聞建華

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦，山西 太原 030022）

引言

作為我國工業(yè)生產(chǎn)的主要能源之一，煤炭的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全至關(guān)重要。采煤機(jī)綜合機(jī)械化采煤方法是目前最可靠、應(yīng)用最廣泛的采煤方法。傳統(tǒng)采煤機(jī)的滾筒轉(zhuǎn)速是恒定的，這會(huì)導(dǎo)致采煤效率較低且采集煤塊的整體質(zhì)量較差，嚴(yán)重限制了原煤的應(yīng)用價(jià)值與應(yīng)用領(lǐng)域[1-5]。近年來，已有多位學(xué)者提出了變速截割策略，雖然這一概念尚未應(yīng)用于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，但其理論基礎(chǔ)已較為系統(tǒng)。本文在多位學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)采煤機(jī)的變速截割控制策略進(jìn)行了比較研究，提出了在不同截割工況下的優(yōu)化變速截割控制策略。

1 截割性能參數(shù)分析

1.1 主要參數(shù)

采煤機(jī)的截割性能主要取決于機(jī)器的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在采煤機(jī)型號(hào)確定的情況下，截割性能則主要取決于運(yùn)動(dòng)參數(shù)。本文選擇一種功率為300 kW的電力牽引式滾筒采煤機(jī)，對(duì)截割運(yùn)動(dòng)參數(shù)與變速控制進(jìn)行介紹與研究，該采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 電力牽引式滾筒采煤機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

因煤炭的分布不均勻，其物理性質(zhì)并不穩(wěn)定，采煤機(jī)在截煤時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同截割阻抗的運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化。為簡(jiǎn)化變速控制策略，將180～360 N/mm范圍內(nèi)的截割阻抗劃分為5 個(gè)等級(jí)，如圖1 所示，可取每一等級(jí)中間值的牽引速度及滾筒轉(zhuǎn)速為最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

圖1 截割阻抗的等級(jí)劃分

1.2 截割性能

截割性能的優(yōu)劣應(yīng)從經(jīng)濟(jì)價(jià)值與開采效率等方面進(jìn)行考慮，運(yùn)動(dòng)參數(shù)的取值是否合適主要通過塊煤率、截割比能耗、生產(chǎn)效率這三個(gè)參數(shù)來衡量。

1.2.1 塊煤率

塊煤率是評(píng)價(jià)采得煤炭質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，塊煤率較高的煤炭的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，同時(shí)較高的塊煤率可減少采煤過程中的粉塵，對(duì)于工作人員及機(jī)器的安全有積極意義。塊煤率的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為切削圖的面積Sm。切削圖面積可表示為：

式中：vq為牽引速度，m/min；m 指每條截線的截齒數(shù)；D 為滾筒直徑，mm；n 為滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；δ 為葉片升角，rad；φ 是崩落角，rad。

1.2.2 截割比能耗

截割比能耗Hw/（kWh·m-3）的定義是截割1 m3原煤時(shí)所消耗的能量，比能耗越低則代表消耗的能量越少，采煤機(jī)截割的性價(jià)比就越高。滾筒轉(zhuǎn)速及牽引速度均與比能耗成反比。

1.2.3 生產(chǎn)效率

生產(chǎn)效率Q/（t·h-1）即采煤機(jī)在1 h 內(nèi)采集煤炭量，滾筒轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)效率無關(guān)，但牽引速度與生產(chǎn)效率成正比。

1.3 加權(quán)優(yōu)化

將塊煤率、比能耗及生產(chǎn)效率進(jìn)行加權(quán)優(yōu)化，建立指標(biāo)函數(shù)為：

式中：K1、K2、K3分別為塊煤率、比能耗、生產(chǎn)效率的權(quán)重系數(shù)，三個(gè)權(quán)重系數(shù)之和等于1，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，一般設(shè)K1為0.4、K2為0.2、K3為0.4，將模擬退火算法（Simulated Annealing，SA）與粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）結(jié)合的PSO-SA算法可提高粒子群算法的搜索能力，本文借助此算法對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)牽引速度及滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化，得到如圖2 所示的優(yōu)化結(jié)果。

圖2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

從圖2 可以看出，為提高采煤機(jī)的截割性能，應(yīng)在截割阻抗增加時(shí)減小牽引速度與滾筒轉(zhuǎn)速，當(dāng)截割阻抗的等級(jí)發(fā)生變化時(shí)，可根據(jù)圖2 調(diào)整運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而保證在不同等級(jí)阻抗范圍下的采煤機(jī)最優(yōu)截割性能。

2 阻抗變小時(shí)的變速策略

因煤炭自身性質(zhì)較不穩(wěn)定，截割阻抗的變化范圍較大且隨機(jī)，根據(jù)上述介紹可知，牽引速度及滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)各截割性能參數(shù)的影響不同：生產(chǎn)效率與牽引速度成正比；塊煤率與牽引速度正相關(guān)，與滾筒轉(zhuǎn)速則負(fù)相關(guān)；比能耗則與牽引速度成負(fù)相關(guān)，與滾筒轉(zhuǎn)速成正相關(guān)。因此，運(yùn)動(dòng)參數(shù)的調(diào)節(jié)順序與方向?qū)θ齻€(gè)截割性能指標(biāo)的影響很重要。假設(shè)目前截割阻抗處于等級(jí)Ⅲ，若阻抗降低到等級(jí)Ⅱ，則應(yīng)增大牽引速度與滾筒轉(zhuǎn)速，有三種不同的變速策略：先增加滾筒轉(zhuǎn)速再增加牽引速度；先增加牽引速度再增加滾筒轉(zhuǎn)速；同時(shí)增加兩者。圖3 所示為三種策略對(duì)應(yīng)的各種截割性能指標(biāo)曲線。

根據(jù)圖3 可知，對(duì)于塊煤率，三種策略最優(yōu)策略為第二種；從比能耗的角度考慮，最優(yōu)策略仍是第二種；而最能提高生產(chǎn)效率的策略是第二種和第三種。因此綜合考慮，第二種策略在這種截割阻抗變化工況下是最優(yōu)策略，即先提高牽引速度，隨后再提高滾筒轉(zhuǎn)速的方式可最大程度提高各截割性能指標(biāo)。

圖3 三種減速控制策略對(duì)比

3 阻抗增大時(shí)的變速策略

若截割阻抗增大，假設(shè)目前截割阻抗處于等級(jí)Ⅲ，若阻抗增大到等級(jí)Ⅳ，則應(yīng)適當(dāng)減小牽引速度與滾筒轉(zhuǎn)速，以提高三個(gè)截割性能指標(biāo)。與阻抗減小的情況類似，也可得到三種調(diào)節(jié)策略：先減小滾筒轉(zhuǎn)速再減小牽引速度；先減小牽引速度再減小滾筒轉(zhuǎn)速；同時(shí)減小兩者。也可繪制出這三種策略下的截割性能指標(biāo)曲線，本文不再展示。從塊煤率的角度考慮，三種策略最優(yōu)策略為第一種，降低比能耗幅度最大的策略仍是第一種，而最能提高生產(chǎn)效率的策略是第一和第二種。因此綜合考慮，第一種策略在這種截割阻抗變化工況下是最優(yōu)策略，即先降低滾筒轉(zhuǎn)速，隨后再減小牽引速度的方式為截割阻抗增大時(shí)的最優(yōu)變速策略。綜上，應(yīng)根據(jù)不同的阻抗變化情況選擇合適的變速策略，從而使采煤機(jī)具有較好的截割性能。

4 結(jié)語

本文對(duì)采煤機(jī)的牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速等運(yùn)動(dòng)參數(shù)及塊煤率、截割比能耗、生產(chǎn)效率等性能指標(biāo)進(jìn)行了介紹與分析，并根據(jù)不同的截割阻抗變化情況，提出了三種變速截割策略，分析了其對(duì)三個(gè)性能指標(biāo)的影響，最終確定了截割阻抗在增大或減小情況下的變速控制策略。本文所提變速截割控制策略尚未在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，但研究結(jié)果可為采煤機(jī)的綜合截割性能優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。