煤礦井下輸送機(jī)設(shè)備的節(jié)能控制技術(shù)分析

摘 要：為了降低煤炭開(kāi)采過(guò)程中的能源消耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的，本文針對(duì)煤礦井下輸送機(jī)進(jìn)行節(jié)能控制研究。在輸送機(jī)分類和特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，確定了阻力、輸送帶運(yùn)行速度2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，構(gòu)建二者對(duì)輸送機(jī)功率消耗影響的數(shù)學(xué)模型。以長(zhǎng)短記憶循環(huán)網(wǎng)絡(luò)為深度學(xué)習(xí)框架，以阻力、輸送帶速度為網(wǎng)絡(luò)輸入，以輸送機(jī)功率消耗為輸出，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并以此為依據(jù)展開(kāi)測(cè)試試驗(yàn)。結(jié)果顯示，帶寬、物料覆蓋層厚度對(duì)阻力的增加有線性正向影響；輸送帶運(yùn)行速度對(duì)輸送機(jī)功率消耗呈現(xiàn)先降后升的分段影響。

關(guān)鍵詞：煤炭開(kāi)采；煤礦井下；輸送機(jī)；機(jī)電設(shè)備；節(jié)能控制

中圖分類號(hào)：TD 528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

自工業(yè)技術(shù)革命以來(lái)，煤炭一直作為最重要的能源被世界各國(guó)廣泛使用，在推動(dòng)人類社會(huì)技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活質(zhì)量提升等方面發(fā)揮了重要作用[1]。煤炭能源面臨日益嚴(yán)重的危機(jī)。一方面，煤炭作為不可再生資源，在持續(xù)多年使用后儲(chǔ)備量大減，如果不能及時(shí)找到替代能源，就將引發(fā)一系列的能源危機(jī)問(wèn)題[2]。另一方面，煤炭的開(kāi)采和使用都會(huì)帶來(lái)能量消耗和環(huán)境污染，與低碳綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展、節(jié)能減排戰(zhàn)略相矛盾。本文關(guān)注的是煤炭開(kāi)采過(guò)程中如何有效節(jié)能的問(wèn)題[3]。煤炭開(kāi)采過(guò)程中，作業(yè)任務(wù)主要在煤礦井下完成，主要的耗能發(fā)生在用于作業(yè)的機(jī)電設(shè)備上。煤礦井下的機(jī)電設(shè)備主要包括掘進(jìn)設(shè)備、輸送設(shè)備等，變壓器和電動(dòng)機(jī)也屬于此范疇。這些設(shè)備的正常作業(yè)和持續(xù)使用需要依靠大量的電能，從而造成了更多的能量消耗。本文的研究目標(biāo)定位在輸送機(jī)設(shè)備上，致力于分析影響其能量消耗的各種因素并加以調(diào)整和控制，達(dá)到有效節(jié)能的目的。

1 煤礦井下輸送機(jī)設(shè)備能量消耗的影響因素分析

煤礦井下的輸送機(jī)機(jī)電設(shè)備有多種形式，但無(wú)論輸送機(jī)是何種類型，都無(wú)法避免能量消耗甚至是浪費(fèi)的問(wèn)題。這里，造成煤礦井下輸送機(jī)能耗的因素是多方面的。第一，輸送機(jī)每一次啟停都會(huì)造成額外的能源消耗。第二，輸送功率的大小與輸送帶上運(yùn)載的煤炭量成正比，運(yùn)載量越大，輸送機(jī)的能源消耗越大。第三，輸送機(jī)工作過(guò)程中，煤炭物料與輸送帶之間、輸送帶與托輥之間、輸送帶銜接部位都會(huì)存在摩擦，這些摩擦?xí)葑優(yōu)檩斔瓦^(guò)程中的阻力，為了克服這些阻力也會(huì)造成較大的能源消耗。第四，還有一些隨機(jī)因素也會(huì)影響輸送機(jī)的能耗問(wèn)題，例如天氣原因、氣候原因，風(fēng)力、濕度等也都會(huì)成為輸送機(jī)功率的影響。本文主要從阻力因素和輸送速度因素等方面入手，分析這些因素對(duì)煤礦井下輸送機(jī)設(shè)備能耗的影響。

基本阻力一般是指出現(xiàn)在水平的傳送帶上物料和傳送帶以及托輥之間相互摩擦所產(chǎn)生的阻力。對(duì)一般場(chǎng)地較為平整的傳送機(jī)來(lái)說(shuō)，這種阻力對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能耗是最大的，基本阻力又可以細(xì)分為以下4個(gè)方面。第一，壓陷阻力，由于輸送帶一般彈性不好，其縱向和橫向的彈性和剛性都是有限的，在重力的作用下會(huì)壓在托輥上，在運(yùn)送物料的過(guò)程中，隨著壓線區(qū)的不斷移動(dòng)，輸送帶和托輥之間就產(chǎn)生了運(yùn)行阻力，這種阻力是不可避免的。第二，擠壓阻力，物料在傳送帶上由于重力原因會(huì)在接觸面之間產(chǎn)生摩擦力，這種摩擦力與物料的材質(zhì)有關(guān)，也與傳送帶的速度和物料的質(zhì)量有關(guān)。質(zhì)量越大，摩擦力越大，擠壓阻力越大。第三，運(yùn)行阻力，主要是指在傳送物料的過(guò)程中傳送帶與托輥之間的摩擦阻力和因托輥等裝置密封在一個(gè)裝置內(nèi)而產(chǎn)生的阻力，這種阻力與托輥的轉(zhuǎn)速以及傳送帶的運(yùn)行速度有關(guān)，是基本阻力的重要組成部分。第四，彎曲擺動(dòng)阻力，由于輸送帶不一定是線性的，相當(dāng)一部分的傳送帶是曲線的，因此在通過(guò)托輥時(shí)，被不斷的彎曲，從而產(chǎn)生阻力。

當(dāng)計(jì)算上述四種基本阻力時(shí)，可以將托輥轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的阻力經(jīng)過(guò)相關(guān)公式進(jìn)行變換，轉(zhuǎn)換到托輥的表面進(jìn)行計(jì)算，也可以計(jì)算托輥表面與傳送帶之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的阻力，例如某場(chǎng)合中有n段帶式輸送機(jī)，并且假設(shè)輸送機(jī)各段的負(fù)荷分布均勻，那么傳送帶的基本阻力如公式（1）所示。

（1）

式中：Wz為煤礦井下輸送機(jī)作業(yè)時(shí)各種阻力所消耗的功率；i為煤礦井下輸送機(jī)作業(yè)時(shí)所承受阻力的序號(hào)；fi為煤礦井下輸送機(jī)作業(yè)時(shí)第i種阻力所具有的阻力系數(shù)；li為煤礦井下輸送機(jī)作業(yè)時(shí)第i種阻力作用下的輸送帶長(zhǎng)度；qi為示煤礦井下輸送機(jī)作業(yè)時(shí)第i種阻力作用下的輸送帶配置在托輥上的分布密度；q為煤炭在輸送帶上配置的分布密度；qd為輸送帶上配置的線密度；βi為煤礦井下輸送機(jī)作業(yè)時(shí)第i種阻力作用下的輸送帶的傾角。

相同運(yùn)量的限定下，輸送機(jī)的運(yùn)送速度越高，所需的功率越大，消耗的能耗越多。相同功率限定下，運(yùn)輸機(jī)運(yùn)量越大，運(yùn)送速度越慢。因此運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)量、運(yùn)速和消耗的功率之間是相互制約的關(guān)系。輸送速度和煤炭運(yùn)送量之間的合理關(guān)系，如公式（2）所示。

（2）

式中：qm為煤礦井下輸送機(jī)作業(yè)時(shí)輸送帶上最大的物料分布密度；v為煤礦井下輸送機(jī)作業(yè)時(shí)輸送帶的合理速度；vmin為煤礦井下輸送機(jī)作業(yè)時(shí)輸送帶允許的最小速度；Q為煤礦井下輸送機(jī)作業(yè)時(shí)輸送帶上的物料運(yùn)量；QT為設(shè)定的閾值運(yùn)量。

2 煤礦井下輸送機(jī)設(shè)備節(jié)能控制方法

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下輸送機(jī)設(shè)備的節(jié)能控制，構(gòu)建一種基于長(zhǎng)短記憶循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行節(jié)能控制。長(zhǎng)短記憶循環(huán)網(wǎng)絡(luò)采用模型經(jīng)典結(jié)構(gòu)，它在RNN網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入了門控機(jī)制。RNN網(wǎng)絡(luò)的核心結(jié)構(gòu)是“記憶細(xì)胞”，而長(zhǎng)短記憶循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的核心結(jié)構(gòu)可以分為輸入門、遺忘門和輸出門，如圖1所示。

兩者的網(wǎng)絡(luò)差異在于中間部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)上方是少量的線性操作，保留了長(zhǎng)期狀態(tài)下的信息記憶。其中的核心結(jié)構(gòu)是門結(jié)構(gòu)，通過(guò)一個(gè)Sigmoid層來(lái)控制下方信息的流通，其對(duì)應(yīng)權(quán)值在0～1，用來(lái)表示對(duì)應(yīng)信息通過(guò)的權(quán)重值。從左到右就依次是遺忘門、輸入門和輸出門。其中的乘號(hào)表示矩陣對(duì)應(yīng)相乘，加號(hào)表示矩陣加法，Ct-1為當(dāng)前神經(jīng)元的輸出，ht-1為隱藏層的參數(shù)。其中，乘號(hào)單元中的計(jì)算滿足公式（3）。

ft=σ（Wf?[ht-1，xt]+bf） （3）

式中：Wf為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的對(duì)應(yīng)神經(jīng)元參數(shù)。

經(jīng)過(guò)Sigmoid函數(shù)后輸出值就會(huì)在0～1，而輸入門的對(duì)應(yīng)公式是公式（4）。

it=σ（Wi?[ht-1，xt]+bi）

=tanh（WC?[ht-1，xt]+bc） （4）

it的函數(shù)控制新?tīng)顟B(tài)信息的更新程度，而Ct控制輸入的數(shù)據(jù)，將公式（3）和公式（4）組合就能得出對(duì)應(yīng)的輸出公式（5）。

Ct=ft×Ct-1+it× （5）

式中：Ct為當(dāng)前時(shí)刻的輸出；Ct-1為上個(gè)時(shí)刻的輸出；it為輸入門的更新程度；為控制輸入的數(shù)據(jù)。

Sigmoid層決定了哪些數(shù)據(jù)可以輸出，接著神經(jīng)元狀態(tài)通過(guò)tanh函數(shù)后，將結(jié)果與Sigmoid門的輸出相乘，輸出門就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)前記憶的積累。

在實(shí)際使用的過(guò)程中，煤礦井下輸送機(jī)輸送帶上的阻力參數(shù)、運(yùn)輸速度參數(shù)作為長(zhǎng)短記憶循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的輸入，輸送機(jī)所消耗的功率作為長(zhǎng)短記憶循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的輸出，對(duì)長(zhǎng)短記憶循環(huán)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，通過(guò)深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)最佳的參數(shù)調(diào)整，從而達(dá)到節(jié)能控制的目的。

3 煤礦井下輸送機(jī)設(shè)備節(jié)能控制的試驗(yàn)研究

在前面的工作中，對(duì)煤礦井下輸送機(jī)的分類及其對(duì)應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并從阻力、運(yùn)行速度等方面分析了關(guān)鍵因素對(duì)輸送機(jī)能量消耗的影響。接下來(lái)，將從幾個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，以便于對(duì)輸送機(jī)機(jī)電設(shè)備的能量控制進(jìn)行分析。第一組試驗(yàn)分析輸送帶寬度對(duì)輸送過(guò)程中阻力的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，輸送帶寬度和煤炭物料運(yùn)輸過(guò)程中的阻力呈現(xiàn)分段線性函數(shù)的特征。在某個(gè)臨界寬度以前，輸送帶寬度增加對(duì)阻力增加的影響幅度較小，但一旦突破了這個(gè)臨界寬度，輸送帶寬度增加就會(huì)導(dǎo)致阻力迅速增大，結(jié)果如圖2所示。

第二組試驗(yàn)分析輸送帶寬度對(duì)輸送過(guò)程中功率消耗的影響，假設(shè)運(yùn)輸煤炭物料的總量一定，那么隨著輸送帶寬度增加，單位面積上分?jǐn)偟拿禾课锪狭烤蜏p少，從而需要消耗的驅(qū)動(dòng)功率也隨之減小，二者之間呈現(xiàn)漸進(jìn)向下的影響關(guān)系，如圖3所示。

第三組試驗(yàn)分析輸送帶上煤炭物料覆蓋層厚度對(duì)輸送過(guò)程阻力的影響，煤炭物料覆蓋層的厚度越大，煤炭物料的質(zhì)量對(duì)輸送帶的壓力和壓強(qiáng)都越大，從而導(dǎo)致輸送過(guò)程中的阻力也持續(xù)增大。二者之間呈現(xiàn)近似的線性影響，如圖4所示。

第四組試驗(yàn)分析輸送帶上煤炭物料覆蓋層厚度對(duì)輸送過(guò)程消耗功率的影響，煤炭物料覆蓋層的厚度越大，煤炭物料運(yùn)載量越大，也就需要更大的驅(qū)動(dòng)功率。二者之間呈現(xiàn)近似的線性影響，如圖5所示。

第五組試驗(yàn)分析輸送帶運(yùn)行速度對(duì)輸送過(guò)程消耗功率的影響，運(yùn)行速度過(guò)小，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量消耗不能有效利用，從而會(huì)造成驅(qū)動(dòng)功率浪費(fèi)。運(yùn)行速度過(guò)大，需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供更大的功率，也會(huì)造成能量消耗。因此，隨著輸送帶運(yùn)行速度的不斷增加，驅(qū)動(dòng)功率呈先降低再升高的態(tài)勢(shì)，結(jié)果如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

煤炭是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要能源形式，煤炭開(kāi)采也是非常重要的行業(yè)。為了降低煤炭開(kāi)采過(guò)程中的能源消耗，必須對(duì)煤礦井下的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行節(jié)能控制。本文分析了多種因素對(duì)煤礦井下輸送機(jī)的影響，并重點(diǎn)建立了阻力、輸送帶運(yùn)行速度對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行功率的影響模型。結(jié)合長(zhǎng)短記憶循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)方法，對(duì)輸送機(jī)節(jié)能控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)5組試驗(yàn)對(duì)煤礦井下輸送機(jī)的功率消耗問(wèn)題進(jìn)行分析，從而找到了節(jié)能控制的關(guān)鍵所在。

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