基于綜合截割性能優化的采煤機變速截割控制

聞建華

（山西焦煤集團有限責任公司官地煤礦，山西 太原 030022）

引言

作為我國工業生產的主要能源之一，煤炭的生產效率和生產安全至關重要。采煤機綜合機械化采煤方法是目前最可靠、應用最廣泛的采煤方法。傳統采煤機的滾筒轉速是恒定的，這會導致采煤效率較低且采集煤塊的整體質量較差，嚴重限制了原煤的應用價值與應用領域[1-5]。近年來，已有多位學者提出了變速截割策略，雖然這一概念尚未應用于實際現場，但其理論基礎已較為系統。本文在多位學者的研究基礎上，進一步對采煤機的變速截割控制策略進行了比較研究，提出了在不同截割工況下的優化變速截割控制策略。

1 截割性能參數分析

1.1 主要參數

采煤機的截割性能主要取決于機器的結構及運動參數。在采煤機型號確定的情況下，截割性能則主要取決于運動參數。本文選擇一種功率為300 kW的電力牽引式滾筒采煤機，對截割運動參數與變速控制進行介紹與研究，該采煤機的結構參數如表1所示。

表1 電力牽引式滾筒采煤機結構參數

因煤炭的分布不均勻，其物理性質并不穩定，采煤機在截煤時，無法實現對各種不同截割阻抗的運動參數優化。為簡化變速控制策略，將180～360 N/mm范圍內的截割阻抗劃分為5 個等級，如圖1 所示，可取每一等級中間值的牽引速度及滾筒轉速為最佳運動參數。

圖1 截割阻抗的等級劃分

1.2 截割性能

截割性能的優劣應從經濟價值與開采效率等方面進行考慮，運動參數的取值是否合適主要通過塊煤率、截割比能耗、生產效率這三個參數來衡量。

1.2.1 塊煤率

塊煤率是評價采得煤炭質量優劣的關鍵指標，塊煤率較高的煤炭的經濟價值較高，同時較高的塊煤率可減少采煤過程中的粉塵，對于工作人員及機器的安全有積極意義。塊煤率的主要評價指標為切削圖的面積Sm。切削圖面積可表示為：

式中：vq為牽引速度，m/min；m 指每條截線的截齒數；D 為滾筒直徑，mm；n 為滾筒轉速，r/min；δ 為葉片升角，rad；φ 是崩落角，rad。

1.2.2 截割比能耗

截割比能耗Hw/（kWh·m-3）的定義是截割1 m3原煤時所消耗的能量，比能耗越低則代表消耗的能量越少，采煤機截割的性價比就越高。滾筒轉速及牽引速度均與比能耗成反比。

1.2.3 生產效率

生產效率Q/（t·h-1）即采煤機在1 h 內采集煤炭量，滾筒轉速與生產效率無關，但牽引速度與生產效率成正比。

1.3 加權優化

將塊煤率、比能耗及生產效率進行加權優化，建立指標函數為：

式中：K1、K2、K3分別為塊煤率、比能耗、生產效率的權重系數，三個權重系數之和等于1，根據實際生產要求，一般設K1為0.4、K2為0.2、K3為0.4，將模擬退火算法（Simulated Annealing，SA）與粒子群優化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）結合的PSO-SA算法可提高粒子群算法的搜索能力，本文借助此算法對運動參數牽引速度及滾筒轉速進行優化，得到如圖2 所示的優化結果。

圖2 運動參數優化結果

從圖2 可以看出，為提高采煤機的截割性能，應在截割阻抗增加時減小牽引速度與滾筒轉速，當截割阻抗的等級發生變化時，可根據圖2 調整運動參數，從而保證在不同等級阻抗范圍下的采煤機最優截割性能。

2 阻抗變小時的變速策略

因煤炭自身性質較不穩定，截割阻抗的變化范圍較大且隨機，根據上述介紹可知，牽引速度及滾筒轉速對各截割性能參數的影響不同：生產效率與牽引速度成正比；塊煤率與牽引速度正相關，與滾筒轉速則負相關；比能耗則與牽引速度成負相關，與滾筒轉速成正相關。因此，運動參數的調節順序與方向對三個截割性能指標的影響很重要。假設目前截割阻抗處于等級Ⅲ，若阻抗降低到等級Ⅱ，則應增大牽引速度與滾筒轉速，有三種不同的變速策略：先增加滾筒轉速再增加牽引速度；先增加牽引速度再增加滾筒轉速；同時增加兩者。圖3 所示為三種策略對應的各種截割性能指標曲線。

根據圖3 可知，對于塊煤率，三種策略最優策略為第二種；從比能耗的角度考慮，最優策略仍是第二種；而最能提高生產效率的策略是第二種和第三種。因此綜合考慮，第二種策略在這種截割阻抗變化工況下是最優策略，即先提高牽引速度，隨后再提高滾筒轉速的方式可最大程度提高各截割性能指標。

圖3 三種減速控制策略對比

3 阻抗增大時的變速策略

若截割阻抗增大，假設目前截割阻抗處于等級Ⅲ，若阻抗增大到等級Ⅳ，則應適當減小牽引速度與滾筒轉速，以提高三個截割性能指標。與阻抗減小的情況類似，也可得到三種調節策略：先減小滾筒轉速再減小牽引速度；先減小牽引速度再減小滾筒轉速；同時減小兩者。也可繪制出這三種策略下的截割性能指標曲線，本文不再展示。從塊煤率的角度考慮，三種策略最優策略為第一種，降低比能耗幅度最大的策略仍是第一種，而最能提高生產效率的策略是第一和第二種。因此綜合考慮，第一種策略在這種截割阻抗變化工況下是最優策略，即先降低滾筒轉速，隨后再減小牽引速度的方式為截割阻抗增大時的最優變速策略。綜上，應根據不同的阻抗變化情況選擇合適的變速策略，從而使采煤機具有較好的截割性能。

4 結語

本文對采煤機的牽引速度、滾筒轉速等運動參數及塊煤率、截割比能耗、生產效率等性能指標進行了介紹與分析，并根據不同的截割阻抗變化情況，提出了三種變速截割策略，分析了其對三個性能指標的影響，最終確定了截割阻抗在增大或減小情況下的變速控制策略。本文所提變速截割控制策略尚未在實際生產中得到應用，但研究結果可為采煤機的綜合截割性能優化提供一定的理論依據。