突變工況下采煤機(jī)的智能化自適應(yīng)降載控制策略研究

劉玉軍

（山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司新景礦， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

當(dāng)前，礦井建設(shè)已經(jīng)逐漸達(dá)到了智能化、自動(dòng)化以及無(wú)人化的生產(chǎn)狀態(tài)，具有安全性高、生產(chǎn)能力高的特點(diǎn)。采煤機(jī)為煤礦生產(chǎn)的主要設(shè)備，截割部為采煤機(jī)與煤層直接接觸的部件，由于煤層的地質(zhì)條件處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，截割部所承受的負(fù)載也處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)。同時(shí)，實(shí)踐表明采煤機(jī)截割部為整機(jī)最易損的部件，歸其原因?yàn)榻馗顭o(wú)法根據(jù)截割電機(jī)電流的變化及時(shí)對(duì)截割狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而導(dǎo)致截割部零部件處于過(guò)載狀態(tài)[1]。為此，在突變工況下采煤機(jī)截割部控制系統(tǒng)可根據(jù)截割電機(jī)電流變化適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行自適應(yīng)降載控制。

1 采煤機(jī)截割部模型的建立

本文研究的重點(diǎn)為采煤機(jī)截割部，并通過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)降載策略可行性進(jìn)行驗(yàn)證。所以，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)截割部的模型進(jìn)行搭建，并對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

一般的采煤機(jī)主要由左右滾筒、左右搖臂、截割部、牽引部和控制箱組成。本文所研究采煤機(jī)的具體型號(hào)為MG300/700，其對(duì)應(yīng)截割部的傳動(dòng)比為45.4，截割電機(jī)功率為300 kW，采用交流變頻調(diào)速方式對(duì)截割速度進(jìn)行控制。截割部作為與煤層直接接觸的部件，在突變工況下截割部所承受的載荷也是突變的，導(dǎo)致截割部零部件受到一定的沖擊。采煤機(jī)截割部主要由截割電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和螺旋滾筒等組成[2]。

目前，該型采煤機(jī)截割部傳動(dòng)系統(tǒng)采用一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)與三級(jí)平行軸齒輪傳動(dòng)的方式相結(jié)合，截割部傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)截割部傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型

2 滾筒參數(shù)對(duì)截割部電機(jī)影響分析

當(dāng)采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)遇到突變工況時(shí)，對(duì)應(yīng)采煤機(jī)的截割電機(jī)和相應(yīng)的機(jī)械部件均會(huì)承受較大的載荷，從而對(duì)采煤機(jī)截割部的使用壽命造成影響[3]。本節(jié)將重點(diǎn)研究采煤機(jī)滾筒參數(shù)（牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速）對(duì)截割部載荷的影響進(jìn)行研究，為后續(xù)突變工況下采煤機(jī)自適應(yīng)降載控制策略的制定提供支撐。

2.1 牽引速度對(duì)截割部載荷的影響

基于上述所搭建的采煤機(jī)截割部的仿真模型，對(duì)采煤機(jī)牽引速度從1～6 m/s 變化過(guò)程滾筒的最大負(fù)載的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，仿真結(jié)果如下頁(yè)圖2 所示。

如圖2 所示，隨著牽引速度的增加對(duì)應(yīng)滾筒的負(fù)載處于增長(zhǎng)狀態(tài)，只是不同牽引速度下各級(jí)齒輪嚙合力的波動(dòng)幅值不同。具體表現(xiàn)為：隨著采煤機(jī)牽引速度的增加對(duì)應(yīng)滾筒各級(jí)齒輪的嚙合力的波動(dòng)值越大。反映到截割電機(jī)的關(guān)系如下：隨著采煤機(jī)牽引速度的增加對(duì)應(yīng)滾筒截割電機(jī)的電流增加，主要是由于滾筒負(fù)載增加所導(dǎo)致。因此，可根據(jù)采煤機(jī)截割電機(jī)的電流值反映滾筒的負(fù)載。

圖2 采煤機(jī)牽引速度與滾筒負(fù)載之間的關(guān)系

2.2 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)截割部載荷的影響

同樣，在上述所建立模型的基礎(chǔ)上，設(shè)定采煤機(jī)截割巖層的阻力為200 kN/m，采煤機(jī)的牽引速度為6 m/s，對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速為20～55 r/min 時(shí)采煤機(jī)截割部負(fù)載的變化進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 滾筒旋轉(zhuǎn)速度與截割部負(fù)載之間的關(guān)系

如圖3 所示，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加對(duì)應(yīng)滾筒的負(fù)載處于下降趨勢(shì)。而且，在不同滾筒轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)滾筒嚙合力的波動(dòng)情況也不同。具體表現(xiàn)為隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加對(duì)應(yīng)滾筒傳動(dòng)系統(tǒng)各級(jí)齒輪之間的嚙合力波動(dòng)幅值減小。對(duì)應(yīng)的反映值截割電流與采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如下：隨著采煤機(jī)滾筒的增加對(duì)應(yīng)截割電機(jī)電流減小。

3 突變工況下采煤機(jī)智能化降載控制策略的研究

3.1 理論基礎(chǔ)研究

巖層或煤層為截割部與其直接接觸的[5]?？梢哉f(shuō)巖層或煤層的阻抗也是影響采煤機(jī)截割電機(jī)電流的主要因素。而且，采煤機(jī)截割電機(jī)電流與煤層或巖層的截割阻抗之間呈正比線性關(guān)系。

綜上所述，當(dāng)工作面煤層或巖層的截割阻抗一致時(shí)，采煤機(jī)滾筒的轉(zhuǎn)速和牽引速度均與采煤機(jī)截割電機(jī)的電流值相關(guān)。上述三種因素與采煤機(jī)滾筒負(fù)載之間的關(guān)系如式（1）所示：

式中：Mz為采煤機(jī)滾筒負(fù)載；Ap為工作面煤巖截割阻抗；vq為采煤機(jī)的牽引速度；n 為采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速。

因此，在煤巖截割阻抗一致的情況下，可以對(duì)滾筒的轉(zhuǎn)速和采煤機(jī)的牽引速度進(jìn)行調(diào)整，以確保采煤機(jī)截割電機(jī)的電流值處于合理范圍之內(nèi)?？刹捎玫目刂撇呗园ㄓ袃H對(duì)牽引速度進(jìn)行控制、僅對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制以及對(duì)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速同時(shí)控制三種類型。通過(guò)計(jì)算可得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)工作面煤巖阻抗小于175 kN/m 時(shí)僅對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，即升高滾筒轉(zhuǎn)速即可達(dá)到預(yù)期的控制效果；當(dāng)工作面煤巖阻抗大于175 kN/m 時(shí)需要同時(shí)對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度進(jìn)行控制，即升高滾筒轉(zhuǎn)速的同時(shí)降低牽引速度才能夠達(dá)到預(yù)期的控制效果。

2）反映到截割電機(jī)電流上的結(jié)論為：當(dāng)截割電機(jī)電流小于251 A 時(shí)僅對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，即升高滾筒轉(zhuǎn)速即可達(dá)到預(yù)期的控制效果；當(dāng)截割電機(jī)電流大于251 A 時(shí)需要同時(shí)對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度進(jìn)行控制，即升高滾筒轉(zhuǎn)速的同時(shí)降低牽引速度才能夠達(dá)到預(yù)期的控制效果。

3.2 自適應(yīng)降載控制策略的設(shè)計(jì)

本文所研究采煤機(jī)截割電機(jī)的額定電流值為232 A，將232 A 設(shè)定為初始電流值。根絕上述理論基礎(chǔ)研究結(jié)果特制定如圖4 所示的降載控制流程。

圖4 采煤機(jī)自適應(yīng)降載控制策略

如圖4 所示，圖中I初始為采煤機(jī)截割部的額定電流值；Ipg 為上述研究的251 A。首先，系統(tǒng)對(duì)截割電機(jī)的實(shí)時(shí)電流值與其額定電流值進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)電流值小于額定電流值保持當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)即可；當(dāng)實(shí)時(shí)電流值大于截割電機(jī)的額定電流值時(shí)，在對(duì)實(shí)時(shí)電流值與251 A 進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)時(shí)電流值小于251 A 時(shí)采用控制滾筒轉(zhuǎn)速策略即可；當(dāng)實(shí)時(shí)電流值大于251 A 時(shí)需要對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度進(jìn)行同時(shí)控制才能達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)語(yǔ)

采煤機(jī)為綜采工作面的核心設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)中煤巖阻抗不同，以及牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速等不同對(duì)應(yīng)截割部截割電機(jī)的電流值也不同，截割負(fù)載也不同。當(dāng)采煤機(jī)截割部截割負(fù)載過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)電機(jī)以及機(jī)械部件等造成沖擊，從而減小采煤機(jī)的使用壽命和生產(chǎn)效率。為此，本文重點(diǎn)對(duì)突變工況下采煤機(jī)的智能化自適應(yīng)降載控制策略進(jìn)行研究，并總結(jié)如下：

1）隨著采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速的增加，對(duì)應(yīng)滾筒截割部負(fù)載降低，對(duì)應(yīng)的滾筒截割電機(jī)電流減?。?/p>

2）隨著采煤機(jī)牽引速度的增加，對(duì)應(yīng)滾筒截割部負(fù)載增加，對(duì)應(yīng)的滾筒截割電機(jī)電流增大；

3）當(dāng)截割電機(jī)電流大于251 A 時(shí)，需同時(shí)采用增加滾筒轉(zhuǎn)速，降低牽引速度的策略進(jìn)行控制；當(dāng)截割電機(jī)電流小于251 A 且大于截割電機(jī)額定電流時(shí)，通過(guò)增加滾筒轉(zhuǎn)速的控制策略即可達(dá)到預(yù)期效果。