具有自適應截割功能的掘進機控制系統研究

劉順強

【摘? 要】論文分析了工作載荷對懸臂式掘進機截割性能、效率造成的影響，指出截割控制要保證截割頭的轉速與工作載荷相適應、匹配，從而實現平穩、高效截割。論文從變頻電機、增加轉矩包絡線控制功能以及主控制器三個方面分析了自適應截割控制策略，對具有自適應截割功能的掘進機控制系統的硬件及軟件進行設計，經實踐證實該系統實時性好、可靠性高，可滿足自適應截割需求。

【Abstract】This paper analyzes the influence of working load on the cutting performance and efficiency of boom-type roadheader， and points out that cutting control should ensure that the speed of cutting head is adapted and matched with the working load， so as to realize stable and efficient cutting. The paper analyzes the adaptive cutting control strategies from the three aspects of variable frequency motor， increasing torque envelope control function and main controller， and designs the hardware and software of the control system of roadheader with adaptive cutting function. The practice shows that the system has good real-time performance and high reliability， which can meet the requirements of adaptive cutting.

【關鍵詞】懸臂式掘進機;自適應截割;變頻電機;控制系統;換檔

【Keywords】boom-type roadheader; adaptive cutting; variable frequency motor; control system; gear shifting

【中圖分類號】TD42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）07-0178-02

1 引言

基于工頻控制的掘進機截割控制的適應性差，容易出現截割電機過載、設備沖擊等問題，造成掘進機使用壽命縮短。本文提出具有自適應截割功能的掘進機控制系統，可依據截割電機的實時荷載對截割頭轉速進行調整，實現自適應截割，滿足復雜截割工況的需求。

2 自適應截割控制的目的

自適應截割控制是為了應對掘進機截割過程中工作載荷變化現象而提出的。懸臂式掘進機截割過程中，掘進機結構參數、截割操作參數、截割對象的特性等都會對工作載荷造成影響，現場工作經驗以及試驗研究均證實，巖石的機械物理特性在很大程度上影響了懸臂式掘進機的工作載荷，巖石的單向抗壓強度對工作載荷造成的影響最大，當對具有較大單向抗壓強度的巖石進行截割時，此時單刀切削力增加。通常都會采用降低截割頭轉速、增加電動機功率的方法增加單刀力，但是一些問題也隨之而來：當對一些單向抗壓強度不高的巖石進行截割時，大功率電機不處于滿載運行狀態，截割轉速不高，因此，工作效率相對較低;對硬度相同的巖石進行截割時，轉速過低時會造成機器振動幅度及截割扭矩增加，因此，截割頭的轉速要與截割對象的單向抗壓強度相協調[1]。

懸臂式掘進機的升降油缸、回轉引起截割臂擺動速度的變化是最為主要的截割操作參數，其對截割效果以及工作載荷造成直接影響。通常而言，當巖石的單向抗壓強度不高時，此時要采用較大的擺動速度來增加截割沖擊，從而實現高效截割;當巖石單向抗壓強度比較大時，此時的截割擺動速度要減緩，將截割沖擊降低，實現穩定截割。

掘進機的結構特點決定了截割臂擺動會造成截割頭受到的載荷動態變化，但是設計之時結構參數已經固定，工作時無法進行調節，只能通過調節截割臂的擺動速度或截割頭的轉速來調節沖擊載荷。為了確保截割效果最優，必須保證截割臂的擺動速度、截割頭的轉速能與工作荷載適應，且截割臂的擺動速度、截割頭的轉速要相互匹配。

3 自適應截割控制的策略

自適應截割控制基于整個截割系統的控制來應對截割負載變化。

第一，采用掘進機專用變頻電機，功率200kW，電壓1140V，扭矩可依據轉速變化從2000N·m調整為4200N·m。

第二，截割變頻器基于以往的轉速閉環控制增加轉矩包絡線控制功能，當檢測發現計數器值等于定值時進行轉速PID運算，依據電機特性曲線來對輸出轉矩值限幅，輸出值、轉速變換控制環節增加了轉矩限幅的環節，進而控制輸出轉矩。依據變頻器的多段速功能來設置高速檔1500rpm、中速檔1000rpm以及低速檔500rpm，分別適用于煤和半煤巖、半煤巖及煤巖。高速檔轉速高、轉矩小，可確保掘進機具有較高的截割效率;中低速檔降速增扭，從而增強掘進機的破巖能力。