李江斌

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)， 山西 長治 046000）

引言

采煤機(jī)工作于高粉塵、高瓦斯、高噪聲的煤礦井下綜采工作面，環(huán)境相當(dāng)惡劣，采煤機(jī)司機(jī)無法準(zhǔn)確、及時判斷采煤機(jī)截割狀態(tài)、滾筒高度，導(dǎo)致故障頻發(fā)，生產(chǎn)效率低下。目前對采煤機(jī)截割滾筒的控制仍然以手動控制為主，即采煤機(jī)司機(jī)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)判斷采煤機(jī)截割狀態(tài)，憑借肉眼、聲音對截割滾筒高度進(jìn)行調(diào)整。采煤機(jī)截割滾筒手動控制模式存在問題主要有[1-3]：截割滾筒過高，易切割巖石，產(chǎn)生火花，引發(fā)瓦斯爆炸；截割滾筒過低，易降低回采率，造成資源浪費(fèi)；截割滾筒切割巖石時，易產(chǎn)生粉塵，造成采煤機(jī)司機(jī)誤判并影響身體健康。為解決采煤機(jī)截割滾筒控制問題，煤礦行業(yè)專家、學(xué)者展開一系列研究，如通過煤巖識別、煤巖分界技術(shù)指導(dǎo)并控制截割滾筒高度；如在采煤機(jī)搖臂中安裝振動傳感器、油缸位移傳感器、傾角傳感器分析滾筒狀態(tài)；如建立采煤機(jī)滾筒調(diào)高數(shù)學(xué)模型和受力分析模型，利用模糊控制、滑?？刂谱詣诱{(diào)節(jié)滾筒高度；如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對采煤機(jī)截割滾筒運(yùn)行軌跡進(jìn)行實(shí)時跟蹤，采用記憶截割法調(diào)節(jié)滾筒油缸壓力值，達(dá)到自動調(diào)高的目的。文章以采煤機(jī)截割滾筒運(yùn)動規(guī)律為基礎(chǔ)，建立采煤機(jī)截割滾筒調(diào)高自適應(yīng)控制方案，提升截割滾筒調(diào)高控制精度，減少非必要時間，提升采煤機(jī)工作效率。

1 采煤機(jī)截割滾筒運(yùn)動規(guī)律分析

以某型電牽引采煤機(jī)為例，經(jīng)計(jì)算簡化，建立該型采煤機(jī)截割滾筒數(shù)學(xué)模型如圖1 所示，其中L1為采煤機(jī)搖臂大臂長度，L2為小臂長度，L4為調(diào)高油缸行程，d 為截割滾筒直徑，O1為采煤機(jī)搖臂上下擺動的鉸接點(diǎn)，O2為調(diào)高油缸與采煤機(jī)機(jī)身的鉸接點(diǎn)[4-5]。

圖1 采煤機(jī)截割滾筒數(shù)學(xué)模型

1.1 截割滾筒水平方向運(yùn)動規(guī)律

采煤機(jī)截割滾筒在豎直方向升高或者降低時，搖臂以采煤機(jī)銷軸為圓心進(jìn)行弧線運(yùn)動，水平位移也實(shí)時改變，截割滾筒豎直上升時的運(yùn)動規(guī)律為：

1）截割滾筒高度低于水平機(jī)面，截割滾筒豎直上升，水平位移增大，調(diào)高范圍為[H0-H1max，H0]；

2）截割滾筒高度高于水平機(jī)面，截割滾筒豎直上升，水平位移減小，調(diào)高范圍為[H0，H0+H2max]；

3）截割滾筒高度等于水平機(jī)面，截割滾筒豎直上升且穿過水平機(jī)面；當(dāng)搖臂與水平機(jī)面平行時，水平位移最大，然后減小，調(diào)高范圍為[H0-H1max，H0+H2max]。

其中，H0為采煤機(jī)搖臂擺動的基準(zhǔn)高度，H1為采煤機(jī)搖臂低于機(jī)面時搖臂與水平機(jī)面的距離，H1max為采煤機(jī)搖臂下降至最低時與水平機(jī)面的最大距離，且有H1max=L1cosα1max，α1max為采煤機(jī)搖臂最大下擺角，H2為采煤機(jī)搖臂高于機(jī)面時搖臂與水平機(jī)面的距離，H2max為采煤機(jī)搖臂上升至最高時與水平機(jī)面的最大距離，且有H1max=L1cosα1max，α2max為采煤機(jī)搖臂最大上擺角。

采煤機(jī)截割滾筒水平方向位移可表示為式（1）[6]：

1.2 截割滾筒豎直方向運(yùn)動規(guī)律

采煤機(jī)截割滾筒在豎直方向的運(yùn)動過程可分為以下兩部分：

1）采煤機(jī)截割滾筒啟動時，控制電磁閥啟動，經(jīng)T1延時后采煤機(jī)截割滾筒開始非勻速運(yùn)動，經(jīng)T2延時后，采煤機(jī)截割滾筒勻速運(yùn)動；

2）采煤機(jī)截割滾筒停止時，控制電磁閥斷電，經(jīng)T3延時后采煤機(jī)截割滾筒速度非勻速減慢，經(jīng)T4延時后，采煤機(jī)截割滾筒停止；

其中，T1為電磁閥啟動延時時間，T2為采煤機(jī)截割滾筒啟動時的非勻速運(yùn)行時間，T3為電磁閥斷電后滾筒勻速運(yùn)行時間，T4為采煤機(jī)截割滾筒停止時的非勻速運(yùn)行時間[7-8]。

采煤機(jī)截割滾筒在豎直方向的位移可以表示為式（2）：

式中：LA為采煤機(jī)截割滾筒啟動時的非勻速運(yùn)行距離，LB為采煤機(jī)截割滾筒停止時的非勻速運(yùn)行距離，vup采煤機(jī)截割滾筒勻速運(yùn)行速度，tup為勻速運(yùn)行時間。

2 采煤機(jī)截割滾筒調(diào)高控制方案

采煤機(jī)截割滾筒自適應(yīng)調(diào)高控制方案依據(jù)采煤機(jī)截割滾筒在豎直方向、水平方向以及采煤機(jī)水平方向運(yùn)動規(guī)律，計(jì)算并測量非勻速運(yùn)行距離，并提前預(yù)判，控制并優(yōu)化采煤機(jī)截割滾筒調(diào)高策略。采煤機(jī)截割滾筒自適應(yīng)調(diào)高控制方案流程如圖2 所示，假設(shè)采煤機(jī)初始狀態(tài)為靜止態(tài)，當(dāng)收到采煤機(jī)核心控制器的調(diào)高指令后，需由原地點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)地點(diǎn)并停止，根據(jù)當(dāng)前采煤機(jī)截割滾筒位置計(jì)算其在水平、豎直方向的實(shí)際運(yùn)動距離，根據(jù)采煤機(jī)截割滾筒是否在做勻速運(yùn)動，計(jì)算采煤機(jī)運(yùn)行時間T1以及截割滾筒運(yùn)行時間T2，根據(jù)T1、T2關(guān)系，將采煤機(jī)截割滾筒調(diào)高控制策略分為T1=T2、T1>T2以及T1

圖2 采煤機(jī)截割滾筒自適應(yīng)調(diào)高控制策略

2.1 T1=T2 調(diào)高策略

采煤機(jī)本體水平方向運(yùn)行時間與采煤機(jī)截割滾筒豎直方向的運(yùn)行時間相同，即采煤機(jī)沿綜采工作面水平方向運(yùn)行與截割滾筒豎直方向在同一時間點(diǎn)開始，可同時達(dá)到目標(biāo)高度和目標(biāo)位置，無需調(diào)高策略[9-10]。

2.2 T1>T2 調(diào)高策略

采煤機(jī)本體水平方向運(yùn)行時間大于采煤機(jī)截割滾筒豎直方向運(yùn)行時間，即截割滾筒的調(diào)高趨勢為低于目標(biāo)高度，采煤機(jī)調(diào)高電磁閥需持續(xù)工作，并且使得T2小于T1，調(diào)高電磁閥的啟停次數(shù)n 的取值為式（5）：

式中：nmax為截割滾筒調(diào)高電磁閥的最大啟停次數(shù)。

2.3 T1

采煤機(jī)本體水平方向運(yùn)行時間小于采煤機(jī)截割滾筒豎直方向運(yùn)行時間，即截割滾筒調(diào)高趨勢高于目標(biāo)高度，有截割矸石的風(fēng)險，采煤機(jī)牽引部需持續(xù)工作，其達(dá)到目標(biāo)高度的時間需大于T1，調(diào)高電磁閥的啟停次數(shù)的取值為式（6）：

式中：Imax為截割滾筒調(diào)高電磁閥的最大啟停次數(shù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的采煤機(jī)截割滾筒自適應(yīng)調(diào)高控制策略的正確性和適用性，以某煤礦綜采工作面適用的MG320/710 型采煤機(jī)完成調(diào)高試驗(yàn)，提高范圍為0.75～2.7 m，傾角為45°，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 MG320/710 型采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

分別完成采煤機(jī)截割滾筒上升過程、下降過程供16 組調(diào)高試驗(yàn)，每一組調(diào)高試驗(yàn)次數(shù)為12 次，具體為：H1min調(diào)高至H1max、H1min調(diào)高至H1、H1min調(diào)高至H1、H1調(diào)高至H1、H1調(diào)高至H1max、H1max調(diào)高至H1min、H1min調(diào)節(jié)至H1、H1調(diào)節(jié)至H1min、H1max調(diào)節(jié)至H1、H1調(diào)節(jié)至H1、H1調(diào)節(jié)至H1min。

將12 次調(diào)高試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄保存并導(dǎo)出至excel 表格中，得到圖3—圖6 試驗(yàn)曲線圖，其中圖3所示為采煤機(jī)截割滾筒上升過程時第一次調(diào)高試驗(yàn)曲線，經(jīng)約11 s 非勻速運(yùn)動后，持續(xù)勻速運(yùn)動時間達(dá)23 s，滾筒上升高度約為1 600 mm；圖4 所示為采煤機(jī)截割滾筒上升過程時第四、第五以及第六次調(diào)高試驗(yàn)擬合曲線，滾筒上升高度譽(yù)為1 400 mm。采煤機(jī)截割滾筒調(diào)高試驗(yàn)曲線數(shù)據(jù)與理論計(jì)算誤差小，滿足采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況要求。

圖3 截割滾筒上升第一次調(diào)高

圖4 截割滾筒上升第四～六次調(diào)高

圖5所示為采煤機(jī)截割滾筒下降過程時第一次調(diào)高試驗(yàn)曲線，調(diào)高高度約為1 300 mm，勻速運(yùn)行時間約為13 s；圖6 所示為第四、第五以及第六次調(diào)高試驗(yàn)擬合曲線，調(diào)高高度約為1 700 mm，累計(jì)勻速運(yùn)行時間約為19 s，理論計(jì)算誤差小，滿足采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況要求。

圖5 截割滾筒下降第一次調(diào)高

圖6 截割滾筒下降第四～六次調(diào)高

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的采煤機(jī)截割滾筒自適應(yīng)調(diào)高控制策略，以采煤機(jī)工藝為前提，采煤機(jī)、截割滾筒運(yùn)動規(guī)律為基礎(chǔ)，獲取采煤機(jī)截割滾筒上升、下降過程中的勻速、非勻速運(yùn)動曲線，獲取調(diào)高電磁閥開啟、關(guān)閉延時時間，建立截割滾筒調(diào)高與動態(tài)運(yùn)動過程自適應(yīng)關(guān)系，提高采煤機(jī)截割滾筒調(diào)高控制精度，減少非必要時間，提升采煤機(jī)運(yùn)行效率。

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