機械化采煤機變速截割控制策略研究

王 祿

（華陽新材料科技集團有限公司裝備管理部， 山西 陽泉 045000）

引言

目前，我國已經探明的儲量的煤層，僅4.8%為露天開采，其余均為井工開采。對于煤炭開采而言，我國已經進入綜采時代，但是與國外煤炭開采相比存在自動化、智能化以及信息化水平偏低，導致煤層回采率偏低、資源浪費嚴重以及效率低下的問題。采煤機作為綜采工作面的關鍵截割設備，其主要存在依賴人工操作嚴重以及自適應控制水平低等問題[1]。為保證工作面生產效率和采煤機的使用壽命，實現截割滾筒的自適應變速截割尤為重要。因此，本文將重點開展采煤機變速截割控制策略及相應的調速控制功能實現的研究。具體闡述如下：

1 變速截割控制研究基礎

采煤機自適應變速截割指的是截割滾筒能夠根據煤層條件的變化對其轉速進行調整控制，在盡可能提升煤炭截割效率的基礎上，保證采煤機的使用壽命[2]。因此，采煤機變速截割控制的核心在于電氣控制箱根據煤層截割阻抗的變化對滾筒轉速和牽引速度進行匹配性調整控制。

1.1 采煤機概述

采煤機作為綜采工作面的關鍵設備，其主要功能是實現煤層的截割、破碎和裝煤任務。本文以雙滾筒采煤機為例開展研究，其結構如圖1 所示。

圖1 采煤機結構

采煤機自適應控制的主要控制參數包括左右滾筒的旋轉速度、牽引速度以及截割滾筒高度等。經仿真分析可知，當截割滾筒旋轉速度一定時，隨著牽引速度的增加對應滾筒負載增加，反之減少；當采煤機牽引速度一定時，隨著滾筒旋轉速度的增加對應滾筒的負載減小，反之增加。此項研究為后續采煤機的自適應控制提供基礎。

1.2 煤層截割阻抗識別

在目前眾多的研究成果中，基于BP 神經網絡理論能夠精準、快速地實現對工作面煤層截割阻抗的識別，具體表現形式為：通過對采煤機截割部截割電機、牽引部牽引電機定子電流數據的采集直觀反映出與滾筒接觸煤層的實時截割阻抗，并通過調取數據庫中的參數對煤層截割阻抗進行量化分析[3]。

2 采煤機自適應變速截割控制策略

在以往生產中，僅根據司機經驗和目視條件對采煤機牽引速度進行控制。此種控制方式主要存在的問題為：效率低、控制不及時，主要表現為所得煤炭的塊煤率低、截割比能耗較大且安全性低。

2.1 采煤機截割參數的優化

對于某一固定的截割煤層而言，根據煤層條件可得出采煤機的最優化截割參數。所優化后的截割參數即為采煤機自適應截割控制的目標。

采煤機截割參數優化后的主要考核參數包括有所截割煤炭的塊煤率、截割比能耗以及生產率等。以上述三個參數為變量，并參照采煤機的裝煤約束條件、牽引功率約束等條，通過數值模擬分析得出不同條件對應的最優化截割參數，優化后的截割參數如下頁表1 所示。

表1 最優化截割參數

2.2 采煤機自適應變速截割控制策略設計

在實際生產中，采煤機滾筒所面臨工作面煤層的阻抗處于動態變化狀態，根據不同的煤層截割阻抗范圍應選擇最佳的牽引速度和滾筒旋轉速度以達到最佳的生產效果。因此，實現采煤機自使用變速截割控制的關鍵在于在工作面煤層截割阻抗發生突變的工況下應能夠快速、平穩、精準地實現對牽引速度和滾筒旋轉速度等參數的調整[4]。故本節重點對突變工況下采煤機的自適應變速截割控制策略進行設計，突變工況分為煤層截割阻抗增大和截割阻抗減小兩種情況，對應的變速截割控制策略設計如下：

2.2.1 煤層截割阻抗增大的工況

針對煤層截割阻抗增大的工況，對應開采用的控制策略包括有先調節滾筒轉速后調節牽引速度、先調節牽引速度后調節滾筒轉速、同時調節牽引速度和滾筒轉速三種。

2.2.1.1 先調節滾筒轉速后調節牽引速度

對應滾筒轉速和牽引速度調整的時間均為10 s，并在此自適應控制策略下得出如下結論：

1）采煤機對應上述自適應控制策略下的切削面積先減小后增大，并最終穩定在1650 mm2；

2）采煤機對應上述自適應控制策略下截割比能耗先增大后減小，并最終穩定在5.5；

3）采煤機對應上述自適應控制策略下生產率前10 s 不變，后10 s 增大并穩定在680 t/h。

2.2.1.2 先調節牽引速度后調節滾筒轉速

對應滾筒轉速和牽引速度調整的時間均為10 s，并在此自適應控制策略下得出如下結論：

1）采煤機對應上述自適應控制策略下的切削面積先增大后減小，并最終穩定在1700 mm2；

2）采煤機對應上述自適應控制策略下截割比能耗先減小后增大，并最終穩定在5.4；

3）采煤機對應上述自適應控制策略下生產率前10 s 增大，后10 s 不變并穩定在714 t/h。

2.2.1.3 同時調節牽引速度和滾筒轉速

對應滾筒轉速和牽引速度調整的時間均為10 s，并在此自適應控制策略下得出如下結論：

1）采煤機對應上述自適應控制策略下的切削面積前10 s 增大，后10 s 不變并穩定在1650 mm2；

2）采煤機對應上述自適應控制策略下截割比能耗前10 s 減小，后10 s 不變并最終穩定在5.4；

3）采煤機對應上述自適應控制策略下生產率在10 s 緩慢增加并穩定在690 t/h。

綜上，在截割阻抗增大的工況，需采用先調節牽引速度后調節滾筒轉速的策略對采煤機進行變速截割控制[5]。

2.2.2 煤層截割阻抗減小的工況

同理，在煤層截割阻抗減小的工況，同樣對先調節滾筒轉速后調節牽引速度、先調節牽引速度后調節滾筒轉速、同時調節牽引速度和滾筒轉速三種策略下對應的生產率、截割比能耗以及切削面積進行對比。最終得出：針對煤層截割阻抗減小的工況，應采用先調節滾筒旋轉速度后調節牽引速度的策略進行控制。

因此，在上述分析的基礎上，針對采煤機突變工況下設計如圖2 所示的變速截割控制策略流程。

圖2 自適應變速截割控制流程

3 結論

采煤機為綜采工作面的關鍵生產設備，其牽引速度決定工作面的推進速度和產量，滾筒旋轉速度決定采煤機的負載大小。在實際生產中，需截割采煤機滾筒所面臨煤層的截割阻抗對其牽引速度和滾筒轉速進行自適應變速控制，從而達到最佳生產效率。針對采煤機在突變工況下設計的自適應變速截割控制策略如下：

1）在截割阻抗減小的工況下，需采用先調節牽引速度后調節滾筒轉速的策略對采煤機進行變速截割控制；

2）在截割阻抗增大的工況下，需采用先調節滾筒轉速后調節牽引速度的策略對采煤機進行變速截割控制。