采煤機自適應(yīng)變速截割控制策略及仿真分析

霍 晶

（潞安集團寺家莊公司， 山西 晉中 045399）

引言

采煤機為綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，其承擔(dān)工作面的截割煤炭和落煤任務(wù)。未來，隨著綜采工作面走向無人化、智能化，采煤機作為重要設(shè)備也朝著無人化、高自動化的方向發(fā)展。目前，采煤機在實際應(yīng)用中主要存在少人化、無人化自動控制功能尚未實現(xiàn)、截割性能有待提高等[1]。同時，針對采煤機截割部的變速截割研究較少，目前主要針對牽引速度的變速截割保證生產(chǎn)效率和安全性。針對此項應(yīng)用空白，本文將重點開展采煤機自適應(yīng)變速截割控制策略研究，得出為保證最佳截割性能而采取的最佳控制策略。

1 采煤機結(jié)構(gòu)組成及主要參數(shù)

采煤機作為綜采工作面必不可少的設(shè)備，其主要由截割部、牽引部和相關(guān)電氣控制系統(tǒng)組成。經(jīng)研究可知，采煤機截割部負(fù)載特性與其實時截割參數(shù)和工作面煤層、地質(zhì)條件相關(guān)；采煤機牽引部負(fù)載特性與采煤機本身的推進阻力、重量的分量以及其在推進過程中的摩擦力相關(guān)。本文將以300 kW 采煤機為例開展研究，該型采煤機各部件的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 采煤機各部件主要參數(shù)

本文研究思路：結(jié)合上述參數(shù)分別完成牽引電機、截割電機以及相關(guān)電氣控制系統(tǒng)的模型；通過截割不同煤層模擬不同的外部載荷，驗證不同調(diào)速策略下對應(yīng)采煤機的截割性能。本次研究設(shè)定采煤機的初始牽引速度為3.6 m/min，滾筒的初始轉(zhuǎn)速為31 r/min；截割部所承受煤層的初始截割阻抗為180 kN/m，并在4 s 時截割阻抗上升為240 kN/m。

2 采煤機自適應(yīng)變速截割控制策略

本著采煤機塊煤率、截割比能耗等參數(shù)為考核對象，對采煤機截割參數(shù)進行優(yōu)化，從而得出在合理截割阻抗范圍內(nèi)最佳的滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度；而后，得出在不同截割阻抗范圍內(nèi)對應(yīng)的最佳控制策略；最終，得出了可應(yīng)用于采煤機的自適應(yīng)變速截割控制策略。

2.1 采煤機截割參數(shù)的優(yōu)化

評價采煤機截割參數(shù)的優(yōu)劣主要通過截割比能耗、塊煤率以及從整體綜合考慮工作面的生產(chǎn)率。其中，煤炭的塊煤率與其銷售價格、工作面的粉塵濃度等相關(guān)；在實際生產(chǎn)中，煤炭的塊煤率與滾筒的直徑、截線距以及每條截線的截齒數(shù)量相關(guān)[2]。截割比能耗為采煤機截割單位體積煤炭的能耗，該項參數(shù)最小對應(yīng)截割參數(shù)的經(jīng)濟性越好；經(jīng)理論研究表明：截割比能耗隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加而呈現(xiàn)線性增加的變化趨勢；其與牽引速度成負(fù)相關(guān)的關(guān)系。采煤機的生產(chǎn)率僅與其牽引速度相關(guān)。

針對采煤截割參數(shù)優(yōu)化，以采煤機截割滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度為變量，以采煤機裝煤條件（滾筒的落煤量小于滾筒的理論裝煤量）、截割功率（截割功率和裝煤功率小于300 kW）以及牽引功率（牽引功率小于50 kW）為約束條件實現(xiàn)對采煤截割參數(shù)的優(yōu)化。本文基于粒子群優(yōu)化算法實現(xiàn)對截割參數(shù)的優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如下頁表2 所示。

如下頁表2 所示，隨著截割阻抗的增加，需要通過同時降低牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速實現(xiàn)采煤機截割比能耗、塊煤率以及生產(chǎn)率參數(shù)的綜合最優(yōu)；而且，牽引速度的減小幅度明顯低于滾筒轉(zhuǎn)速的減小幅度，說明滾筒轉(zhuǎn)速對截割參數(shù)的影響程度大于牽引速度[3]。

表2 采煤機截割參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

2.2 采煤機自適應(yīng)變速截割控制策略

在實際生產(chǎn)中，采煤機會遇到截割阻抗增大和減小情況。因此，截割阻抗由大變小和由小變大的情況均應(yīng)該設(shè)計不同的控制策略。具體研究如下：

2.2.1 當(dāng)截割阻抗由大變小時

當(dāng)采煤機截割阻抗由大變小時，分別對1 號：先調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速后調(diào)節(jié)牽引速度、2 號先調(diào)節(jié)牽引速度后調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速、3 號同時調(diào)節(jié)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速的三種控制策略對應(yīng)的截割比能耗、生產(chǎn)率以及塊煤率三種參數(shù)的變化情況進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖1 所示。

當(dāng)采煤機截割阻抗由大變小時大體調(diào)整趨勢為同時增加牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速。分析圖1 可知，當(dāng)優(yōu)先增加牽引速度時對應(yīng)的獲得的塊煤率均比其他策略高，對應(yīng)截割比能耗也比其他策略低；同時，優(yōu)先增加牽引速度可獲得更大的生產(chǎn)率[4]。因此，在截割阻抗由大變小的情況應(yīng)采用先調(diào)節(jié)牽引速度后調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速，從而獲得最佳的截割性能。

圖1 不同控制策略對應(yīng)截割參數(shù)的變化情況

2.2.2 當(dāng)截割阻抗由小變大時

當(dāng)采煤機截割阻抗由小變大時，分別對1 號：先調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速后調(diào)節(jié)牽引速度、2 號先調(diào)節(jié)牽引速度后調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速、3 號同時調(diào)節(jié)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速的三種控制策略對應(yīng)的截割比能耗、生產(chǎn)率以及塊煤率三種參數(shù)的變化情況進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同控制策略對應(yīng)截割參數(shù)的變化情況

當(dāng)采煤機截割阻抗由小變大時大體調(diào)整趨勢為同時減小牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速。分析圖2 可知，當(dāng)優(yōu)先減小滾筒轉(zhuǎn)速時對應(yīng)的獲得的塊煤率均比其他策略高，對應(yīng)截割比能耗也比其他策略低；同時，優(yōu)先減小滾筒轉(zhuǎn)速而牽引速度后續(xù)調(diào)整時，該種情況為生產(chǎn)率減小最小的情況。因此，在截割阻抗由小變大的情況應(yīng)采用先調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速后調(diào)節(jié)牽引速度，從而獲得最佳的截割性能。

3 結(jié)論

1）隨著截割阻抗的增加，需要通過同時降低牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速實現(xiàn)采煤機截割比能耗、塊煤率以及生產(chǎn)率參數(shù)的綜合最優(yōu)；滾筒轉(zhuǎn)速對截割參數(shù)的影響程度大于牽引速度。

2）采煤機截割阻抗由大變小時，通過優(yōu)先增大牽引速度后增加滾筒速度的控制策略保證采煤機的截割性能達(dá)到最佳；

3）采煤機截割阻抗由小變大時，通過優(yōu)先減小滾筒速度后減小牽引速度的控制策略保證采煤機的截割性能達(dá)到最佳。.