突變工況下滾筒式采煤機(jī)調(diào)速控制策略研究

賀京華

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)毛則渠煤炭有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

滾筒式采煤機(jī)是綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)綜采工作面產(chǎn)能的提高以及檢修效能的提升有著重要的促進(jìn)作用。采礦作業(yè)效率的提升，對(duì)采煤機(jī)的性能及相關(guān)設(shè)備有著更高的要求。為此，本文在研究的過(guò)程中以MG300/700-WD電牽引采煤機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)煤層巖石發(fā)生的突發(fā)狀況，提出相應(yīng)的計(jì)算方法，進(jìn)而計(jì)算出煤層截面切割阻層的抗性，然后依據(jù)滾筒荷載的特殊工作性質(zhì)與巖石破壞的能力，制定出不同的控制策略，最終對(duì)控制策略進(jìn)行分析和對(duì)比，并得出相關(guān)的總結(jié)和建議。

1 滾筒式采煤機(jī)耦合模型建立

為了對(duì)不同情況下的截割工作狀況進(jìn)行深入研究和分析，本文基于采煤機(jī)的工作特性以及其變速控制的方式手段，創(chuàng)建了相應(yīng)的控制模型，即采煤機(jī)牽引部、截割部和控制系統(tǒng)的整機(jī)耦合控制，為截電機(jī)和牽引電機(jī)的雙向頻率變化的速度調(diào)節(jié)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。

1.1 模型建立

圖1為滾筒式采煤機(jī)截面切割部分的啟動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。由于綜合采煤的工作面條件不是很好，一旦遇到較硬的煤層或是雜巖時(shí)，就會(huì)使采煤機(jī)的機(jī)齒或是其他部件發(fā)生嚴(yán)重的損耗，進(jìn)而影響到采煤的工作效率。所以，對(duì)滾筒式采煤機(jī)的調(diào)速控制進(jìn)行深入研究分析便顯得尤為重要，特別是可以更好地應(yīng)對(duì)一系列的突發(fā)狀況[2]。圖中：i1為簡(jiǎn)化后的減速比，Jd為等效之后的滾筒慣量，Mm1為截割電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，Md為截割滾筒的負(fù)載荷轉(zhuǎn)矩，θm1為截割電機(jī)轉(zhuǎn)子角位移，θd截割滾筒的角位移，cmpe1為電機(jī)阻尼，kmpe1為第1級(jí)齒輪連接部分的剛度，cpd1為低速端齒輪聯(lián)結(jié)區(qū)域的等效阻尼，kpd1為滾筒連接軸的等效剛度。

圖1 截割驅(qū)動(dòng)模型

忽略齒輪的平移、扭擺振動(dòng)，重點(diǎn)關(guān)注齒輪的扭轉(zhuǎn)自由度，如圖1所示，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是：

式中：δ1為角位移矩陣，[M1]為質(zhì)量矩陣，[C1]為阻尼矩陣，[K1]為剛度矩陣，{P1}為載荷矩陣。忽略其余的誤差，只關(guān)注齒輪時(shí)變剛度的作用，它的剛度計(jì)算公式可以表現(xiàn)為：

輪齒的嚙合阻尼是：

式中：ξv為嚙合阻力比；Rp1為主齒輪半徑，m；Rg1為從齒輪半徑，m；Jp1、Jg1為主、從齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

兩個(gè)齒輪的動(dòng)態(tài)嚙合力為：

式中：θp1為主齒輪的旋轉(zhuǎn)角位移，rad；θg1為從齒輪的旋轉(zhuǎn)角位移，rad˙p1為主齒輪的角速度，r/s˙g1為從齒輪的角速度，r/s。

采煤機(jī)的牽引數(shù)學(xué)模型為：

式中：{δ2}為角位移矩陣，[M2]為質(zhì)量矩陣，[C2]為阻尼矩陣，[K2]為剛度矩陣，{P2}為載荷矩陣。

1.2 滾筒負(fù)載和牽引阻力

Md為滾筒負(fù)載，關(guān)鍵點(diǎn)在滾筒切向截割的阻力矩：

式中：n為參加截割的截齒數(shù)目；Dc為滾筒的直徑，m；Zi為單齒的平均截割切向力，N。那么：

式中：Ap為煤層平均截割阻抗，kN/m；t為截齒切削寬度，m；Kz、Ky、Kψ、Kc為煤層巖石相關(guān)系數(shù)；bp為截齒的寬度；β為截齒相對(duì)于采煤機(jī)推進(jìn)方向偏轉(zhuǎn)角，（°）；hm為截齒的平均削厚度，m。那么：

式中：φμ為煤體對(duì)滾筒的圍包角，（°）；vq為牽引速度，m/min；ng為滾筒速度，r/min；m 為相同截線的齒數(shù)。

牽引阻力矩的公式為：

式中：r為行走輪半徑，m；Ff為導(dǎo)向滑靴與軌道之間的摩擦阻力；Ft為采煤機(jī)自重；Fy為滾筒截齒產(chǎn)生的與牽引方向相反的推進(jìn)阻力。

綜合上述的內(nèi)容，可以得出采煤機(jī)整機(jī)控制模型耦合與控制原理，如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)整機(jī)控制模型耦合和控制原理

2 滾筒式采煤機(jī)調(diào)速控制策略研究

為了可以有效應(yīng)對(duì)不同的工作狀況，并保證采煤的效率不會(huì)受到嚴(yán)重影響，進(jìn)而提出了牽引控制協(xié)調(diào)策略。如圖3所示，截割電機(jī)以特定的轉(zhuǎn)矩工作的調(diào)速范圍是[ω，ωe]，那么滾筒的調(diào)速范圍是[ng，ngmax]。

由公式（10）可推算出 Te：

圖3 截割電機(jī)調(diào)速控制特性

式中：i0為截割部總減速比；η為機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)效率。

可以在電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Te、滾筒直徑Dc等參數(shù)已知情況下，確定工作時(shí)滾筒破煤能力與滾筒轉(zhuǎn)速ng的關(guān)系：

依據(jù)公式（10），使?fàn)恳俣葀q不發(fā)生變化，逐步控制滾筒的速度上升到最大ngmax值，然后調(diào)節(jié)滾筒破煤的截割阻抗閾值A(chǔ)p_cri：

由此可知，將Ap_cri值當(dāng)作是滾筒調(diào)速控制策略及牽引調(diào)控策略的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，進(jìn)而制定出如下調(diào)控策略[3]：當(dāng)煤層突然變化的荷載阻抗值A(chǔ)p≤Ap_cri時(shí)，能夠從優(yōu)選擇使用滾筒調(diào)速控制策略；當(dāng)煤層突然變化的荷載阻抗值A(chǔ)p＞Ap_cri時(shí)，能夠從優(yōu)選擇使用牽引滾筒調(diào)速控制策略。

從全方位考慮采煤機(jī)安全運(yùn)行及采煤效益提升的角度來(lái)看，按照對(duì)象截齒平均切削的厚度計(jì)算方式與突發(fā)狀況下的調(diào)控裝換條件，提出了滾筒式采煤機(jī)的速度調(diào)節(jié)的控制方法。

3 結(jié)論

運(yùn)用基于采煤機(jī)的工作原理建立的牽引部、截割部及控制系統(tǒng)的整機(jī)模型，對(duì)突變工況下滾筒采煤機(jī)進(jìn)行控制，能夠轉(zhuǎn)變采煤方式，改善采煤情況，降低采煤風(fēng)險(xiǎn)，提高采煤效率。