具有自適應(yīng)截割功能的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)研究

劉順強(qiáng)

【摘? 要】論文分析了工作載荷對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割性能、效率造成的影響，指出截割控制要保證截割頭的轉(zhuǎn)速與工作載荷相適應(yīng)、匹配，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、高效截割。論文從變頻電機(jī)、增加轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線控制功能以及主控制器三個(gè)方面分析了自適應(yīng)截割控制策略，對(duì)具有自適應(yīng)截割功能的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件及軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)踐證實(shí)該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、可靠性高，可滿足自適應(yīng)截割需求。

【Abstract】This paper analyzes the influence of working load on the cutting performance and efficiency of boom-type roadheader， and points out that cutting control should ensure that the speed of cutting head is adapted and matched with the working load， so as to realize stable and efficient cutting. The paper analyzes the adaptive cutting control strategies from the three aspects of variable frequency motor， increasing torque envelope control function and main controller， and designs the hardware and software of the control system of roadheader with adaptive cutting function. The practice shows that the system has good real-time performance and high reliability， which can meet the requirements of adaptive cutting.

【關(guān)鍵詞】懸臂式掘進(jìn)機(jī);自適應(yīng)截割;變頻電機(jī);控制系統(tǒng);換檔

【Keywords】boom-type roadheader; adaptive cutting; variable frequency motor; control system; gear shifting

【中圖分類號(hào)】TD42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）07-0178-02

1 引言

基于工頻控制的掘進(jìn)機(jī)截割控制的適應(yīng)性差，容易出現(xiàn)截割電機(jī)過(guò)載、設(shè)備沖擊等問題，造成掘進(jìn)機(jī)使用壽命縮短。本文提出具有自適應(yīng)截割功能的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)，可依據(jù)截割電機(jī)的實(shí)時(shí)荷載對(duì)截割頭轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)截割，滿足復(fù)雜截割工況的需求。

2 自適應(yīng)截割控制的目的

自適應(yīng)截割控制是為了應(yīng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割過(guò)程中工作載荷變化現(xiàn)象而提出的。懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割過(guò)程中，掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、截割操作參數(shù)、截割對(duì)象的特性等都會(huì)對(duì)工作載荷造成影響，現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)以及試驗(yàn)研究均證實(shí)，巖石的機(jī)械物理特性在很大程度上影響了懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作載荷，巖石的單向抗壓強(qiáng)度對(duì)工作載荷造成的影響最大，當(dāng)對(duì)具有較大單向抗壓強(qiáng)度的巖石進(jìn)行截割時(shí)，此時(shí)單刀切削力增加。通常都會(huì)采用降低截割頭轉(zhuǎn)速、增加電動(dòng)機(jī)功率的方法增加單刀力，但是一些問題也隨之而來(lái)：當(dāng)對(duì)一些單向抗壓強(qiáng)度不高的巖石進(jìn)行截割時(shí)，大功率電機(jī)不處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，截割轉(zhuǎn)速不高，因此，工作效率相對(duì)較低;對(duì)硬度相同的巖石進(jìn)行截割時(shí)，轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)會(huì)造成機(jī)器振動(dòng)幅度及截割扭矩增加，因此，截割頭的轉(zhuǎn)速要與截割對(duì)象的單向抗壓強(qiáng)度相協(xié)調(diào)[1]。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的升降油缸、回轉(zhuǎn)引起截割臂擺動(dòng)速度的變化是最為主要的截割操作參數(shù)，其對(duì)截割效果以及工作載荷造成直接影響。通常而言，當(dāng)巖石的單向抗壓強(qiáng)度不高時(shí)，此時(shí)要采用較大的擺動(dòng)速度來(lái)增加截割沖擊，從而實(shí)現(xiàn)高效截割;當(dāng)巖石單向抗壓強(qiáng)度比較大時(shí)，此時(shí)的截割擺動(dòng)速度要減緩，將截割沖擊降低，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定截割。

掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了截割臂擺動(dòng)會(huì)造成截割頭受到的載荷動(dòng)態(tài)變化，但是設(shè)計(jì)之時(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)固定，工作時(shí)無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)，只能通過(guò)調(diào)節(jié)截割臂的擺動(dòng)速度或截割頭的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)沖擊載荷。為了確保截割效果最優(yōu)，必須保證截割臂的擺動(dòng)速度、截割頭的轉(zhuǎn)速能與工作荷載適應(yīng)，且截割臂的擺動(dòng)速度、截割頭的轉(zhuǎn)速要相互匹配。

3 自適應(yīng)截割控制的策略

自適應(yīng)截割控制基于整個(gè)截割系統(tǒng)的控制來(lái)應(yīng)對(duì)截割負(fù)載變化。

第一，采用掘進(jìn)機(jī)專用變頻電機(jī)，功率200kW，電壓1140V，扭矩可依據(jù)轉(zhuǎn)速變化從2000N·m調(diào)整為4200N·m。

第二，截割變頻器基于以往的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制增加轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線控制功能，當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)器值等于定值時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)速PID運(yùn)算，依據(jù)電機(jī)特性曲線來(lái)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩值限幅，輸出值、轉(zhuǎn)速變換控制環(huán)節(jié)增加了轉(zhuǎn)矩限幅的環(huán)節(jié)，進(jìn)而控制輸出轉(zhuǎn)矩。依據(jù)變頻器的多段速功能來(lái)設(shè)置高速檔1500rpm、中速檔1000rpm以及低速檔500rpm，分別適用于煤和半煤巖、半煤巖及煤巖。高速檔轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小，可確保掘進(jìn)機(jī)具有較高的截割效率;中低速檔降速增扭，從而增強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)的破巖能力。