工作情況進行分析驗證，其結果如圖6 所示（圖中①③分別表示截割阻抗為1 級、3 級的情況）。

由試驗驗證結果可知，當截割阻抗發生變化后，采煤機的牽引速度的截割轉速均能及時發生對應的調整，首先是截割滾筒轉速降低，然后在是牽引速度降低，如此可在確保截割穩定性的基礎上大幅降低采煤機工作參數以調整對綜采效率帶來的影響。

圖6 采煤機截割參數隨阻抗的變化情況

4 結論

1）該控制系統以截割電機的理論轉速和實際轉速的偏差及偏差變化率為輸入變量，經過模糊控制器的模糊推理后，進行整定參數調整，實現對電機工作調速性能的優化控制；

2）通過對截割阻抗劃定區間并設定不同區間內采煤機最優運行控制參數的方案，能夠降低綜采時采煤機速度調節時間，確保綜采作業效率；

3）該自適應截割控制策略能夠實現對采煤機綜采作業的自適應控制，極大提升了采煤機工作時的自動化和智能化程度，具有極大的應用推廣價值。