賀京華

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團毛則渠煤炭有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

滾筒式采煤機是綜采工作面的關鍵設備，對綜采工作面產能的提高以及檢修效能的提升有著重要的促進作用。采礦作業(yè)效率的提升，對采煤機的性能及相關設備有著更高的要求。為此，本文在研究的過程中以MG300/700-WD電牽引采煤機為研究對象，針對煤層巖石發(fā)生的突發(fā)狀況，提出相應的計算方法，進而計算出煤層截面切割阻層的抗性，然后依據(jù)滾筒荷載的特殊工作性質與巖石破壞的能力，制定出不同的控制策略，最終對控制策略進行分析和對比，并得出相關的總結和建議。

1 滾筒式采煤機耦合模型建立

為了對不同情況下的截割工作狀況進行深入研究和分析，本文基于采煤機的工作特性以及其變速控制的方式手段，創(chuàng)建了相應的控制模型，即采煤機牽引部、截割部和控制系統(tǒng)的整機耦合控制，為截電機和牽引電機的雙向頻率變化的速度調節(jié)打下堅實的基礎[1]。

1.1 模型建立

圖1為滾筒式采煤機截面切割部分的啟動系統(tǒng)動力學模型。由于綜合采煤的工作面條件不是很好，一旦遇到較硬的煤層或是雜巖時，就會使采煤機的機齒或是其他部件發(fā)生嚴重的損耗，進而影響到采煤的工作效率。所以，對滾筒式采煤機的調速控制進行深入研究分析便顯得尤為重要，特別是可以更好地應對一系列的突發(fā)狀況[2]。圖中：i1為簡化后的減速比，Jd為等效之后的滾筒慣量，Mm1為截割電機的輸出轉矩，Md為截割滾筒的負載荷轉矩，θm1為截割電機轉子角位移，θd截割滾筒的角位移，cmpe1為電機阻尼，kmpe1為第1級齒輪連接部分的剛度，cpd1為低速端齒輪聯(lián)結區(qū)域的等效阻尼，kpd1為滾筒連接軸的等效剛度。

圖1 截割驅動模型

忽略齒輪的平移、扭擺振動，重點關注齒輪的扭轉自由度，如圖1所示，驅動系統(tǒng)的數(shù)學模型是：

式中：δ1為角位移矩陣，[M1]為質量矩陣，[C1]為阻尼矩陣，[K1]為剛度矩陣，{P1}為載荷矩陣。忽略其余的誤差，只關注齒輪時變剛度的作用，它的剛度計算公式可以表現(xiàn)為：

輪齒的嚙合阻尼是：

式中：ξv為嚙合阻力比；Rp1為主齒輪半徑，m；Rg1為從齒輪半徑，m；Jp1、Jg1為主、從齒輪的轉動慣量，kg·m2。

兩個齒輪的動態(tài)嚙合力為：

式中：θp1為主齒輪的旋轉角位移，rad；θg1為從齒輪的旋轉角位移，rad˙p1為主齒輪的角速度，r/s˙g1為從齒輪的角速度，r/s。

采煤機的牽引數(shù)學模型為：

式中：{δ2}為角位移矩陣，[M2]為質量矩陣，[C2]為阻尼矩陣，[K2]為剛度矩陣，{P2}為載荷矩陣。

1.2 滾筒負載和牽引阻力

Md為滾筒負載，關鍵點在滾筒切向截割的阻力矩：

式中：n為參加截割的截齒數(shù)目；Dc為滾筒的直徑，m；Zi為單齒的平均截割切向力，N。那么：

式中：Ap為煤層平均截割阻抗，kN/m；t為截齒切削寬度，m；Kz、Ky、Kψ、Kc為煤層巖石相關系數(shù)；bp為截齒的寬度；β為截齒相對于采煤機推進方向偏轉角，（°）；hm為截齒的平均削厚度，m。那么：

式中：φμ為煤體對滾筒的圍包角，（°）；vq為牽引速度，m/min；ng為滾筒速度，r/min；m 為相同截線的齒數(shù)。

牽引阻力矩的公式為：

式中：r為行走輪半徑，m；Ff為導向滑靴與軌道之間的摩擦阻力；Ft為采煤機自重；Fy為滾筒截齒產生的與牽引方向相反的推進阻力。

綜合上述的內容，可以得出采煤機整機控制模型耦合與控制原理，如圖2所示。

圖2 采煤機整機控制模型耦合和控制原理

2 滾筒式采煤機調速控制策略研究

為了可以有效應對不同的工作狀況，并保證采煤的效率不會受到嚴重影響，進而提出了牽引控制協(xié)調策略。如圖3所示，截割電機以特定的轉矩工作的調速范圍是[ω，ωe]，那么滾筒的調速范圍是[ng，ngmax]。

由公式（10）可推算出 Te：

圖3 截割電機調速控制特性

式中：i0為截割部總減速比；η為機械系統(tǒng)傳動效率。

可以在電機額定轉矩Te、滾筒直徑Dc等參數(shù)已知情況下，確定工作時滾筒破煤能力與滾筒轉速ng的關系：

依據(jù)公式（10），使牽引速度vq不發(fā)生變化，逐步控制滾筒的速度上升到最大ngmax值，然后調節(jié)滾筒破煤的截割阻抗閾值Ap_cri：

由此可知，將Ap_cri值當作是滾筒調速控制策略及牽引調控策略的轉換點，進而制定出如下調控策略[3]：當煤層突然變化的荷載阻抗值Ap≤Ap_cri時，能夠從優(yōu)選擇使用滾筒調速控制策略；當煤層突然變化的荷載阻抗值Ap＞Ap_cri時，能夠從優(yōu)選擇使用牽引滾筒調速控制策略。

從全方位考慮采煤機安全運行及采煤效益提升的角度來看，按照對象截齒平均切削的厚度計算方式與突發(fā)狀況下的調控裝換條件，提出了滾筒式采煤機的速度調節(jié)的控制方法。

3 結論

運用基于采煤機的工作原理建立的牽引部、截割部及控制系統(tǒng)的整機模型，對突變工況下滾筒采煤機進行控制，能夠轉變采煤方式，改善采煤情況，降低采煤風險，提高采煤效率。