煤礦井下采煤機(jī)截割驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

郭文喜

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)鹿臺(tái)山煤業(yè)， 山西 晉城 048006）

引言

作為煤礦井下“三機(jī)”設(shè)備之一，采煤機(jī)在井下綜采作業(yè)中扮演著極其重要的角色，在截割煤炭時(shí)，采煤機(jī)依靠截割驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制搖臂的升降和截割滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，控制采煤機(jī)按照一定的截割軌跡進(jìn)行截割作業(yè)，但由于煤礦井下高塵、低能見度，人工控制采煤機(jī)的運(yùn)行存在著較大的偏差，經(jīng)常出現(xiàn)采煤機(jī)截齒觸頂事故，造成截齒折斷，影響采煤機(jī)的運(yùn)行安全，而且由于采用了單一的牽引調(diào)速方案，在不同的截割阻力作用下只能通過調(diào)整采煤機(jī)的進(jìn)給速度來確保截割作業(yè)時(shí)截齒的安全性，導(dǎo)致對(duì)井下綜采效率產(chǎn)生了較大的影響[1]。本文提出了一種新的采煤機(jī)截割驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)以記憶截割和變速截割控制為核心，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)截割路徑規(guī)劃和控制的全自動(dòng)化，而且能夠根據(jù)綜采作業(yè)時(shí)作用在截齒上的截割阻力的不同，通過對(duì)采煤機(jī)進(jìn)給速度和截割轉(zhuǎn)速的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)在不降低綜采作業(yè)效率情況下降低作用在截齒上的截割阻力，極大地提升了采煤機(jī)煤礦井下綜采作業(yè)的自動(dòng)化程度和穩(wěn)定性，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 采煤機(jī)截割驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

采煤機(jī)的截割驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該控制系統(tǒng)以記憶截割和聯(lián)合調(diào)速控制為核心，滿足采煤機(jī)在煤礦井下復(fù)雜地質(zhì)條件下高效、穩(wěn)定的截割作業(yè)需求。在實(shí)際工作過程中該截割控制系統(tǒng)首先采用人工截割作業(yè)方式建立截割作業(yè)參考路徑，然后投入記憶截割控制的過程中，系統(tǒng)開始執(zhí)行自主截割控制，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)截割阻抗進(jìn)行判斷，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的控制邏輯的不同，根據(jù)截割阻抗的變化情況選擇最佳的聯(lián)合截割控制策略，通過控制采煤機(jī)截割轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度來滿足截割控制需求。

圖1 采煤機(jī)截割驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)

采煤機(jī)的記憶截割控制流程主要包括人工示范和記憶自動(dòng)截割兩個(gè)方面[2]，其控制流程如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)記憶截割控制流程示意圖

由圖2 可知，該采煤機(jī)的記憶截割控制系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，首先由人工通過遙控器或者操作手柄控制采煤機(jī)的截割機(jī)構(gòu)并根據(jù)井下綜采面的實(shí)際情況進(jìn)行截割作業(yè)，控制系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)在截割作業(yè)過程中各個(gè)位置處的截割結(jié)構(gòu)的截割高度、進(jìn)給速度、截割轉(zhuǎn)速等進(jìn)行記錄，作為后續(xù)采煤機(jī)自動(dòng)控制截割作業(yè)時(shí)的參考。當(dāng)采煤機(jī)轉(zhuǎn)換到記憶截割控制模式后，采煤機(jī)的記憶截割控制中心根據(jù)采煤機(jī)在綜采作業(yè)時(shí)的位置與人工控制作用下的截割狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比和修正，控制采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的自動(dòng)截割作業(yè)。該記憶截割控制的過程中如果作用在采煤機(jī)截割滾筒上的截割阻力顯著大于記憶截割階段時(shí)的阻力狀態(tài)，則系統(tǒng)將對(duì)此時(shí)的截割阻力與系統(tǒng)設(shè)定的截割阻力情況對(duì)比，通過變速截割控制實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給速度和截割速度的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，滿足在不同截割阻力狀態(tài)下的靈活調(diào)控需求。

3 采煤機(jī)變速截割控制策略

采煤機(jī)在煤礦井下綜采作業(yè)過程中由于煤層的地質(zhì)條件不同，各個(gè)區(qū)域內(nèi)的煤層的硬度和塊煤率存在差異，因此采煤機(jī)在截割作業(yè)過程中煤壁作用在截齒上的截割阻抗存在著較大的變化，傳統(tǒng)的保持截割轉(zhuǎn)速不變而改變采煤機(jī)牽引速度的方案會(huì)極大地降低采煤機(jī)綜采作業(yè)的效率[3]。為了提升采煤機(jī)煤礦井下綜采作業(yè)的效率，通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)作用在采煤機(jī)上的截割載荷發(fā)生變化時(shí)，通過調(diào)整截割滾筒的轉(zhuǎn)速同樣能夠降低作用在采煤機(jī)上的截割阻抗，而通過對(duì)采煤機(jī)進(jìn)給速度和截割速度的聯(lián)合調(diào)整就能夠?qū)崿F(xiàn)在對(duì)采煤機(jī)綜采作業(yè)效率和穩(wěn)定性的平衡。通過對(duì)煤礦井下煤層截割阻抗的研究，截割阻抗一般分為五個(gè)等級(jí)，第一個(gè)等級(jí)的截割阻抗為180～216 N/mm，第二等級(jí)為216～252 N/mm，第三等級(jí)為252～288 N/mm，第四等級(jí)為288～324 N/mm，第五等級(jí)為324～360 N/mm[4]，以采煤機(jī)綜采作業(yè)截割阻抗由271 降為240 N/mm時(shí)對(duì)截割轉(zhuǎn)速和牽引速度進(jìn)行聯(lián)合調(diào)解作用下的截割能效比HW變化情況進(jìn)行分析：假設(shè)初始時(shí)采煤機(jī)的截割轉(zhuǎn)速n=31.1 r/min，牽引速度vq=3.61 m/s，截割阻阻抗A=271 N/mm；調(diào)整后，采煤機(jī)的截割轉(zhuǎn)速n=34.6 r/min，牽引速度vq=4.13 m/s，截割阻阻抗A=240 N/mm，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 聯(lián)合調(diào)速下截割能效比變化情況

由實(shí)際聯(lián)合調(diào)速情況下采煤機(jī)的截割能效比變化情況可知，當(dāng)采煤機(jī)的截割滾筒的轉(zhuǎn)速增加時(shí)，采煤機(jī)的截割能效比是逐漸增大的，而當(dāng)采煤機(jī)增加牽引速度時(shí)，采煤機(jī)的截割能效比呈現(xiàn)了逐漸下降的趨勢(shì)，由此可知，截割能效比和采煤機(jī)截割滾筒轉(zhuǎn)速成正比和采煤機(jī)的牽引速度成反比，因此在采煤機(jī)井下綜采作業(yè)的過程中，不同截割阻抗情況下應(yīng)優(yōu)先采用增加截割滾筒轉(zhuǎn)速，降低牽引速度的截割策略，確保在滿足截割作業(yè)安全的情況下提升采煤機(jī)的截割能效比和截割效率。

4 結(jié)論

1）該截割控制系統(tǒng)采用記憶截割控制，能夠滿足在井下復(fù)雜環(huán)境條件下的自動(dòng)截割需求，為實(shí)現(xiàn)煤礦井下無人化作業(yè)奠定了基礎(chǔ)；

2）該截割控制系統(tǒng)采用了變速截割控制策略，能夠根據(jù)不同的截割阻抗選擇最佳的調(diào)速控制策略，極大地提升了采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)的效率。