滾筒式采煤機運動軌跡控制策略研究*

殷淑芳， 趙敏玲

(青島濱海學院，山東 青島 266555)

0 引 言

煤炭作為我國主要消費能源，煤炭產(chǎn)業(yè)化開采直接關(guān)系到我國社會經(jīng)濟進步和能源戰(zhàn)略安全性。采煤機作為煤炭開采關(guān)鍵性機構(gòu)，實際工作平臺為刮板輸送機，其運動軌跡是由專門液壓支架協(xié)調(diào)控制完成[1]。采煤機運動實際工作軌跡，需要依據(jù)采煤工作面來確定?？梢姴擅簷C運動軌跡控制的準確、穩(wěn)定和魯棒性，已成為系統(tǒng)控制和相關(guān)學者研究一個熱點。目前，我國采煤機都是通過操作人員在線操作控制，其煤炭開采實際效率較低，造成很多不必要經(jīng)濟損失。因此，滾筒式采煤機運動軌跡控制是采煤機控制系統(tǒng)的核心問題。學術(shù)界關(guān)于滾筒式采煤機運動軌跡控制研究主要從兩方面出發(fā)。一方面強調(diào)對于煤炭開采結(jié)構(gòu)面識別技術(shù)，依據(jù)模式識別完成采煤機運動軌跡確定，進而對于采煤機運行姿態(tài)加以控制。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和傳感器安裝方位的局限性，模式識別方法尚處于研究試驗階段，如通過γ射線對于煤巖界面和地質(zhì)情況識別[2]。另一方面，在一定人工監(jiān)控背景下，實現(xiàn)采煤機運動軌跡自動化。通過采煤機前一次運動路徑記錄，選取迭代學習算法，來預(yù)測和推斷下一次采煤機運動點位置，這種方法被長期運用到煤炭開采領(lǐng)域，如美國JOY公司采煤作業(yè)，而這一方法主要適用于煤炭界面平穩(wěn)環(huán)境下應(yīng)用，并不能真正意義上實現(xiàn)煤炭地質(zhì)面開采智能化，更不能有效適應(yīng)煤炭層較薄區(qū)域。選擇煤礦生產(chǎn)地質(zhì)勘探企業(yè)和實際煤炭開采的過程數(shù)據(jù)，構(gòu)建出符合實際煤炭開采地址特征的虛擬樣機和三維虛擬工作面[3]，利用現(xiàn)代計算機虛擬計算技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代智能化采礦控制手段，進行綜合性采煤機運動軌跡控制方面研究，對于提升采煤效率具有現(xiàn)實和理論意義。

1 滾筒式采煤機運動軌跡控制策略

滾筒式采煤機運動控制軌跡控制實際是滾筒高度的自適應(yīng)調(diào)整控制。采煤機滾筒高度自動化調(diào)整，主要是根據(jù)采煤生產(chǎn)工況下振動、聲音和負荷等多信號融合結(jié)果或者采煤工人工作經(jīng)驗實現(xiàn)[4]。筆者采煤機運動軌跡控制是在虛擬采煤工作面研究成果基礎(chǔ)上實現(xiàn)。依據(jù)采煤機實際工作位置信息，反饋到虛擬采煤工作面，結(jié)合虛擬三維采礦數(shù)據(jù)，計算出采煤機所處的實際采礦位置，從而判斷出采煤機需要調(diào)整高度數(shù)值，為下一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)軌跡運動提供信息，從而完成采煤機運動路徑軌跡修正控制。

1.1 運動軌跡的控制

依據(jù)我國煤炭開采作業(yè)相關(guān)要求和標準，在煤炭地質(zhì)挖掘過程中要求，采煤機的上下挖掘平面要保持割平形態(tài)、煤壁保持一定深度值，并且依據(jù)地質(zhì)情況合理調(diào)整采掘高度，減少相應(yīng)煤炭礦層曲線工作面和臺階式挖掘。可見滾筒式采煤機運動軌跡控制，就是以煤巖為基本準則面，在安全生產(chǎn)條件和提升效率前提下，科學合理設(shè)置煤炭采掘高度。由于采煤機液壓伺服驅(qū)動存在一定的結(jié)構(gòu)性延時，同時采煤一般選取低速度模式，因此需要控制采煤機運動軌跡實際調(diào)整頻率。滾筒式采煤機進行煤炭挖掘過程中，無需嚴格實施頂板巖界面形態(tài)運動學跟蹤，通常情況下選擇斜線切割法[5]，即在煤炭開采層分割為若干工作面，并按照切割區(qū)間進行采煤機姿勢調(diào)整。根據(jù)煤炭開采地質(zhì)區(qū)域虛擬工作面數(shù)據(jù)，采用切割法劃分實際區(qū)域，設(shè)置采煤機滾筒調(diào)整高度位置數(shù)據(jù)信息。因為采煤工作面一般在150～240 m左右，若切割工作面劃分點為20～30個，則大約每8 m調(diào)整一次采煤機運動軌跡。例如MG2×100/460-WD采煤機，移動速度控制范圍在0～6.9 m/min，設(shè)置采煤工作面高度為180 m，切割點為30個，則每6 m調(diào)整一次，若設(shè)置采煤機速度值為6 m/min，則采煤機運動姿態(tài)需要每1 min調(diào)整一次。對于煤炭切割面挖掘點，比較虛擬工作面指令和實際采集位置信號，假設(shè)位置信號過低，電液控制系統(tǒng)獲得一個補償性偏差信號，經(jīng)過伺服控制器補償，進行活塞桿位移增量控制，直到位置達到控制誤差范圍以內(nèi)，固定好挖掘機位置，也就是完成一次標準采煤機運動位置控制。采煤機運動軌跡框圖，如圖1所示。

圖1 采煤機運動軌跡控制框圖

1.2 運動軌跡補償控制

實際煤礦開采過程中，虛擬工作面是通過企業(yè)地質(zhì)勘查和實際生產(chǎn)所獲取大量三維空間數(shù)據(jù)所建立。但是鑒于復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，會出現(xiàn)褶皺、隆起等復(fù)雜地質(zhì)煤層，同時，在實際煤炭開采過程中，由于振動作用條件下，將會引起煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)下沉，甚至是塌陷，這都將對于采煤機運動軌跡產(chǎn)生重要影響。單一選用切割法進行煤炭開采，不能很好地處理復(fù)雜煤層，使得運動軌跡控制算法魯棒性降低。對此可以通過相關(guān)傳感器對采煤機運動軌跡進行修正。由于煤炭硬度指標在1.5～3，而巖石硬度為8以上，當采煤機挖掘過程中遇到巖石等現(xiàn)象時，油壓會表現(xiàn)出突發(fā)式增加，為采煤機修改路徑提供重要改變信號。具體步驟為：①記錄采煤機在全煤層的驅(qū)動液壓指標值，作為判定基準p；②在實際采煤自動控制過程中，測得驅(qū)動液壓值為p1；③設(shè)置相應(yīng)判斷誤差極限標準值e，假設(shè)e1=|p1-p|，實際壓力差值，進行與標準值比較，如果大于標準值e，則采煤機切割的是巖石，此時需要調(diào)整采煤機滾筒高度，當壓力回到標準控制范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)指令結(jié)束，主要目的是減少對于采煤機頻繁性操作，實現(xiàn)采煤效率值保持在穩(wěn)定水平，對應(yīng)的采煤機運動軌跡修正補償結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 采煤機運動軌跡修正控制框圖

2 滾筒式采煤機運動軌跡控制仿真實驗

2.1 滾筒式采煤機控制系統(tǒng)數(shù)學模型

選擇MG2×100/460-WD采煤機為研究對象，采煤機運動軌跡自動控制過程，由電液伺服驅(qū)動閥為方向控制，實現(xiàn)液壓缸往復(fù)運動，選取電液伺服滾筒式采煤機壓力傳感方式，對應(yīng)的系統(tǒng)框圖如圖2所示，經(jīng)過數(shù)學推導，可以獲得電液伺服流量和力學平衡方程如下：

(1)

(2)

式中：m是液壓活塞承受的最大壓力值，A1、A2是活塞腔和活塞桿對于活塞的作用面積值，假設(shè)無外力F作用條件下，不同采煤機運動切割截面積等效剛度最小，則聯(lián)立公式(1)、(2)，并進行拉氏變換，獲得采煤機運動估計數(shù)學模型，如公式(3)所示：

(3)

(4)

2.2 滾筒式采煤機運動軌跡MATLAB仿真

對于計算出MG2×100/460-WD采煤機控制系統(tǒng)數(shù)學模型，搭建對應(yīng)控制MATLAB/Simulink數(shù)學模型，鑒于所選采煤機調(diào)整運動速度和時間間隔，具有一致性特征，可以不考慮采煤機不同工況下延時系數(shù)，通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析顯示，采煤機正常的運行過程中，壓力值為7～18 MPa，仿真設(shè)置壓力調(diào)整誤差限值為18 MPa。

2.2.1采煤機運動軌跡正常壓力

選取t=3 s時，采煤機運動狀態(tài)壓力值為p=10 MPa，煤層頂部控制開采落差為0.1 m，即采煤機運動估計需要在最快調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，達到0～0.1變化值，實驗仿真如圖3所示，由圖可知，液壓缸工作于正常的壓力值范圍內(nèi)，控制軌跡依據(jù)政策調(diào)節(jié)采煤機的運行狀態(tài)，在t=3 s時刻，采煤機開始動作，t=4.7 s后系統(tǒng)達到穩(wěn)定值。

圖3 采煤機運動軌跡修正仿真

2.2.2采煤機運動軌跡非正常壓力

選取t=3 s時，采煤機運動狀態(tài)壓力值為p=19 MPa，采煤機壓力超過設(shè)定極限范圍值，這就需要調(diào)整采煤機滾筒運動高度，以實現(xiàn)采煤機壓力小于設(shè)定值。煤層頂部控制開采落差為0.1 m，即采煤機運動估計需要在最快調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，達到0～0.1變化值，實驗仿真如圖4所示，由圖可知，液壓缸工作于正常的壓力值范圍內(nèi)，控制軌跡依據(jù)政策調(diào)節(jié)采煤機的運行狀態(tài)，在t=3 s時刻，采煤機壓力值超限，調(diào)用調(diào)節(jié)控制子程序，當t=3.3 s時刻，壓力回復(fù)正常壓力值范圍，采煤機開始動作，t=5 s后系統(tǒng)達到穩(wěn)定值。

圖4 采煤機運動軌跡修正控制仿真

3 結(jié) 論

在分析國內(nèi)外采煤機運動軌跡控制策略基礎(chǔ)上，依據(jù)采煤機所處于煤層虛擬空間三維數(shù)據(jù)，結(jié)合煤層中所切割雜質(zhì)剛度不一致性，將會產(chǎn)生壓力升高變化這一特征，設(shè)計采煤機運動軌跡在正常煤層開采和非正常煤層控制策略。最后，建立采煤機電液伺服控制系統(tǒng)數(shù)學模型，并以常用MG2×100/460-WD采煤機為研究對象，進行實際數(shù)學模型建立，選用MATLAB/Simulink軟件進行仿真，實驗結(jié)果表明，在正常和非正常煤層開采過程中，通過虛擬工作面技術(shù)和壓力變化檢測，能夠有效保證采煤機運動軌跡準確性，更好的服務(wù)和提升煤炭開采效率。

[1] 張智喆,王世博,張博淵,等.基于采煤機運動軌跡的刮板輸送機布置形態(tài)檢測研究[J].煤炭學報,2015,40(11):2514-2521.

[2] 張 新,王正詳,武晨光,等.煤巖界面識別技術(shù)研究[J].煤礦機械, 2015,36(2):3-5.

[3] 曾慶良,張海忠,王成龍,等.采煤機調(diào)高系統(tǒng)的機液協(xié)同仿真分析[J].煤炭科學技術(shù),2015,43(1):86-90.

[4] 王 偉,李男男.綜采工作面刮板輸送機鏈條自動張緊試驗研究[J].煤炭工程,2016,48(S1):101-103.

[5] 李 強,張明玉,毛 君.斜切進刀工況下采煤機截齒切削厚度的計算與仿真[J].山東農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版),2016:1-8.