采煤機截割滾筒自適應調高技術研究
2022-05-12 06:59:28李江斌
機械管理開發 2022年2期
李江斌
（晉能控股煤業集團趙莊煤業， 山西 長治 046000）
引言
采煤機工作于高粉塵、高瓦斯、高噪聲的煤礦井下綜采工作面，環境相當惡劣，采煤機司機無法準確、及時判斷采煤機截割狀態、滾筒高度，導致故障頻發，生產效率低下。目前對采煤機截割滾筒的控制仍然以手動控制為主，即采煤機司機根據實踐經驗判斷采煤機截割狀態，憑借肉眼、聲音對截割滾筒高度進行調整。采煤機截割滾筒手動控制模式存在問題主要有[1-3]：截割滾筒過高，易切割巖石，產生火花，引發瓦斯爆炸；截割滾筒過低，易降低回采率，造成資源浪費；截割滾筒切割巖石時，易產生粉塵，造成采煤機司機誤判并影響身體健康。為解決采煤機截割滾筒控制問題，煤礦行業專家、學者展開一系列研究，如通過煤巖識別、煤巖分界技術指導并控制截割滾筒高度；如在采煤機搖臂中安裝振動傳感器、油缸位移傳感器、傾角傳感器分析滾筒狀態；如建立采煤機滾筒調高數學模型和受力分析模型，利用模糊控制、滑模控制自動調節滾筒高度；如利用神經網絡技術對采煤機截割滾筒運行軌跡進行實時跟蹤，采用記憶截割法調節滾筒油缸壓力值，達到自動調高的目的。文章以采煤機截割滾筒運動規律為基礎，建立采煤機截割滾筒調高自適應控制方案，提升截割滾筒調高控制精度，減少非必要時間，提升采煤機工作效率。
1 采煤機截割滾筒運動規律分析
以某型電牽引采煤機為例，經計算簡化，建立該型采煤機截割滾筒數學模型如圖1 所示，其中L1為采煤機搖臂大臂長度，L2為小臂長度，L4為調高油缸行程，d 為截割滾筒直徑，O1為采煤機搖臂上下擺動的鉸接點，O2為調高油缸與采煤機機身的鉸接點[4-5]。
圖1 采煤機截割滾筒數學模型
1.1 截割滾筒水平方向運動規律
采煤機截割滾筒在豎直方向升高或者降低時，搖臂以采煤機銷軸為圓心進行弧線運動，水平位移也實時改變，截割滾筒豎直上升時的運動規律為：
1）截割滾筒高度低于水平機面，截割滾筒豎直上升，水平位移增大，調高范圍為[H0-H1max，H0]；
2）截割滾筒高度高于水平機面，截割滾筒豎直上升，水平位移減小，調高范圍為[H0，H0+H2max]；
3）截割滾筒高度等于水平機面，截割滾筒豎直上升且穿過水平機面；當搖臂與水平機面平行時，水平位移最大，然后減小，調高范圍為[H0-H1max，H0+H2max]。
其中，H0為采煤機搖臂擺動的基準高度，H1為采煤機搖臂低于機面時搖臂與水平機面的距離，H1max為采煤機搖臂下降至最低時與水平機面的最大距離，且有H1max=L1cosα1max，α1max為采煤機搖臂最大下擺角，H2為采煤機搖臂高于機面時搖臂與水平機面的距離，H2max為采煤機搖臂上升至最高時與水平機面的最大距離，且有H1max=L1cosα1max，α2max為采煤機搖臂最大上擺角。
采煤機截割滾筒水平方向位移可表示為式（1）[6]：
1.2 截割滾筒豎直方向運動規律
采煤機截割滾筒在豎直方向的運動過程可分為以下兩部分：
1）采煤機截割滾筒啟動時，控制電磁閥啟動，經T1延時后采煤機截割滾筒開始非勻速運動，經T2延時后，采煤機截割滾筒勻速運動；
2）采煤機截割滾筒停止時，控制電磁閥斷電，經T3延時后采煤機截割滾筒速度非勻速減慢，經T4延時后，采煤機截割滾筒停止；
其中，T1為電磁閥啟動延時時間，T2為采煤機截割滾筒啟動時的非勻速運行時間，T3為電磁閥斷電后滾筒勻速運行時間，T4為采煤機截割滾筒停止時的非勻速運行時間[7-8]。
采煤機截割滾筒在豎直方向的位移可以表示為式（2）：
式中：LA為采煤機截割滾筒啟動時的非勻速運行距離，LB為采煤機截割滾筒停止時的非勻速運行距離，vup采煤機截割滾筒勻速運行速度，tup為勻速運行時間。
2 采煤機截割滾筒調高控制方案
采煤機截割滾筒自適應調高控制方案依據采煤機截割滾筒在豎直方向、水平方向以及采煤機水平方向運動規律，計算并測量非勻速運行距離，并提前預判，控制并優化采煤機截割滾筒調高策略。采煤機截割滾筒自適應調高控制方案流程如圖2 所示，假設采煤機初始狀態為靜止態，當收到采煤機核心控制器的調高指令后，需由原地點達到目標地點并停止，根據當前采煤機截割滾筒位置計算其在水平、豎直方向的實際運動距離，根據采煤機截割滾筒是否在做勻速運動，計算采煤機運行時間T1以及截割滾筒運行時間T2，根據T1、T2關系，將采煤機截割滾筒調高控制策略分為T1=T2、T1>T2以及T1 圖2 采煤機截割滾筒自適應調高控制策略 采煤機本體水平方向運行時間與采煤機截割滾筒豎直方向的運行時間相同，即采煤機沿綜采工作面水平方向運行與截割滾筒豎直方向在同一時間點開始，可同時達到目標高度和目標位置，無需調高策略[9-10]。 采煤機本體水平方向運行時間大于采煤機截割滾筒豎直方向運行時間，即截割滾筒的調高趨勢為低于目標高度，采煤機調高電磁閥需持續工作，并且使得T2小于T1，調高電磁閥的啟停次數n 的取值為式（5）： 式中：nmax為截割滾筒調高電磁閥的最大啟停次數。 采煤機本體水平方向運行時間小于采煤機截割滾筒豎直方向運行時間，即截割滾筒調高趨勢高于目標高度，有截割矸石的風險，采煤機牽引部需持續工作，其達到目標高度的時間需大于T1，調高電磁閥的啟停次數的取值為式（6）： 式中：Imax為截割滾筒調高電磁閥的最大啟停次數。 為驗證設計并實現的采煤機截割滾筒自適應調高控制策略的正確性和適用性，以某煤礦綜采工作面適用的MG320/710 型采煤機完成調高試驗，提高范圍為0.75～2.7 m，傾角為45°，主要技術參數如表1 所示。 表1 MG320/710 型采煤機關鍵技術參數 分別完成采煤機截割滾筒上升過程、下降過程供16 組調高試驗，每一組調高試驗次數為12 次，具體為：H1min調高至H1max、H1min調高至H1、H1min調高至H1、H1調高至H1、H1調高至H1max、H1max調高至H1min、H1min調節至H1、H1調節至H1min、H1max調節至H1、H1調節至H1、H1調節至H1min。 將12 次調高試驗數據進行記錄保存并導出至excel 表格中，得到圖3—圖6 試驗曲線圖，其中圖3所示為采煤機截割滾筒上升過程時第一次調高試驗曲線，經約11 s 非勻速運動后，持續勻速運動時間達23 s，滾筒上升高度約為1 600 mm；圖4 所示為采煤機截割滾筒上升過程時第四、第五以及第六次調高試驗擬合曲線，滾筒上升高度譽為1 400 mm。采煤機截割滾筒調高試驗曲線數據與理論計算誤差小，滿足采煤機實際運行工況要求。 圖3 截割滾筒上升第一次調高 圖4 截割滾筒上升第四～六次調高 圖5所示為采煤機截割滾筒下降過程時第一次調高試驗曲線，調高高度約為1 300 mm，勻速運行時間約為13 s；圖6 所示為第四、第五以及第六次調高試驗擬合曲線，調高高度約為1 700 mm，累計勻速運行時間約為19 s，理論計算誤差小，滿足采煤機實際運行工況要求。 圖5 截割滾筒下降第一次調高 圖6 截割滾筒下降第四～六次調高 設計并實現的采煤機截割滾筒自適應調高控制策略，以采煤機工藝為前提，采煤機、截割滾筒運動規律為基礎，獲取采煤機截割滾筒上升、下降過程中的勻速、非勻速運動曲線，獲取調高電磁閥開啟、關閉延時時間，建立截割滾筒調高與動態運動過程自適應關系，提高采煤機截割滾筒調高控制精度，減少非必要時間，提升采煤機運行效率。
2.1 T1=T2 調高策略
2.2 T1>T2 調高策略
2.3 T1
3 試驗驗證
4 結語
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