突變工況下采煤機機電控制優化

李春慶

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦掘進科， 山西 古交 030200）

引言

采煤機在工作過程中，煤層本身的條件是不可控的，這導致截割滾筒截割煤層時受到的載荷波動幅值大，變化劇烈。滾筒截割部機電系統在這類復雜的強沖擊載荷下非常容易損壞[1-4]。

傳統采煤機為降低載荷波動的影響，通常采用恒速截割的方法，即通過降低采煤機牽引速度來降低滾筒負載，但降低牽引速度的同時會影響采煤機的生產效率。為更好地解決上述問題，提出了利用截割電流自動識別，滾筒轉速和牽引速度聯合降載的控制策略，優化采煤機機電控制系統[5-6]。

1 突變工況下的采煤機機電控制系統自適應降載控制策略

研究發現，升高滾筒轉速和降低牽引速度均可以降低滾筒負載。不同的是，升高滾筒轉速對采煤機生產效率沒有影響，但由于截割電機最大轉速的限制，調節滾筒轉速具有一定的局限性。因此，提出了牽引降載、滾筒降載互相協調的降載控制策略，如圖1 所示。

降載策略以截割電流作為判斷依據，將0.5 s 中的截割電機電流穩定值I 作為識別基礎，從而有針對性地選用不同的自適應控制策略。如邏輯框圖1所示，首先看截割電機電流I 是否超過初始額定電流，是，則需降載從而使用控制策略；否，則不改變初始牽引速度v 和滾筒轉速n。

當截割電機電流I 超出額定電流的情況下，但未超過協調降載控制電流時，采煤機選用的控制策略是滾筒降載。采煤機滾筒的阻抗與采煤機機電系統截割部的電流為正比關系，通過滾筒轉矩與滾筒阻抗的關系可以得出電流與滾筒轉速之間的對應值。在已知電流高于初始數值狀態后，按照減速電機額定加速度對滾筒轉速進行相應的提升，待滾筒達到規定轉速后測定電流，確定電流幅值降至額定數值后，完成對采煤機的降載策略。

圖1 突變工況下自適應降載控制策略

當截割電機電流I 超出額定電流的情況下，同時超過滾筒降載最大電流時，按照減速電機額定加速度對滾筒轉速進行相應的提升的同時，對采煤機牽引電機進行調速，確定電流幅值降至額定數值后，完成對采煤機的降載策略。

結合上述控制策略，建立電機電流與負載之間的關系，并確定最大滾筒轉速對應電流。

2 電機負載和滾筒負載的關系

實現采煤機在突變工況下自適應降載，需要通過電流來感知工況的變化以確定采煤機降載控制參數目標值[7-8]。因此需要通過電機負載和滾筒負載之間的關系來建立電流與牽引速度和滾筒轉速之間的關系。

采煤工作時滾筒受力如下頁圖2 所示，分別為側向力Xij、牽引阻力Yij、截割阻力Zij，這三個力之間存在一個近似的比例關系，因此分析采煤機滾筒受力情況時，以截割阻力作為研究對象。

圖2 滾筒截割單齒受力圖

前蘇聯學者基于密實核理論，通過大量實驗研究得到截齒受力大小與截割機構包括截齒的幾何形狀和排列方式、截齒磨損程度、煤巖的性質等參數之間的關系，滾筒的截割阻力Zij可由下式表示：

式中：Zij0為當截齒銳利時單個截齒截割阻力，根據相關文獻得知，Zij0與瞬時切削厚度hij成正比，N；f'為截割阻抗系數，取值范圍為0.38～0.42；δcm為單向截齒抗壓強度，MPa；Sa為當截割煤層一段時間后，截齒磨損后在截割平面上的投影面積，根據煤層截割阻抗來判斷，取 1.2～0.75 cm2；Kδ為截齒排列接觸的相關影響系數和煤層礦體本身等相關參數。

瞬時切削厚度hij是由采煤機牽引速度vq和滾筒轉速n 決定的，具體公式如下：

式中：mi為對應i 方向截線的截齒數；αij為對應i 方向截線上截齒的圓心角。

截割阻力與負載轉矩的關系式為：

式中：D 為滾筒直徑，m。

截割電流與負載轉矩的關系式為：

式中：U 為截割電機的電壓，V；ω 為截割電機轉速，rad/s；KP為截割電機受載波動系數；η 為割部機械傳動系統效率；ic為截割部機械傳動系統比。

結合以上公式可以得到截割電機電流I 與采煤機牽引速度和滾筒轉速的關系式。

以MG300/700 電牽引采煤機為例，MG300/700電牽引采煤機的標準工作狀態為截割煤層的截割阻抗150 kN/m，牽引速度6 m/min，滾筒轉速32 r/min，通過上式計算可以得到，自適應降載策略中初始額定電流232 A。

采煤機的協調降載電流Ipg由截割電機額定功率決定，MG300/700 電牽引采煤機截割部電機額定功率為300 kW，通過計算可得滾筒的最大轉速為41 r/min，其對應的電流為251 A。

通過上述計算得出，MMG300/700 電牽引采煤機的自適應降載控制策略為：當截割電機電流大于232 A 時，啟動自適應降載；當電流不大于251 A 時采用滾筒轉速控制策略；當電流大于251 A，采用協調控制策略。

3 自適應降載控制可行性分析

為了驗證上述調控策略的可行性，我們在MATLAB 假設突變工況，將自適應降載控制策略與恒速截割降載方法進行對比分析。

假設采煤機在生產過程中的40 s 的時間里經歷了兩次突變情況，如圖3 所示。第一次突變發生在第4 s 時，煤巖阻抗突然幅度增加20 N/m 并持續10 s；第二次突變發生在第25 s 時，煤巖阻抗突然幅增加130 N/m 并持續10 s。其中采煤機采煤巖層標準阻抗扭矩為150 N/m。

圖3 模擬工況隨時間變化圖

在模擬突變工況下滾筒負載的變化如圖4 所示，由于煤層載荷增大滾筒在第4 s 和第24 s 時增加到92 000 N·m 和140 000 N·m，并逐步恢復至標準負載，在第14 s 和第34 s 時由于煤層載荷的減小，滾筒負載降低至57 000 N·m 和 39 000 N·m 并逐漸恢復至標準值。從圖中可以看出，針對煤層載荷的突變，牽引降載策略與自適應降載策略均能有效調節滾筒的負載。

圖4 突變工況下滾筒負載變化情況

圖5 突變工況下采煤機牽引速度變化情況

下頁圖5 為突變工況下采煤機牽引速度的變化情況， 從圖中可以看出，在第一次突變工況發生時，自適應降載策略根據實際突變情況，并未對采煤機的牽引速度進行調整，在第二次突變工況發生時，由于突變載荷較大，無法完全靠降低滾筒轉速來完成降載，自適應降載策略將牽引速度降至3.1 m/min，這與上述理論計算的結果是相符的。由于采煤機的生產效率與牽引速度成正比，通過計算發現，自適應降載策略能有效的提高生產率10.5%。

4 結論

1）策略以機電系統中電流為參考值，判斷突變工況下滾筒負載，綜合調整滾筒轉速及采煤機牽引速度，以適應滾筒受力情況。

2）以MMG300-700 電牽引采煤機為例，通過理論計算，根據截割阻抗與電流的關系，制定了采煤機三種控制策略選定原則，得到當截割電機電流小于251 A 時采用滾筒降載控制策略，截割電機電流大于51 A 時采用協調降載控制策略。

3）為了驗證降載控制程序的正確性和有效性，利用MATLAB 仿真，對比分析了自適應降載控制策略與傳統牽引降載控制策略，結果顯示自適應降載策略在有效降低滾筒負載的基礎上可以提高采煤生產率。