滾筒式采煤機截割部傳動系統(tǒng)優(yōu)化改造分析

段進東

（山西焦煤集團西山煤電（集團）有限公司設(shè)備租賃公司，山西 太原 030053）

引言

近年來，隨著我國科技力量的不斷進步，對于煤礦的開采也逐步走向智能化、信息化。同時煤炭開采的深度逐漸加深，井下的環(huán)境以及開采難度對開采設(shè)備的機械化、自動化以及自適應(yīng)性提出了更高的要求。滾筒式采煤機是目前應(yīng)用較廣泛的機械化采煤主要設(shè)備，因此，針對其截割部傳動系統(tǒng)優(yōu)化改造展開分析。

1 滾筒式采煤機結(jié)構(gòu)

滾筒式采煤機是由截割部、牽引部以及中間部三部分組成的，滾筒式采煤機的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。滾筒式采煤機的截割部分是主要工作區(qū)域，截割部分又分為截齒、前后旋轉(zhuǎn)滾筒以及截割傳動部分[1]。牽引部分負責(zé)采煤機的移動，保證采煤機能夠連續(xù)割煤。中間部分主要是采煤機的整套電氣設(shè)備的控制系統(tǒng)，包括電控箱、變頻器以及變壓器等輔助性電氣設(shè)備[2]。

圖1 滾筒式采煤機結(jié)構(gòu)

2 滾筒式采煤機截割部傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

由于煤礦井下開采環(huán)境復(fù)雜，實現(xiàn)采煤機的穩(wěn)定、高效、機械化運行是對采煤機的必然要求。當(dāng)采煤機在截割過程中會遇到硬煤層以及夾矸煤層，這就導(dǎo)致了滾筒在外載荷的條件下有著隨機性、重載以及強沖擊性，使得截割部分的傳動系統(tǒng)受到了很大的外載荷影響。當(dāng)煤層性質(zhì)發(fā)生改變時就需要對截割部分的滾筒高度以及轉(zhuǎn)速進行實時調(diào)整，保證其能夠達到截割能力最強、能耗最低等綜合性能最佳的狀態(tài)[3]。這就需要對采煤機截割部分的傳動系統(tǒng)實現(xiàn)動載荷自適應(yīng)抑制控制設(shè)計。

2.1 傳動系統(tǒng)自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩補償控制系統(tǒng)設(shè)計

本文通過結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制的優(yōu)越性，提出了能夠?qū)崿F(xiàn)自抗干擾實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩補償?shù)慕馗顐鲃酉到y(tǒng)動載荷自適應(yīng)抑制控制系統(tǒng)。自抗擾轉(zhuǎn)矩補償?shù)膭虞d荷控制原理圖如圖2 所示，自抗擾轉(zhuǎn)矩補償是當(dāng)電機傳動系統(tǒng)機械參數(shù)穩(wěn)定時，通過增加補償轉(zhuǎn)矩來抑制傳動系統(tǒng)的不穩(wěn)定載荷，通過對傳統(tǒng)的補償方式的使用，在應(yīng)對比較重大的載荷變化時，自抗擾轉(zhuǎn)矩補償并不能有效地抑制沖擊載荷對傳動系統(tǒng)的影響，因此在此基礎(chǔ)上提出了自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩補償控制系統(tǒng)。

圖2 基于自抗擾轉(zhuǎn)矩補償?shù)膭虞d荷主動控制原理圖

自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩補償控制系統(tǒng)主要是由自動補償?shù)淖钥箶_控制器和自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器組成的。其結(jié)構(gòu)圖如下頁圖3 所示。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力得到模糊控制器的隸屬度函數(shù)及控制規(guī)則，以跟蹤微分器得到的e1、e2作為自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制器的輸入值，以非線性狀態(tài)誤差反饋值Te0作為控制器的自適應(yīng)調(diào)整值，從而達到提高傳動系統(tǒng)的工況自適應(yīng)能力。

圖3 自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩補償控制器結(jié)構(gòu)圖

2.2 試驗結(jié)果

為了驗證動載荷情況下的自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩補償控制，搭建采煤機電機-齒輪系統(tǒng)試驗臺，開展動載荷工況下自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩補償控制對傳動系統(tǒng)動載荷的抑制效果試驗。試驗臺主要是由驅(qū)動裝置、加載裝置以及傳動系統(tǒng)組成。電機是主要的驅(qū)動動力，在電機和和齒輪箱之間通過設(shè)置細長的彈性聯(lián)軸器來模擬采煤機的截割部，加載裝置和傳動系統(tǒng)之間通過設(shè)置慣性飛輪來模擬采煤機的截割部的滾筒。加載裝置主要是由測試機、升速箱等來組成的。試驗臺的現(xiàn)場圖如圖4。進一步分析所提自適應(yīng)控制方法對齒輪動載荷的抑制效果，采用誤差絕對值積分的性能指標(biāo)來計算自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩補償控制器對系統(tǒng)動載荷沖擊能量的統(tǒng)計結(jié)果。通過對比直接轉(zhuǎn)矩控制、自抗擾轉(zhuǎn)矩補償控制以及自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩補償控制對不同程度動載荷抑制效果的結(jié)果統(tǒng)計如表1 所示，對比如圖5。

圖5 不同控制方法對動載荷的抑制效果對比

表1 三種控制方法對動載荷的抑制效果統(tǒng)計

圖4 采煤機動力傳動系統(tǒng)試驗臺示意圖

3 結(jié)論

分析圖5 和表1 得到在連續(xù)沖擊動載荷的情況下，自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩補償控制能夠較直接轉(zhuǎn)矩控制及自抗擾轉(zhuǎn)矩補償控制對動載荷的沖擊能量分別減少53.21%和17.69%，因此，自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩補償控制有著更好的工況自適應(yīng)能力。