煤礦井下采煤機截割驅(qū)動控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

郭文喜

（山西煤炭進出口集團鹿臺山煤業(yè)， 山西 晉城 048006）

引言

作為煤礦井下“三機”設(shè)備之一，采煤機在井下綜采作業(yè)中扮演著極其重要的角色，在截割煤炭時，采煤機依靠截割驅(qū)動系統(tǒng)控制搖臂的升降和截割滾筒的轉(zhuǎn)動，控制采煤機按照一定的截割軌跡進行截割作業(yè)，但由于煤礦井下高塵、低能見度，人工控制采煤機的運行存在著較大的偏差，經(jīng)常出現(xiàn)采煤機截齒觸頂事故，造成截齒折斷，影響采煤機的運行安全，而且由于采用了單一的牽引調(diào)速方案，在不同的截割阻力作用下只能通過調(diào)整采煤機的進給速度來確保截割作業(yè)時截齒的安全性，導(dǎo)致對井下綜采效率產(chǎn)生了較大的影響[1]。本文提出了一種新的采煤機截割驅(qū)動控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)以記憶截割和變速截割控制為核心，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機截割路徑規(guī)劃和控制的全自動化，而且能夠根據(jù)綜采作業(yè)時作用在截齒上的截割阻力的不同，通過對采煤機進給速度和截割轉(zhuǎn)速的調(diào)整來實現(xiàn)在不降低綜采作業(yè)效率情況下降低作用在截齒上的截割阻力，極大地提升了采煤機煤礦井下綜采作業(yè)的自動化程度和穩(wěn)定性，具有極大的應(yīng)用推廣價值。

1 采煤機截割驅(qū)動控制系統(tǒng)

采煤機的截割驅(qū)動控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該控制系統(tǒng)以記憶截割和聯(lián)合調(diào)速控制為核心，滿足采煤機在煤礦井下復(fù)雜地質(zhì)條件下高效、穩(wěn)定的截割作業(yè)需求。在實際工作過程中該截割控制系統(tǒng)首先采用人工截割作業(yè)方式建立截割作業(yè)參考路徑，然后投入記憶截割控制的過程中，系統(tǒng)開始執(zhí)行自主截割控制，系統(tǒng)自動對截割阻抗進行判斷，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的控制邏輯的不同，根據(jù)截割阻抗的變化情況選擇最佳的聯(lián)合截割控制策略，通過控制采煤機截割轉(zhuǎn)速和進給速度來滿足截割控制需求。

圖1 采煤機截割驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 采煤機記憶截割控制系統(tǒng)

采煤機的記憶截割控制流程主要包括人工示范和記憶自動截割兩個方面[2]，其控制流程如圖2所示。

圖2 采煤機記憶截割控制流程示意圖

由圖2 可知，該采煤機的記憶截割控制系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，首先由人工通過遙控器或者操作手柄控制采煤機的截割機構(gòu)并根據(jù)井下綜采面的實際情況進行截割作業(yè)，控制系統(tǒng)對采煤機在截割作業(yè)過程中各個位置處的截割結(jié)構(gòu)的截割高度、進給速度、截割轉(zhuǎn)速等進行記錄，作為后續(xù)采煤機自動控制截割作業(yè)時的參考。當(dāng)采煤機轉(zhuǎn)換到記憶截割控制模式后，采煤機的記憶截割控制中心根據(jù)采煤機在綜采作業(yè)時的位置與人工控制作用下的截割狀態(tài)進行對比和修正，控制采煤機截割機構(gòu)的自動截割作業(yè)。該記憶截割控制的過程中如果作用在采煤機截割滾筒上的截割阻力顯著大于記憶截割階段時的阻力狀態(tài)，則系統(tǒng)將對此時的截割阻力與系統(tǒng)設(shè)定的截割阻力情況對比，通過變速截割控制實現(xiàn)對進給速度和截割速度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，滿足在不同截割阻力狀態(tài)下的靈活調(diào)控需求。

3 采煤機變速截割控制策略

采煤機在煤礦井下綜采作業(yè)過程中由于煤層的地質(zhì)條件不同，各個區(qū)域內(nèi)的煤層的硬度和塊煤率存在差異，因此采煤機在截割作業(yè)過程中煤壁作用在截齒上的截割阻抗存在著較大的變化，傳統(tǒng)的保持截割轉(zhuǎn)速不變而改變采煤機牽引速度的方案會極大地降低采煤機綜采作業(yè)的效率[3]。為了提升采煤機煤礦井下綜采作業(yè)的效率，通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)作用在采煤機上的截割載荷發(fā)生變化時，通過調(diào)整截割滾筒的轉(zhuǎn)速同樣能夠降低作用在采煤機上的截割阻抗，而通過對采煤機進給速度和截割速度的聯(lián)合調(diào)整就能夠?qū)崿F(xiàn)在對采煤機綜采作業(yè)效率和穩(wěn)定性的平衡。通過對煤礦井下煤層截割阻抗的研究，截割阻抗一般分為五個等級，第一個等級的截割阻抗為180～216 N/mm，第二等級為216～252 N/mm，第三等級為252～288 N/mm，第四等級為288～324 N/mm，第五等級為324～360 N/mm[4]，以采煤機綜采作業(yè)截割阻抗由271 降為240 N/mm時對截割轉(zhuǎn)速和牽引速度進行聯(lián)合調(diào)解作用下的截割能效比HW變化情況進行分析：假設(shè)初始時采煤機的截割轉(zhuǎn)速n=31.1 r/min，牽引速度vq=3.61 m/s，截割阻阻抗A=271 N/mm；調(diào)整后，采煤機的截割轉(zhuǎn)速n=34.6 r/min，牽引速度vq=4.13 m/s，截割阻阻抗A=240 N/mm，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 聯(lián)合調(diào)速下截割能效比變化情況

由實際聯(lián)合調(diào)速情況下采煤機的截割能效比變化情況可知，當(dāng)采煤機的截割滾筒的轉(zhuǎn)速增加時，采煤機的截割能效比是逐漸增大的，而當(dāng)采煤機增加牽引速度時，采煤機的截割能效比呈現(xiàn)了逐漸下降的趨勢，由此可知，截割能效比和采煤機截割滾筒轉(zhuǎn)速成正比和采煤機的牽引速度成反比，因此在采煤機井下綜采作業(yè)的過程中，不同截割阻抗情況下應(yīng)優(yōu)先采用增加截割滾筒轉(zhuǎn)速，降低牽引速度的截割策略，確保在滿足截割作業(yè)安全的情況下提升采煤機的截割能效比和截割效率。

4 結(jié)論

1）該截割控制系統(tǒng)采用記憶截割控制，能夠滿足在井下復(fù)雜環(huán)境條件下的自動截割需求，為實現(xiàn)煤礦井下無人化作業(yè)奠定了基礎(chǔ)；

2）該截割控制系統(tǒng)采用了變速截割控制策略，能夠根據(jù)不同的截割阻抗選擇最佳的調(diào)速控制策略，極大地提升了采煤機截割作業(yè)時的效率。