基于采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)能耗模型的速度協(xié)同優(yōu)化控制

陳迪蕾，鄭 征，黃 濤，張國澎

(1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 河南省智能裝備直驅(qū)技術(shù)與控制國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；3.都靈理工大學(xué) 能源系，皮埃蒙特區(qū) 都靈 10129)

我國煤礦多為井工開采，煤炭產(chǎn)量和生產(chǎn)效率均與井下綜采工作面智能化程度密切相關(guān)，《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》中提出將煤礦智能化作為煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐的政策，其中創(chuàng)新“智能化+裝備”協(xié)同模式是煤礦綜采智能化方向的研究熱點(diǎn)之一。采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)作為綜采工作面兩大核心裝備，在采掘系統(tǒng)中能耗占比約85%，其協(xié)同運(yùn)行性能狀況直接影響整個(gè)綜采過程的效率及采掘系統(tǒng)的能耗?！丁笆濉惫?jié)能減排綜合工作方案》明確了節(jié)能降耗的重要性和緊迫性，節(jié)能降耗是煤炭行業(yè)發(fā)展的主要方向，但當(dāng)前煤炭行業(yè)粗放式發(fā)展模式令煤炭生產(chǎn)耗能巨大。因此，筆者結(jié)合煤礦智能化的發(fā)展趨勢以及節(jié)能降耗的發(fā)展要求，以降低綜采裝備能耗為目標(biāo)，研究采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)速度協(xié)同優(yōu)化控制，以實(shí)現(xiàn)智能割煤和智能運(yùn)輸，提高煤炭生產(chǎn)效率，降低煤炭生產(chǎn)能耗及成本，推動(dòng)我國煤炭生產(chǎn)變革，構(gòu)建綠色、智能、高效的能源體系。

采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，工作面特性、設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)以及雙機(jī)之間的協(xié)同運(yùn)行情況等均對其能耗產(chǎn)生影響。國內(nèi)外學(xué)者對采煤機(jī)變速截割比能耗、截割滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化、采煤機(jī)能耗建模及優(yōu)化等問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]研究采煤機(jī)截割參數(shù)對截割比能耗的影響，分析使截割比能耗最小的截線距與截割厚度比的最優(yōu)值。文獻(xiàn)[10]建立了雙滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化模型，利用GA算法對其進(jìn)行優(yōu)化，分析采煤機(jī)的截割性能。文獻(xiàn)[11]得出了要獲得較小的截割比能耗，需盡可能增大采煤機(jī)牽引速度減小滾筒轉(zhuǎn)速的結(jié)論。但上述文中并未分析采煤機(jī)能耗與牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速之間關(guān)系以及從節(jié)能的角度分析速度協(xié)同問題。本課題組在文獻(xiàn)[12]中建立了采煤機(jī)能耗模型，提出基于牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速的最優(yōu)控制策略，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)能耗最小的優(yōu)化控制目標(biāo)。

目前有很多學(xué)者對刮板輸送機(jī)的運(yùn)行阻力及煤流負(fù)荷等進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[13]研究基于物料分布特征的刮板輸送機(jī)的運(yùn)行阻力計(jì)算方法，并對該方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析；文獻(xiàn)[14]通過調(diào)整刮板輸送機(jī)上的煤流量實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)電機(jī)速度及電磁轉(zhuǎn)矩的控制；但上述文獻(xiàn)中未分析煤流負(fù)荷及運(yùn)行阻力隨綜采工藝時(shí)間變化時(shí)的情況。也有學(xué)者研究采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)等裝備之間的協(xié)同控制，例如文獻(xiàn)[15]在對刮板輸送機(jī)負(fù)荷分析的基礎(chǔ)上，提出了采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)速度的綜合協(xié)調(diào)規(guī)劃策略；文獻(xiàn)[16]研究刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)的協(xié)同調(diào)速技術(shù)，通過對刮板輸送機(jī)載煤量變化規(guī)律的分析和對負(fù)載電流的動(dòng)態(tài)預(yù)測，設(shè)計(jì)協(xié)同速度規(guī)劃策略和調(diào)速算法；但上述文獻(xiàn)中的協(xié)同控制數(shù)學(xué)模型未與實(shí)際綜采工藝流程結(jié)合，也未對采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)速度協(xié)同時(shí)的能耗變化情況進(jìn)行分析。

基于此，筆者結(jié)合當(dāng)前綜采中應(yīng)用最廣泛的端部斜切進(jìn)刀雙向割煤工藝，建立刮板輸送機(jī)能耗模型，研究基于采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)能耗模型的速度協(xié)同優(yōu)化控制，以實(shí)現(xiàn)雙機(jī)能耗最小化的目標(biāo)。

1 速度協(xié)同控制主要思路與框架

綜采工作面采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的能耗雖受到多種因素的影響，如煤層分布、礦層硬度、關(guān)聯(lián)設(shè)備約束等，但最終均可通過調(diào)整采煤機(jī)牽引速度、滾筒速度和刮板鏈速度進(jìn)行控制。因此，雙機(jī)能耗問題可歸結(jié)為速度協(xié)同控制問題。相應(yīng)涉及能耗優(yōu)化控制問題的基本框架可如圖1所示，為參與優(yōu)化的所有綜采工作面集合，={1,2,…，,+1,…，}，為該集合中綜采工作面總數(shù)量；為綜采工作面生產(chǎn)循環(huán)集合，={1,2,…，,+1,…，}，為綜采工作面最大生產(chǎn)循環(huán)數(shù)。其核心元素包含：

圖1 速度協(xié)同優(yōu)化研究框架

(1)雙機(jī)能耗模型。分析雙向割煤工藝特點(diǎn)，通過對刮板輸送機(jī)在不同工藝階段時(shí)的煤量線密度、實(shí)時(shí)煤量及運(yùn)行阻力的分析，建立刮板輸送機(jī)能耗模型，結(jié)合筆者前期研究的采煤機(jī)能耗模型，建立雙機(jī)能耗模型。

(2)速度協(xié)同優(yōu)化模型。以各工藝階段牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速、刮板鏈速度及開始、結(jié)束時(shí)間為優(yōu)化變量，在滿足煤量、速度等生產(chǎn)相關(guān)約束條件下，以生產(chǎn)效率、雙機(jī)能耗、生產(chǎn)時(shí)間等單一或多目標(biāo)組合為優(yōu)化目標(biāo)，建立速度協(xié)同優(yōu)化模型，得到各工藝階段最優(yōu)協(xié)同控制速度和運(yùn)行時(shí)間。

(3)速度協(xié)同優(yōu)化控制?；谒俣葏f(xié)同優(yōu)化模型，根據(jù)生產(chǎn)需求，以礦業(yè)公司集合中全部綜采工作面雙機(jī)系統(tǒng)為優(yōu)化對象，對各工作面所有生產(chǎn)循環(huán)中各工藝階段的開始、結(jié)束時(shí)間及其對應(yīng)的牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速、刮板鏈速度進(jìn)行優(yōu)化，并沿各自工作面推進(jìn)方向，按所得優(yōu)化值分別控制相應(yīng)工作面變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中牽引電機(jī)、截割電機(jī)和刮板輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)協(xié)同運(yùn)行。

(4)仿真驗(yàn)證與節(jié)能指導(dǎo)。根據(jù)各工作面特性參數(shù)及工藝特點(diǎn)，參考實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)若干仿真案例，如以綜采工作面第生產(chǎn)循環(huán)為例，一方面，對案例中采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)分別采用不同速度協(xié)同組合下的雙機(jī)能耗與采用速度協(xié)同優(yōu)化控制后的雙機(jī)能耗進(jìn)行比較，驗(yàn)證所提出的協(xié)同優(yōu)化控制的有效性；

另一方面，分析不同速度協(xié)同組合下采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)在第生產(chǎn)循環(huán)中的雙機(jī)能耗的變化情況及優(yōu)化結(jié)果，為實(shí)際生產(chǎn)過程中由于現(xiàn)場環(huán)境變化無法按照最優(yōu)速度運(yùn)行時(shí)，提供速度協(xié)同調(diào)整的理論依據(jù)與指導(dǎo)。

圖1中瓦斯體積分?jǐn)?shù)、通風(fēng)水文等與生產(chǎn)相關(guān)的約束本文均假設(shè)為理想狀態(tài)，目標(biāo)函數(shù)權(quán)重系數(shù)矩陣=[,…，,…，]=[0,…，1,…，0]。

2 采煤及運(yùn)煤工藝流程

筆者以綜采工作面端部斜切進(jìn)刀雙向割煤工藝為例進(jìn)行分析，討論的內(nèi)容包括所研究的綜采工作面任一生產(chǎn)循環(huán)在整個(gè)長壁長度中，采煤及運(yùn)煤過程常見的工藝步驟。

圖2 第k生產(chǎn)循環(huán)采煤機(jī)雙向割煤工藝流程[12]

圖3 k生產(chǎn)循環(huán)刮板輸送機(jī)運(yùn)煤工藝示意

在圖2和圖3基礎(chǔ)上，本節(jié)采用統(tǒng)一明確的方式描述一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)內(nèi)，采煤機(jī)從長壁上端部端頭開始割第1刀煤時(shí)從刮板輸送機(jī)機(jī)尾到機(jī)頭的運(yùn)行情況。

2.1 上端部端頭斜切進(jìn)刀割三角煤

2.2 正常割煤

采煤機(jī)在下端部端頭開始從刮板輸送機(jī)機(jī)頭到機(jī)尾割第2刀煤時(shí)雙機(jī)的運(yùn)行情況可參考2.1和2.2節(jié)。

3 采煤機(jī)及刮板輸送機(jī)能耗模型

3.1 采煤機(jī)能耗模型

3.1.1 采煤機(jī)采煤功率

(1)

(2)

式中，為截齒截刃寬度。

3.1.2 采煤機(jī)能耗

(3)

采煤機(jī)在第綜采工作面的總能耗為

(4)

3.2 刮板輸送機(jī)能耗模型

刮板輸送機(jī)的傳動(dòng)功率取決于其運(yùn)行阻力的大小，根據(jù)刮板輸送機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，運(yùn)行阻力主要包括直線段和曲線段的阻力。

直線段阻力指在刮板輸送機(jī)鋪設(shè)中部槽的沿向，按照貨載物料的運(yùn)輸能力，分為有載段和無載段，有載段是刮板輸送機(jī)鏈條從機(jī)尾到機(jī)頭運(yùn)輸物料的部分，無載段是指刮板鏈從機(jī)頭返回機(jī)尾的非承載部分。有載段阻力主要包括貨載物料和刮板鏈條的自重分力、貨載物料與中部槽之間的摩擦力、刮板鏈條與中部槽之間的摩擦力、物料和物料之間的摩擦力以及有載段阻力占總阻力絕大比例；而無載段阻力主要包括刮板鏈條與底板的摩擦力。曲線段阻力主要為刮板鏈繞過驅(qū)動(dòng)鏈輪的彎曲阻力和刮板輸送機(jī)彎曲段的附加阻力。

本部分先對刮板輸送機(jī)運(yùn)煤過程中所受的運(yùn)行阻力進(jìn)行分析，從而建立刮板輸送機(jī)在運(yùn)煤各階段的能耗模型。

3.2.1 刮板輸送機(jī)直線段運(yùn)行阻力分析

(5)

(6)

(7)

(8)

式(5)～(8)中，當(dāng)煤和刮板鏈沿刮板輸送機(jī)運(yùn)行方向分力與運(yùn)行阻力方向相同取“+”,相反取“-”。

當(dāng)采煤機(jī)從刮板輸送機(jī)機(jī)尾到機(jī)頭運(yùn)行時(shí)：

(9)

當(dāng)采煤機(jī)從刮板輸送機(jī)機(jī)頭到機(jī)尾運(yùn)行時(shí)：

(10)

從式(7)，(8)可知，要得到刮板輸送機(jī)直線段瞬時(shí)運(yùn)行阻力，首先應(yīng)計(jì)算刮板輸送機(jī)上的實(shí)時(shí)煤量線密度及實(shí)時(shí)煤量，而煤量線密度及實(shí)時(shí)煤量與各工藝階段特點(diǎn)相關(guān)，但式(9)，(10)中計(jì)算線密度時(shí)未考慮，因此，本文結(jié)合各個(gè)工藝階段煤量系數(shù)、牽引速度、采煤量和刮板鏈速度的變化，對刮板輸送機(jī)上的實(shí)時(shí)煤量線密度和煤量進(jìn)行分析，從而得到各工藝階段刮板輸送機(jī)直線段的瞬時(shí)運(yùn)行阻力。

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

3.2.2 刮板輸送機(jī)運(yùn)行阻力

(31)

(32)

3.2.3 刮板輸送機(jī)運(yùn)煤功率

(33)

3.2.4 刮板輸送機(jī)運(yùn)煤能耗

(34)

(35)

4 雙機(jī)速度協(xié)同優(yōu)化模型

對綜采工作面采煤機(jī)及刮板輸送機(jī)的速度協(xié)同控制，可以考慮不同的優(yōu)化目標(biāo)，甚至同時(shí)考慮多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)(如圖1速度協(xié)同優(yōu)化研究框架所示)。為了保證可實(shí)施性，通常多目標(biāo)優(yōu)化都會(huì)通過權(quán)重設(shè)置轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化，而不同目標(biāo)權(quán)重設(shè)置的不同，會(huì)對最終結(jié)果產(chǎn)生影響，進(jìn)而對理解控制變量與目標(biāo)函數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系產(chǎn)生不利影響。因此，為了突出研究重點(diǎn)，厘清速度協(xié)同控制對雙機(jī)能耗的影響，以便給實(shí)際生產(chǎn)提供實(shí)質(zhì)性的指導(dǎo)，在優(yōu)化建模過程中只考慮能耗最小化的單目標(biāo)優(yōu)化，而將生產(chǎn)時(shí)間以及采煤量均作為約束條件，在一定的生產(chǎn)時(shí)間完成既定的采煤量，即在實(shí)現(xiàn)較高生產(chǎn)效率的同時(shí)能耗最優(yōu)。在此研究基礎(chǔ)上，后續(xù)研究會(huì)考慮生產(chǎn)效率最大和生產(chǎn)時(shí)間最小等多目標(biāo)優(yōu)化問題。

本節(jié)旨在建立綜采工作面采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)速度協(xié)同優(yōu)化的一般模型。

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

理想工況下，當(dāng)綜采工作面特性參數(shù)、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的型號都確定后，雙機(jī)能耗僅受牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速、刮板鏈速度和有效運(yùn)行時(shí)間的影響，因此以各工藝階段牽引速度(m/s)、滾筒轉(zhuǎn)速(r/min)、刮板鏈速度(m/s)以及各工藝階段運(yùn)行開始和結(jié)束時(shí)間(s)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量：

=[,,,]

4.2 目標(biāo)函數(shù)

本文的優(yōu)化目標(biāo)是某礦所有綜采工作面雙向采煤工藝中對應(yīng)的采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)雙機(jī)系統(tǒng)總能耗最小化，目標(biāo)函數(shù)為

(36)

4.3 約束條件

4.3.1 速度約束

(37)

(38)

(39)

4.3.2 生產(chǎn)時(shí)間約束

(1)采煤時(shí)間約束

(40)

(2)采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)間約束

(41)

(42)

根據(jù)礦業(yè)公司生產(chǎn)部門對采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)間的要求設(shè)置約束條件(40)～(42)。

(3)生產(chǎn)工藝時(shí)間約束

當(dāng)刮板鏈速度達(dá)到一定值時(shí)，采煤機(jī)開始運(yùn)行，采煤機(jī)停止采煤后，當(dāng)刮板輸送機(jī)上的煤全部運(yùn)送完畢后刮板輸送機(jī)停止運(yùn)行。

(43)

(44)

根據(jù)雙向采煤生產(chǎn)工藝對設(shè)備啟停順序的要求設(shè)置約束條件(43)，(44)。

4.3.3 實(shí)時(shí)煤流量約束

(45)

4.3.4 煤量約束

(46)

根據(jù)刮板輸送機(jī)運(yùn)輸能力和采煤量要求分別設(shè)置約束條件(45)，(46)。

5 案例分析

筆者以山西某煤礦9105工作面MG400/930-WD采煤機(jī)和SGZ1000/2*1000刮板輸送機(jī)雙機(jī)系統(tǒng)作為研究對象，根據(jù)3.1節(jié)中采煤機(jī)能耗模型(3)和3.2節(jié)中刮板輸送機(jī)能耗模型(34)，對9105工作面一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)過程進(jìn)行仿真，分別分析采煤機(jī)能耗與牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，以及刮板輸送機(jī)能耗與牽引速度和刮板鏈速度之間的關(guān)系；并根據(jù)第5部分構(gòu)建的雙機(jī)速度協(xié)同優(yōu)化模型，得到使雙機(jī)總能耗最小的優(yōu)化協(xié)同速度和優(yōu)化運(yùn)行時(shí)間。

本文所有仿真在配置為windows10 professional 64bit,Intel(R)Core(TM)i5-8250U CPU,8.00 GB RAM的ThinkPad個(gè)人電腦上進(jìn)行。根據(jù)工作面特性參數(shù)及工藝特點(diǎn)，參考調(diào)研所得實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)若干仿真案例?；诒疚奶岢龅碾p機(jī)能耗模型和速度優(yōu)化模型，通過Matlab2017B軟件編程計(jì)算，分別得到如5.2節(jié)的雙機(jī)能耗隨速度變化的數(shù)據(jù)結(jié)果以及5.3節(jié)的優(yōu)化問題求解后的能耗優(yōu)化結(jié)果。需要注意的是，本文的研究工作均假設(shè)在長壁工作面煤層平均截割阻抗不變以及綜采工作面的瓦斯體積分?jǐn)?shù)、通風(fēng)情況、水文條件均正常且滿足開采要求等理想工況下進(jìn)行。此外，假設(shè)各工藝階段中牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速和刮板鏈速度均可控和可測，且在每一個(gè)工藝階段內(nèi)保持不變，為方便分析整個(gè)生產(chǎn)循環(huán)內(nèi)的能耗，對以上3種速度重新定義：

(47)

(48)

(49)

5.1 仿真參數(shù)

表1～3分別描述了山西某煤礦9105綜采工作面、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的相關(guān)參數(shù)。

表1 9105綜采工作面相關(guān)參數(shù)

表2 采煤機(jī)相關(guān)參數(shù)

表3 刮板輸送機(jī)相關(guān)參數(shù)

5.2 速度變化對雙機(jī)能耗的影響

根據(jù)某煤礦9105綜采工作面采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)及設(shè)備說明書，并參考文獻(xiàn)[22]中滾筒轉(zhuǎn)速與牽引速度匹配規(guī)則，確定一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)6個(gè)工藝階段中牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速和刮板鏈速度(基準(zhǔn)值)，見表4。

表4 牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速和刮板鏈速度基準(zhǔn)值

需要說明的是，本文引入速度基準(zhǔn)值概念并采用速度p.u.(標(biāo)幺值)來描述實(shí)際速度與基準(zhǔn)值的比值，以對牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速和刮板鏈速度的單位進(jìn)行統(tǒng)一，從而方便仿真計(jì)算和分析。

在以實(shí)際綜采數(shù)據(jù)為依據(jù)做仿真分析時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)3種速度變化幅度不同時(shí)，對能耗結(jié)果有影響，因此根據(jù)此變化特點(diǎn)，本文以表4為基礎(chǔ)，在合理的速度范圍內(nèi)設(shè)計(jì)不同案例，按牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速、刮板鏈速度與各自基準(zhǔn)值的比值與1相比的變化幅度大小，對設(shè)計(jì)選取的案例進(jìn)行分類，將牽引速度變化幅度大于滾筒轉(zhuǎn)速及刮板鏈速度變化幅度的案例分為第1類，將牽引速度變化幅度小于滾筒轉(zhuǎn)速及刮板鏈速度的變化幅度的案例分為第2類；此外，根據(jù)3種速度的變化特點(diǎn)(≥1或≤1)，將第1類分為案例1～4，將第2類分為案例5～8，見表5。按所描述的分類方法，案例1～8的分布如圖4所示，圖4中橫坐標(biāo)為牽引速度標(biāo)幺值，縱坐標(biāo)為滾筒轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值，以顏色區(qū)分不同案例，圖4內(nèi)任一點(diǎn)代表一個(gè)速度組合SC(即表5各案例中按列給定的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速)。本部分為方便分析能耗最速下降路徑及能耗均衡分布路徑另外設(shè)計(jì)選取案例9，見表5。下文所分析的案例1～9中速度(標(biāo)幺值)均以表4中速度值為基準(zhǔn)計(jì)算，例如，案例1中牽引速度為0.9，其在第1個(gè)工藝階段()中的實(shí)際值為0.9×0.025=0.022 5 m/s，同理可計(jì)算～的牽引速度值以及案例1～9中牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速和刮板鏈速度在～中的實(shí)際值。

圖4 合理速度組合范圍內(nèi)的案例1～8分布

表5 案例1～9中速度標(biāo)幺值

以上案例1～9中選取的任一速度p.u.均在0.85～1.10，這個(gè)變化范圍也是在綜采速度實(shí)際變化范圍之內(nèi)的，從而使仿真分析與實(shí)際情況相符；另外，所選取的上述9個(gè)案例中的速度在一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)6個(gè)工藝階段中均保持不變。

下文所分析的案例1～9中速度(標(biāo)幺值)均以表4中速度值為基準(zhǔn)計(jì)算，例如，案例1中牽引速度標(biāo)幺值為0.90，其在第1個(gè)工藝階段()中的實(shí)際值為0.90×0.025=0.022 5 m/s，同理可計(jì)算～的牽引速度值以及案例1～9中牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速和刮板鏈速度在～中的實(shí)際值。

5.2.1 不同牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速下的采煤機(jī)能耗分析

按照表5中9個(gè)案例牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速給定值，對3.1.2節(jié)中采煤機(jī)能耗模型(3)進(jìn)行仿真，可得到各案例采煤機(jī)能耗曲線(以圖5所示案例1為例)。圖5中橫坐標(biāo)為采煤機(jī)作業(yè)時(shí)間，縱坐標(biāo)為采煤機(jī)在一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)中的能耗，從圖5可以看出，在合理的速度范圍內(nèi)，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速相同時(shí)，能耗隨牽引速度增加而降低，當(dāng)牽引速度相同時(shí)，能耗隨滾筒轉(zhuǎn)速降低而降低。

圖5 案例1中不同牽引速度和滾筒速度組合下采煤機(jī)在一個(gè)生產(chǎn)周期的能耗

按表5中速度組合SC(即各案例中按列給定的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速)進(jìn)行仿真，得到如圖6所示的采煤機(jī)能耗散點(diǎn)圖，圖6中橫坐標(biāo)為牽引速度標(biāo)幺值，縱坐標(biāo)為滾筒轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值，圓形大小表示能耗，明暗程度表示運(yùn)行長短。通過圖6可對圖5中結(jié)論進(jìn)一步驗(yàn)證，例如當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值為1時(shí)，表示能耗值的圓形圖標(biāo)隨牽引速度增加而不斷變小，當(dāng)牽引速度標(biāo)幺值為0.90時(shí)，表示能耗值的圓形圖標(biāo)隨滾筒轉(zhuǎn)速降低而不斷變小。

圖6 案例1～9中不同牽引速度和滾筒速度組合下采煤機(jī)在一個(gè)生產(chǎn)周期的能耗散點(diǎn)

另外，由圖6還可以看出：

(1)采煤機(jī)最大能耗為9 738 087.65 kJ，案例2中SC=(0.88,1.10)(組合SC=(牽引速度(p.u.),滾筒轉(zhuǎn)速(p.u.))，本小節(jié)同)，最小能耗為8 527 955.36 kJ(案例8中SC=(1.04,0.92))。在其他生產(chǎn)約束相同的情況下，通過牽引速度及滾筒轉(zhuǎn)速匹配，可有效節(jié)能達(dá)11.58%。

(2)為了分析牽引速度及滾筒轉(zhuǎn)速的變化對采煤機(jī)能耗的影響程度，選取速度變化一致的組合案例2和案例5來分析。

案例2中SC=(0.90,1.00)時(shí)，采煤機(jī)能耗為9 305 043.51 kJ，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值保持1不變時(shí)，牽引速度標(biāo)幺值增加0.05，能耗降低2.19%，當(dāng)牽引速度標(biāo)幺值保持0.9不變時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值降低0.05，能耗降低1.8%;案例5中SC=(0.95,0.85)時(shí)，采煤機(jī)能耗為8 603 902.39 kJ，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值保持0.85不變時(shí)，牽引速度標(biāo)幺值增加0.05，能耗降低2.09%，當(dāng)牽引速度標(biāo)幺值保持0.95不變時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值降低0.05，能耗降低1.90%。

綜上分析可知，牽引速度增加與滾筒轉(zhuǎn)速降低相比，前者對采煤機(jī)能耗影響更大，若選取其他速度變化相同的組合與此分析結(jié)果一致。

(3)為指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，為采煤機(jī)提供最明顯的節(jié)能速度匹配方式，在能耗散點(diǎn)圖中選取4條路徑①②③④進(jìn)行分析(圖6)。沿路徑①，能耗最小值與最大值相比，能耗降低10.32%，路徑②上能耗最小值與最大值相比，其牽引速度增加和滾筒轉(zhuǎn)速降低與路徑①相同，但能耗降低10.30%；若選取其他路徑能耗降低值更小。

沿路徑③，當(dāng)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速同時(shí)增加0.05時(shí)，③中能耗降低0.28%；沿路徑④，當(dāng)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速同時(shí)增加0.05時(shí)，④中能耗降低0.36%；同理可分析與③和④變化規(guī)律相同的其他路徑。

綜上分析可知，①為采煤機(jī)能耗最速下降路徑，當(dāng)采煤機(jī)的牽引速度增加和滾筒轉(zhuǎn)速降低同比率變化時(shí)，采煤機(jī)能耗降低最明顯，若選?、俸廷谥衅渌c(diǎn)與此分析結(jié)果一致；③和④均為采煤機(jī)能耗均衡分布路徑，且按圖6中箭頭所示方向?yàn)槟芎慕档头较?，?dāng)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速同比率增加或減少時(shí)，能耗變化不明顯，若選?、酆廷苤衅渌c(diǎn)，其結(jié)果與以上分析的能耗變化率均小于1%，該變化路徑為能耗均衡分布路徑。

5.2.2 不同牽引速度和刮板鏈速度下的刮板輸送機(jī)能耗分析

根據(jù)3.2.3和3.2.4節(jié)中刮板輸送機(jī)能耗模型特點(diǎn)，按照表5中9個(gè)案例牽引速度和刮板鏈速度給定值，對3.2.3節(jié)中的能耗模型進(jìn)行仿真，可得到各案例刮板輸送機(jī)能耗曲線(以圖7所示案例1為例)。圖7中橫坐標(biāo)為采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)協(xié)同作業(yè)時(shí)間，縱坐標(biāo)為刮板輸送機(jī)在一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)中的能耗，從圖7可以看出，在一定的速度范圍內(nèi)，當(dāng)刮板鏈速度相同時(shí)，能耗隨牽引速度增加而降低，當(dāng)牽引速度相同時(shí)，能耗隨刮板鏈速度降低而降低。

圖7 案例1中不同牽引速度和刮板鏈速度組合下刮板輸送機(jī)在一個(gè)生產(chǎn)周期的能耗

按表5中速度組合SC(即各案例中按列給定的牽引速度和刮板鏈速度)進(jìn)行仿真，得到如圖8所示刮板輸送機(jī)能耗熱力圖，圖8中橫坐標(biāo)為牽引速度標(biāo)幺值，縱坐標(biāo)為刮板鏈速度標(biāo)幺值，以不同顏色表示能耗分布區(qū)間。通過圖8可對圖7中結(jié)論進(jìn)一步驗(yàn)證，例如當(dāng)刮板鏈速度標(biāo)幺值為1.00時(shí)，表示能耗值的顏色標(biāo)識隨牽引速度標(biāo)幺值增加由深藍(lán)→綠→黃→天藍(lán)→紫→淺藍(lán)變化，能耗值不斷降低；當(dāng)牽引速度標(biāo)幺值為0.90時(shí)，表示能耗值的顏色標(biāo)識隨刮板鏈速度降低由紅→深藍(lán)→綠→黃→天藍(lán)變化，能耗值不斷降低。

圖8 案例1～9中不同牽引速度和刮板鏈速度組合下刮板輸送機(jī)在一個(gè)生產(chǎn)周期的能耗熱力

另外，由圖8還可以看出：

(1)刮板輸送機(jī)最大能耗為20 341 474.44 kJ，案例6中SC=(0.9,1.1)(SC=(牽引速度(p.u.),刮板鏈速度(p.u.)))，本小節(jié)同)，最小能耗為14 844 792.45 kJ(案例8中SC=(1.04,0.92))。在其他生產(chǎn)約束相同的情況下，通過牽引速度及刮板鏈速度匹配，可有效節(jié)能達(dá)27.02%。

(2)為了分析牽引速度及刮板鏈速度的變化對刮板輸送機(jī)能耗的影響程度，選取速度變化一致的組合案例5和案例8來分析。

案例5中SC=(0.95,0.94)時(shí)，刮板輸送機(jī)能耗為16 560 845.27 kJ，當(dāng)刮板鏈速度保持0.94不變時(shí)，牽引速度增加0.02，能耗降低2.04%，當(dāng)牽引速度保持0.95不變時(shí)，刮板鏈速度減少0.02，刮板輸送機(jī)能耗降低2.07%。

案例8中SC=(1.02,0.94)時(shí)，刮板輸送機(jī)能耗為15 454 166.23 kJ，當(dāng)刮板鏈速度保持0.94不變時(shí)，牽引速度增加0.02，能耗降低1.91%，當(dāng)牽引速度保持1.02不變時(shí)，刮板鏈速度減少0.02，刮板輸送機(jī)能耗降低2.03%。

綜上分析可知，牽引速度增加與刮板鏈速度減小相比，刮板鏈速度減小對刮板輸送機(jī)能耗影響較大，若選取其他速度變化的組合與此分析結(jié)果一致。

(3)為指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，為刮板輸送機(jī)提供最明顯的節(jié)能速度匹配方式，在能耗熱力圖中選取4條路徑⑤，⑥，⑦，⑧進(jìn)行分析(圖8)。沿路徑⑤，能耗最小值與最大值相比，能耗降低24.34%，路徑⑥上能耗最小值與最大值相比，其牽引速度增加和刮板鏈速度降低與路徑⑤相同，但能耗降低23.93%，若選取其他路徑能耗降低率更小。

沿路徑⑦，當(dāng)牽引速度和刮板鏈速度同時(shí)增加0.05時(shí)，⑦中能耗降低0.010 3%；沿路徑⑧，當(dāng)牽引速度和刮板鏈速度同時(shí)增加0.05時(shí)，⑧中能耗降低0.23%，同理可分析與⑦和⑧變化規(guī)律相同的其他路徑。

綜上分析可知，⑤為刮板輸送機(jī)能耗最速下降路徑，當(dāng)牽引速度增加和刮板鏈速度降低同比率變化時(shí)，刮板輸送機(jī)能耗降低最明顯，若選?、莺廷拗衅渌c(diǎn)與此分析結(jié)果一致；⑦和⑧均為刮板輸送機(jī)能耗均衡分布路徑，當(dāng)采煤機(jī)牽引速度和刮板輸送機(jī)刮板鏈速度同比率增加或減少時(shí)，刮板輸送機(jī)能耗基本保持不變，若選取⑦和⑧中其他點(diǎn)，其結(jié)果與以上分析結(jié)果變化率均小于1%，該變化路徑為能耗均衡分布路徑。

以上分析得出的部分結(jié)論如采煤機(jī)牽引速度和刮板輸送機(jī)刮板鏈速度同比率增加或減少時(shí)，刮板輸送機(jī)能耗基本保持不變，與實(shí)際綜采經(jīng)驗(yàn)相符。這也間接證明了本文所構(gòu)建模型的正確性。

因此，綜采作業(yè)時(shí)，在滿足采煤量、運(yùn)行時(shí)間以及雙機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)等限制條件下，綜合協(xié)調(diào)好采煤機(jī)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速以及刮板鏈速度，能有效減少雙機(jī)系統(tǒng)能耗。

5.3 優(yōu)化速度下的雙機(jī)能耗分析

根據(jù)第4節(jié)建立的雙機(jī)速度協(xié)同優(yōu)化模型，使用Matlab 2017b優(yōu)化工具箱中的非線性約束優(yōu)化“fmincon”函數(shù)，采用內(nèi)點(diǎn)法求解該優(yōu)化問題，對采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)在一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)中的能耗進(jìn)行優(yōu)化，其結(jié)果見表6(取表4中對應(yīng)基準(zhǔn)值計(jì)算實(shí)際值)。

表6 牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速和刮板鏈速度優(yōu)化值(p.u.)

本文約束條件邊界均是根據(jù)調(diào)研所得實(shí)際綜采數(shù)據(jù)而設(shè)，一般來說，最優(yōu)值會(huì)在某一約束條件的邊界取得，為了驗(yàn)證本文計(jì)算的速度優(yōu)化值不是因?yàn)榉潘伤俣鹊募s束邊界而得到的，在表6優(yōu)化結(jié)果的鄰域內(nèi)，結(jié)合采煤機(jī)及刮板輸送機(jī)協(xié)同運(yùn)行要求，參照表5中各案例選取規(guī)則，選擇滿足牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速及刮板鏈速度p.u.值均小于等于1的值進(jìn)行排列組合，設(shè)計(jì)如表7所示案例10和案例11共10組速度，對這10組速度值及基準(zhǔn)速度組合(1,1)下的能耗值與優(yōu)化速度下的能耗值進(jìn)行對比，如圖9所示。若選擇滿足牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速及刮板鏈速度p.u.值均大于等于1的進(jìn)行排列組合，分析方法一致。

表7 案例10～11中牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速和刮板鏈速度

另外，根據(jù)5.2節(jié)中分析的速度對雙機(jī)能耗影響的變化特點(diǎn)，為了方便分析，本文對案例10～11中滾筒轉(zhuǎn)速與刮板鏈速度的速度p.u.取值相同。

圖9柱狀圖中橫坐標(biāo)表示3種速度組合(牽引速度(p.u.),滾筒轉(zhuǎn)速/刮板鏈速度(p.u.))，縱坐標(biāo)表示能耗值，每組速度組合中第1根紅色柱子表示采煤機(jī)能耗，數(shù)字代表能耗值，第2根藍(lán)色柱子表示刮板輸送機(jī)能耗，第3根柱子表示雙機(jī)總能耗。由圖9可以看出，與案例10和案例11中10組速度值及基準(zhǔn)速度組合(1,1)下的能耗值相比，優(yōu)化速度組合下的能耗值很明顯最小，與基準(zhǔn)速度組合(1,1)相比，采用優(yōu)化后速度組合時(shí)，采煤機(jī)能耗和刮板輸送機(jī)能耗分別降低4.47%和11.71%。與案例10和案例11中能耗最大速度組合(0.844,0.88)相比，采煤機(jī)能耗和刮板輸送機(jī)能耗分別降低6.67%和17.71%，與案例10和案例11中能耗最小速度組合(0.956,0.85)相比，采煤機(jī)能耗和刮板輸送機(jī)能耗分別降低0.79%和3.92%。與案例1～案例9中能耗最大速度組合(0.9,1.1)相比，采煤機(jī)能耗和刮板輸送機(jī)能耗分別降低11.71%和29.55%，與案例1～案例9中能耗最小速度組合(1.04,0.92)相比，采煤機(jī)能耗和刮板輸送機(jī)能耗分別降低0.15%和3.46%。

圖9 優(yōu)化速度、參考速度及其他速度組合下采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)在一個(gè)生產(chǎn)周期的能耗

需要指出的是，由于目前煤礦的采樣設(shè)備并不完善，還不具備相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集條件，難以達(dá)到精確驗(yàn)證的目的。但是，通過實(shí)地調(diào)研以及與煤礦技術(shù)人員的交流分析，本文計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本相符。另外，雖然目前實(shí)際生產(chǎn)中采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速還無法做到連續(xù)調(diào)節(jié)，但隨著科技的發(fā)展以及對綜采裝備的改進(jìn)，對連續(xù)調(diào)節(jié)及配套的控制需求會(huì)逐漸增長。因此，本文以牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速及刮板鏈速度均能連續(xù)調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)假設(shè)，對雙機(jī)速度協(xié)同控制進(jìn)行研究。本文得出的結(jié)論，尤其是協(xié)同控制的趨勢性建議，仍然有效。雖然本文目前給出的最優(yōu)運(yùn)行速度無法在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)，但結(jié)合本文給出的協(xié)同控制趨勢，可使得實(shí)際生產(chǎn)的速度最為接近最優(yōu)控制速度，即可實(shí)現(xiàn)能耗最小。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)雙向割煤及運(yùn)煤工藝特點(diǎn)，分析刮板輸送機(jī)在各工藝階段的實(shí)時(shí)煤量線密度、實(shí)時(shí)煤量和運(yùn)行阻力，建立了考慮采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的刮板輸送機(jī)能耗模型，結(jié)合筆者前期研究的采煤機(jī)能耗模型，建立了雙機(jī)能耗模型；此外，通過對9個(gè)案例中45個(gè)速度協(xié)同組合進(jìn)行仿真，詳細(xì)分析牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速對采煤機(jī)能耗的影響以及牽引速度和刮板鏈速度對刮板輸送機(jī)能耗的影響，為實(shí)際復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境中如何實(shí)現(xiàn)更多的節(jié)能提供參考。

(2)根據(jù)建立的雙機(jī)能耗模型，以雙機(jī)系統(tǒng)總能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，以采煤量、速度等生產(chǎn)相關(guān)要求為約束條件，以各工藝階段的開始、結(jié)束時(shí)間及其對應(yīng)的牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速、刮板鏈速度為優(yōu)化變量，建立雙機(jī)速度協(xié)同優(yōu)化模型，并采用內(nèi)點(diǎn)算法求解該優(yōu)化問題，得到各工藝階段最優(yōu)協(xié)同速度及運(yùn)行時(shí)間。

(3)根據(jù)本文提出的速度協(xié)同優(yōu)化控制思路，按優(yōu)化后的各工藝階段的開始、結(jié)束時(shí)間及其對應(yīng)的牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速、刮板鏈速度分別控制采煤機(jī)的左右牽引電機(jī)和前后截割電機(jī)及刮板輸送機(jī)的機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)協(xié)同運(yùn)行，與基準(zhǔn)速度下的能耗值相比，采煤機(jī)可節(jié)能4.47%，刮板輸送機(jī)可節(jié)能11.71%，總節(jié)能可達(dá)10.90%，節(jié)能效果顯著。

本研究有助于實(shí)現(xiàn)煤礦的精益化管理，并對開展綜采工作面采掘及主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)的區(qū)域化智能決策和自動(dòng)協(xié)同運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。在本研究基礎(chǔ)上，后續(xù)將繼續(xù)研究煤巖工況例如截割阻抗變化時(shí)以及多優(yōu)化目標(biāo)包括綜采效率最大化及雙機(jī)能耗最小化時(shí)的速度協(xié)同控制。