機械化采煤機變速截割控制策略及調速控制研究

王云江

（山西焦煤集團有限責任公司官地煤礦， 山西 太原 030022）

引言

采煤機是實現(xiàn)煤礦綜采工作面自動化生產(chǎn)、高效率生產(chǎn)的關鍵設備。對于綜采工作面而言，由于工作面煤層厚度處于動態(tài)變化狀態(tài)且煤層硬度也不均勻，導致采煤機在截割過程中所承受的負載也處于變化狀態(tài)，直接表現(xiàn)為采煤機需根據(jù)煤層厚度調節(jié)截割深度、根據(jù)煤層高度調節(jié)截割高度以及根據(jù)煤層硬度調節(jié)滾筒旋轉速度和牽引速度。目前，采煤機自適應變速截割主要表現(xiàn)為截割性能偏低以及轉速不可調等問題[1]。本文將重點對機械化采煤機變速截割控制策略和調速控制方法進行研究。

1 采煤機及煤層阻抗識別概述

1.1 采煤機概述

目前，我國煤炭生產(chǎn)以雙滾筒采煤機為主，其包括有截割部、牽引部和電氣控制箱等。采煤機的截割參數(shù)與煤層的堅固性、截割阻抗、破碎性系數(shù)以及脆性系數(shù)相關。本文所研究采煤機的關鍵參數(shù)如表1所示。

表1 采煤機關鍵參數(shù)

從理論上講，當采煤機牽引速度不變時，隨著滾筒轉速的增加對應滾筒所承受的負載減小，且負載的減小變化率隨著滾筒轉速的增加而減小；當采煤機滾筒轉速不變時，隨著牽引速度的增加對應滾筒所承受的負載增加，且二者之間呈線性關系。該理論為后續(xù)變速截割控制策略及調速方法的研究提供支撐[2]。

1.2 煤層截割阻抗的識別

工作面煤層的截割阻抗是實現(xiàn)采煤機自適應變速截割的基礎。因此，為保證采煤機的截割參數(shù)完全適應于綜采工作面的生產(chǎn)，需要準確識別煤層截割阻抗。工作面煤層的截割阻抗在很大程度上直接反應于截割電機的電流值，滾筒所承受的截割負載與定子電流的變化趨勢一致。根據(jù)煤層硬度、破碎系數(shù)以及脆性系數(shù)可將煤層截割阻抗分為五個等級，包括有180～216 kN/m、216～252 kN/m、252～288 kN/m、288～324 kN/m、324～360 kN/m。目前，比較成功的方法為基于神經(jīng)網(wǎng)絡對煤層截割阻抗范圍進行識別，本文不對此項研究內容做過多敘述，默認可準確識別煤層截割阻抗的基礎上實現(xiàn)對采煤機的自適應截割控制。

2 采煤機自適應變速截割控制策略

目前，在實際生產(chǎn)中采煤機牽引速度主要依靠現(xiàn)場作業(yè)人員進行控制，而滾筒轉速保持不變，在此種控制模式下無法保證采煤機獲得煤炭的塊煤率，對應的截割比能耗也較高，現(xiàn)場煤塵嚴重等問題[3]。因此，實現(xiàn)采煤機自適應變速截割控制策略迫在眉睫。

2.1 截割運動參數(shù)的優(yōu)化

為保證最終生產(chǎn)煤炭的塊煤率、截割比能耗以及整體上的生產(chǎn)率，需根據(jù)現(xiàn)場煤層的變化情況（主要以截割阻抗為依據(jù)）調整最佳的截割參數(shù)，重點是對牽引速度和滾筒轉速進行調整。

針對“1.2”中劃分的五個等級范圍的截割阻抗，為了簡化控制策略，針對每個截割阻抗范圍的煤層設定針對性的牽引速度和滾筒轉速。從每個截割阻抗等級范圍中選取一個特征阻抗值得出對應最佳的牽引速度和滾筒轉速，如圖1 所示。

圖1 不同截割阻抗對應最佳截割運動參數(shù)

分析圖1 可知，隨著采煤機截割部滾筒所承受截割阻抗的增大，應通過降低牽引速度和滾筒轉速來獲取在對應截割阻抗下最大的塊煤率，最小的截割比能耗和最大的生產(chǎn)率。

2.2 采煤機自適應截割控制策略研究

雖然通過上述研究得知可通過降低牽引速度和滾筒轉速的方式獲取最佳的截割效果，但是具體控制策略還有待研究，本小節(jié)將重點對自適應變速截割控制策略進行研究，得出最佳控制策略以保證塊煤率、截割比能耗和生產(chǎn)率達到匹配性最佳[4]。

2.2.1 截割阻抗減小工況下的最佳截割控制策略

針對截割阻抗減小的工況，為保證生產(chǎn)效率，需要提升牽引速度和滾筒轉速；對應的控制策略可分為如下三類：a1 號控制策略：先增大滾筒轉速后增大牽引速度；a2 號控制策略：先增大牽引速度后增大滾筒轉速；a3 號控制策略：同時增大牽引速度和滾筒轉速。通過對比，三種控制策略下對應切削面積、截割比能耗以及生產(chǎn)率的變化如圖2 所示。

對比圖2 中不同控制策略對應的截割效率可知：對于切削面積而言，a2 控制策略可獲得最大值；對于截割比能耗而言，同樣采用a2 控制策略可獲得最小值；對于生產(chǎn)率而言，a2 和a3 控制策略可獲得最大值[5]。綜上所述，針對截割阻抗減小的工況可采用先增大牽引速度后增大滾筒轉速的控制策略獲得最佳截割效果。

圖2 截割阻抗減小工況下不同控制策略對應截割效率

2.2.2 截割阻抗增大工況下的最佳截割控制策略

針對截割阻抗增大的工況，為保證生產(chǎn)效率，需要提升牽引速度和滾筒轉速；對應的控制策略可分為如下三類：

a1 號控制策略：先減小滾筒轉速后減小牽引速度；a2 號控制策略：先減小牽引速度后減小滾筒轉速；a3 號控制策略：同時減小牽引速度和滾筒轉速。通過對比，三種控制策略下對應切削面積、截割比能耗以及生產(chǎn)率的變化如圖3 所示。

對比圖3 中不同控制策略對應的截割效率可知：對于切削面積而言，a1 號控制策略可獲得最大值；對于截割比能耗而言，同樣采用a1 控制策略可獲得最小值；對于生產(chǎn)率而言，a1 控制策略可獲得最大值。綜上所述，針對截割阻抗增大的工況可采用先減小滾筒轉速后減小牽引速度的控制策略獲得最佳截割效果。

圖3 截割阻抗增大工況不同控制策略對應截割效率

3 結論

采煤機為煤炭生產(chǎn)的關鍵設備，由于工作面煤層硬度和厚度不均勻，需要采用最佳控制策略以保證最佳截割效率。煤層硬度不均勻直接表現(xiàn)為滾筒所承受的截割阻抗不同。因此，根據(jù)截割阻抗的不同設計最佳的控制策略尤為重要。本文重點開展了采煤機自適應變速截割控制策略的研究，并總結如下：

1）針對截割阻抗增大的工況可采用先減小滾筒轉速后減小牽引速度的控制策略獲得最佳截割效果。

2）針對截割阻抗減小的工況可采用先增大牽引速度后增大滾筒轉速的控制策略獲得最佳截割效果。