突變工況下采煤機的智能化自適應降載控制策略研究

劉玉軍

（山西華陽集團新能股份有限公司新景礦， 山西 陽泉 045000）

引言

當前，礦井建設已經(jīng)逐漸達到了智能化、自動化以及無人化的生產(chǎn)狀態(tài)，具有安全性高、生產(chǎn)能力高的特點。采煤機為煤礦生產(chǎn)的主要設備，截割部為采煤機與煤層直接接觸的部件，由于煤層的地質(zhì)條件處于動態(tài)變化狀態(tài)，截割部所承受的負載也處于動態(tài)變化狀態(tài)。同時，實踐表明采煤機截割部為整機最易損的部件，歸其原因為截割無法根據(jù)截割電機電流的變化及時對截割狀態(tài)進行調(diào)整，從而導致截割部零部件處于過載狀態(tài)[1]。為此，在突變工況下采煤機截割部控制系統(tǒng)可根據(jù)截割電機電流變化適當?shù)剡M行自適應降載控制。

1 采煤機截割部模型的建立

本文研究的重點為采煤機截割部，并通過數(shù)值模擬手段對所設計的自適應降載策略可行性進行驗證。所以，本節(jié)重點對采煤機截割部的模型進行搭建，并對模型的準確性進行驗證。

一般的采煤機主要由左右滾筒、左右搖臂、截割部、牽引部和控制箱組成。本文所研究采煤機的具體型號為MG300/700，其對應截割部的傳動比為45.4，截割電機功率為300 kW，采用交流變頻調(diào)速方式對截割速度進行控制。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，導致截割部零部件受到一定的沖擊。采煤機截割部主要由截割電機、傳動系統(tǒng)和螺旋滾筒等組成[2]。

目前，該型采煤機截割部傳動系統(tǒng)采用一級行星齒輪傳動與三級平行軸齒輪傳動的方式相結合，截割部傳動動力學模型如圖1 所示。

圖1 采煤機截割部傳動動力學模型

2 滾筒參數(shù)對截割部電機影響分析

當采煤機在實際生產(chǎn)遇到突變工況時，對應采煤機的截割電機和相應的機械部件均會承受較大的載荷，從而對采煤機截割部的使用壽命造成影響[3]。本節(jié)將重點研究采煤機滾筒參數(shù)（牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速）對截割部載荷的影響進行研究，為后續(xù)突變工況下采煤機自適應降載控制策略的制定提供支撐。

2.1 牽引速度對截割部載荷的影響

基于上述所搭建的采煤機截割部的仿真模型，對采煤機牽引速度從1～6 m/s 變化過程滾筒的最大負載的變化趨勢進行研究，仿真結果如下頁圖2 所示。

如圖2 所示，隨著牽引速度的增加對應滾筒的負載處于增長狀態(tài)，只是不同牽引速度下各級齒輪嚙合力的波動幅值不同。具體表現(xiàn)為：隨著采煤機牽引速度的增加對應滾筒各級齒輪的嚙合力的波動值越大。反映到截割電機的關系如下：隨著采煤機牽引速度的增加對應滾筒截割電機的電流增加，主要是由于滾筒負載增加所導致。因此，可根據(jù)采煤機截割電機的電流值反映滾筒的負載。

圖2 采煤機牽引速度與滾筒負載之間的關系

2.2 滾筒轉(zhuǎn)速對截割部載荷的影響

同樣，在上述所建立模型的基礎上，設定采煤機截割巖層的阻力為200 kN/m，采煤機的牽引速度為6 m/s，對滾筒轉(zhuǎn)速為20～55 r/min 時采煤機截割部負載的變化進行仿真分析，仿真結果如圖3 所示。

圖3 滾筒旋轉(zhuǎn)速度與截割部負載之間的關系

如圖3 所示，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加對應滾筒的負載處于下降趨勢。而且，在不同滾筒轉(zhuǎn)速下對應滾筒嚙合力的波動情況也不同。具體表現(xiàn)為隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加對應滾筒傳動系統(tǒng)各級齒輪之間的嚙合力波動幅值減小。對應的反映值截割電流與采煤機滾筒轉(zhuǎn)速之間的關系如下：隨著采煤機滾筒的增加對應截割電機電流減小。

3 突變工況下采煤機智能化降載控制策略的研究

3.1 理論基礎研究

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

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

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

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

1）當工作面煤巖阻抗小于175 kN/m 時僅對滾筒轉(zhuǎn)速進行控制，即升高滾筒轉(zhuǎn)速即可達到預期的控制效果；當工作面煤巖阻抗大于175 kN/m 時需要同時對滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度進行控制，即升高滾筒轉(zhuǎn)速的同時降低牽引速度才能夠達到預期的控制效果。

2）反映到截割電機電流上的結論為：當截割電機電流小于251 A 時僅對滾筒轉(zhuǎn)速進行控制，即升高滾筒轉(zhuǎn)速即可達到預期的控制效果；當截割電機電流大于251 A 時需要同時對滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度進行控制，即升高滾筒轉(zhuǎn)速的同時降低牽引速度才能夠達到預期的控制效果。

3.2 自適應降載控制策略的設計

本文所研究采煤機截割電機的額定電流值為232 A，將232 A 設定為初始電流值。根絕上述理論基礎研究結果特制定如圖4 所示的降載控制流程。

圖4 采煤機自適應降載控制策略

如圖4 所示，圖中I初始為采煤機截割部的額定電流值；Ipg 為上述研究的251 A。首先，系統(tǒng)對截割電機的實時電流值與其額定電流值進行比較，實時電流值小于額定電流值保持當前運行狀態(tài)即可；當實時電流值大于截割電機的額定電流值時，在對實時電流值與251 A 進行比較，當實時電流值小于251 A 時采用控制滾筒轉(zhuǎn)速策略即可；當實時電流值大于251 A 時需要對滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度進行同時控制才能達到預期效果。

4 結語

采煤機為綜采工作面的核心設備，在實際生產(chǎn)中煤巖阻抗不同，以及牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速等不同對應截割部截割電機的電流值也不同，截割負載也不同。當采煤機截割部截割負載過大時會對電機以及機械部件等造成沖擊，從而減小采煤機的使用壽命和生產(chǎn)效率。為此，本文重點對突變工況下采煤機的智能化自適應降載控制策略進行研究，并總結如下：

1）隨著采煤機滾筒轉(zhuǎn)速的增加，對應滾筒截割部負載降低，對應的滾筒截割電機電流減??；

2）隨著采煤機牽引速度的增加，對應滾筒截割部負載增加，對應的滾筒截割電機電流增大；

3）當截割電機電流大于251 A 時，需同時采用增加滾筒轉(zhuǎn)速，降低牽引速度的策略進行控制；當截割電機電流小于251 A 且大于截割電機額定電流時，通過增加滾筒轉(zhuǎn)速的控制策略即可達到預期效果。