王云江

（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

采煤機(jī)是實(shí)現(xiàn)煤礦綜采工作面自動(dòng)化生產(chǎn)、高效率生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。對(duì)于綜采工作面而言，由于工作面煤層厚度處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)且煤層硬度也不均勻，導(dǎo)致采煤機(jī)在截割過程中所承受的負(fù)載也處于變化狀態(tài)，直接表現(xiàn)為采煤機(jī)需根據(jù)煤層厚度調(diào)節(jié)截割深度、根據(jù)煤層高度調(diào)節(jié)截割高度以及根據(jù)煤層硬度調(diào)節(jié)滾筒旋轉(zhuǎn)速度和牽引速度。目前，采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割主要表現(xiàn)為截割性能偏低以及轉(zhuǎn)速不可調(diào)等問題[1]。本文將重點(diǎn)對(duì)機(jī)械化采煤機(jī)變速截割控制策略和調(diào)速控制方法進(jìn)行研究。

1 采煤機(jī)及煤層阻抗識(shí)別概述

1.1 采煤機(jī)概述

目前，我國(guó)煤炭生產(chǎn)以雙滾筒采煤機(jī)為主，其包括有截割部、牽引部和電氣控制箱等。采煤機(jī)的截割參數(shù)與煤層的堅(jiān)固性、截割阻抗、破碎性系數(shù)以及脆性系數(shù)相關(guān)。本文所研究采煤機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 采煤機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

從理論上講，當(dāng)采煤機(jī)牽引速度不變時(shí)，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加對(duì)應(yīng)滾筒所承受的負(fù)載減小，且負(fù)載的減小變化率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加而減小；當(dāng)采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著牽引速度的增加對(duì)應(yīng)滾筒所承受的負(fù)載增加，且二者之間呈線性關(guān)系。該理論為后續(xù)變速截割控制策略及調(diào)速方法的研究提供支撐[2]。

1.2 煤層截割阻抗的識(shí)別

工作面煤層的截割阻抗是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割的基礎(chǔ)。因此，為保證采煤機(jī)的截割參數(shù)完全適應(yīng)于綜采工作面的生產(chǎn)，需要準(zhǔn)確識(shí)別煤層截割阻抗。工作面煤層的截割阻抗在很大程度上直接反應(yīng)于截割電機(jī)的電流值，滾筒所承受的截割負(fù)載與定子電流的變化趨勢(shì)一致。根據(jù)煤層硬度、破碎系數(shù)以及脆性系數(shù)可將煤層截割阻抗分為五個(gè)等級(jí)，包括有180～216 kN/m、216～252 kN/m、252～288 kN/m、288～324 kN/m、324～360 kN/m。目前，比較成功的方法為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)煤層截割阻抗范圍進(jìn)行識(shí)別，本文不對(duì)此項(xiàng)研究?jī)?nèi)容做過多敘述，默認(rèn)可準(zhǔn)確識(shí)別煤層截割阻抗的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的自適應(yīng)截割控制。

2 采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制策略

目前，在實(shí)際生產(chǎn)中采煤機(jī)牽引速度主要依靠現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行控制，而滾筒轉(zhuǎn)速保持不變，在此種控制模式下無法保證采煤機(jī)獲得煤炭的塊煤率，對(duì)應(yīng)的截割比能耗也較高，現(xiàn)場(chǎng)煤塵嚴(yán)重等問題[3]。因此，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制策略迫在眉睫。

2.1 截割運(yùn)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化

為保證最終生產(chǎn)煤炭的塊煤率、截割比能耗以及整體上的生產(chǎn)率，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤層的變化情況（主要以截割阻抗為依據(jù)）調(diào)整最佳的截割參數(shù)，重點(diǎn)是對(duì)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。

針對(duì)“1.2”中劃分的五個(gè)等級(jí)范圍的截割阻抗，為了簡(jiǎn)化控制策略，針對(duì)每個(gè)截割阻抗范圍的煤層設(shè)定針對(duì)性的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速。從每個(gè)截割阻抗等級(jí)范圍中選取一個(gè)特征阻抗值得出對(duì)應(yīng)最佳的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速，如圖1 所示。

圖1 不同截割阻抗對(duì)應(yīng)最佳截割運(yùn)動(dòng)參數(shù)

分析圖1 可知，隨著采煤機(jī)截割部滾筒所承受截割阻抗的增大，應(yīng)通過降低牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速來獲取在對(duì)應(yīng)截割阻抗下最大的塊煤率，最小的截割比能耗和最大的生產(chǎn)率。

2.2 采煤機(jī)自適應(yīng)截割控制策略研究

雖然通過上述研究得知可通過降低牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速的方式獲取最佳的截割效果，但是具體控制策略還有待研究，本小節(jié)將重點(diǎn)對(duì)自適應(yīng)變速截割控制策略進(jìn)行研究，得出最佳控制策略以保證塊煤率、截割比能耗和生產(chǎn)率達(dá)到匹配性最佳[4]。

2.2.1 截割阻抗減小工況下的最佳截割控制策略

針對(duì)截割阻抗減小的工況，為保證生產(chǎn)效率，需要提升牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速；對(duì)應(yīng)的控制策略可分為如下三類：a1 號(hào)控制策略：先增大滾筒轉(zhuǎn)速后增大牽引速度；a2 號(hào)控制策略：先增大牽引速度后增大滾筒轉(zhuǎn)速；a3 號(hào)控制策略：同時(shí)增大牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速。通過對(duì)比，三種控制策略下對(duì)應(yīng)切削面積、截割比能耗以及生產(chǎn)率的變化如圖2 所示。

對(duì)比圖2 中不同控制策略對(duì)應(yīng)的截割效率可知：對(duì)于切削面積而言，a2 控制策略可獲得最大值；對(duì)于截割比能耗而言，同樣采用a2 控制策略可獲得最小值；對(duì)于生產(chǎn)率而言，a2 和a3 控制策略可獲得最大值[5]。綜上所述，針對(duì)截割阻抗減小的工況可采用先增大牽引速度后增大滾筒轉(zhuǎn)速的控制策略獲得最佳截割效果。

圖2 截割阻抗減小工況下不同控制策略對(duì)應(yīng)截割效率

2.2.2 截割阻抗增大工況下的最佳截割控制策略

針對(duì)截割阻抗增大的工況，為保證生產(chǎn)效率，需要提升牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速；對(duì)應(yīng)的控制策略可分為如下三類：

a1 號(hào)控制策略：先減小滾筒轉(zhuǎn)速后減小牽引速度；a2 號(hào)控制策略：先減小牽引速度后減小滾筒轉(zhuǎn)速；a3 號(hào)控制策略：同時(shí)減小牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速。通過對(duì)比，三種控制策略下對(duì)應(yīng)切削面積、截割比能耗以及生產(chǎn)率的變化如圖3 所示。

對(duì)比圖3 中不同控制策略對(duì)應(yīng)的截割效率可知：對(duì)于切削面積而言，a1 號(hào)控制策略可獲得最大值；對(duì)于截割比能耗而言，同樣采用a1 控制策略可獲得最小值；對(duì)于生產(chǎn)率而言，a1 控制策略可獲得最大值。綜上所述，針對(duì)截割阻抗增大的工況可采用先減小滾筒轉(zhuǎn)速后減小牽引速度的控制策略獲得最佳截割效果。

圖3 截割阻抗增大工況不同控制策略對(duì)應(yīng)截割效率

3 結(jié)論

采煤機(jī)為煤炭生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，由于工作面煤層硬度和厚度不均勻，需要采用最佳控制策略以保證最佳截割效率。煤層硬度不均勻直接表現(xiàn)為滾筒所承受的截割阻抗不同。因此，根據(jù)截割阻抗的不同設(shè)計(jì)最佳的控制策略尤為重要。本文重點(diǎn)開展了采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制策略的研究，并總結(jié)如下：

1）針對(duì)截割阻抗增大的工況可采用先減小滾筒轉(zhuǎn)速后減小牽引速度的控制策略獲得最佳截割效果。

2）針對(duì)截割阻抗減小的工況可采用先增大牽引速度后增大滾筒轉(zhuǎn)速的控制策略獲得最佳截割效果。