王 祿

（華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司裝備管理部， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

目前，我國(guó)已經(jīng)探明的儲(chǔ)量的煤層，僅4.8%為露天開(kāi)采，其余均為井工開(kāi)采。對(duì)于煤炭開(kāi)采而言，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入綜采時(shí)代，但是與國(guó)外煤炭開(kāi)采相比存在自動(dòng)化、智能化以及信息化水平偏低，導(dǎo)致煤層回采率偏低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重以及效率低下的問(wèn)題。采煤機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵截割設(shè)備，其主要存在依賴人工操作嚴(yán)重以及自適應(yīng)控制水平低等問(wèn)題[1]。為保證工作面生產(chǎn)效率和采煤機(jī)的使用壽命，實(shí)現(xiàn)截割滾筒的自適應(yīng)變速截割尤為重要。因此，本文將重點(diǎn)開(kāi)展采煤機(jī)變速截割控制策略及相應(yīng)的調(diào)速控制功能實(shí)現(xiàn)的研究。具體闡述如下：

1 變速截割控制研究基礎(chǔ)

采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割指的是截割滾筒能夠根據(jù)煤層條件的變化對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整控制，在盡可能提升煤炭截割效率的基礎(chǔ)上，保證采煤機(jī)的使用壽命[2]。因此，采煤機(jī)變速截割控制的核心在于電氣控制箱根據(jù)煤層截割阻抗的變化對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度進(jìn)行匹配性調(diào)整控制。

1.1 采煤機(jī)概述

采煤機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是實(shí)現(xiàn)煤層的截割、破碎和裝煤任務(wù)。本文以雙滾筒采煤機(jī)為例開(kāi)展研究，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)

采煤機(jī)自適應(yīng)控制的主要控制參數(shù)包括左右滾筒的旋轉(zhuǎn)速度、牽引速度以及截割滾筒高度等。經(jīng)仿真分析可知，當(dāng)截割滾筒旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí)，隨著牽引速度的增加對(duì)應(yīng)滾筒負(fù)載增加，反之減少；當(dāng)采煤機(jī)牽引速度一定時(shí)，隨著滾筒旋轉(zhuǎn)速度的增加對(duì)應(yīng)滾筒的負(fù)載減小，反之增加。此項(xiàng)研究為后續(xù)采煤機(jī)的自適應(yīng)控制提供基礎(chǔ)。

1.2 煤層截割阻抗識(shí)別

在目前眾多的研究成果中，基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論能夠精準(zhǔn)、快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面煤層截割阻抗的識(shí)別，具體表現(xiàn)形式為：通過(guò)對(duì)采煤機(jī)截割部截割電機(jī)、牽引部牽引電機(jī)定子電流數(shù)據(jù)的采集直觀反映出與滾筒接觸煤層的實(shí)時(shí)截割阻抗，并通過(guò)調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)對(duì)煤層截割阻抗進(jìn)行量化分析[3]。

2 采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制策略

在以往生產(chǎn)中，僅根據(jù)司機(jī)經(jīng)驗(yàn)和目視條件對(duì)采煤機(jī)牽引速度進(jìn)行控制。此種控制方式主要存在的問(wèn)題為：效率低、控制不及時(shí)，主要表現(xiàn)為所得煤炭的塊煤率低、截割比能耗較大且安全性低。

2.1 采煤機(jī)截割參數(shù)的優(yōu)化

對(duì)于某一固定的截割煤層而言，根據(jù)煤層條件可得出采煤機(jī)的最優(yōu)化截割參數(shù)。所優(yōu)化后的截割參數(shù)即為采煤機(jī)自適應(yīng)截割控制的目標(biāo)。

采煤機(jī)截割參數(shù)優(yōu)化后的主要考核參數(shù)包括有所截割煤炭的塊煤率、截割比能耗以及生產(chǎn)率等。以上述三個(gè)參數(shù)為變量，并參照采煤機(jī)的裝煤約束條件、牽引功率約束等條，通過(guò)數(shù)值模擬分析得出不同條件對(duì)應(yīng)的最優(yōu)化截割參數(shù)，優(yōu)化后的截割參數(shù)如下頁(yè)表1 所示。

表1 最優(yōu)化截割參數(shù)

2.2 采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制策略設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)中，采煤機(jī)滾筒所面臨工作面煤層的阻抗處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，根據(jù)不同的煤層截割阻抗范圍應(yīng)選擇最佳的牽引速度和滾筒旋轉(zhuǎn)速度以達(dá)到最佳的生產(chǎn)效果。因此，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自使用變速截割控制的關(guān)鍵在于在工作面煤層截割阻抗發(fā)生突變的工況下應(yīng)能夠快速、平穩(wěn)、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引速度和滾筒旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)的調(diào)整[4]。故本節(jié)重點(diǎn)對(duì)突變工況下采煤機(jī)的自適應(yīng)變速截割控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，突變工況分為煤層截割阻抗增大和截割阻抗減小兩種情況，對(duì)應(yīng)的變速截割控制策略設(shè)計(jì)如下：

2.2.1 煤層截割阻抗增大的工況

針對(duì)煤層截割阻抗增大的工況，對(duì)應(yīng)開(kāi)采用的控制策略包括有先調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速后調(diào)節(jié)牽引速度、先調(diào)節(jié)牽引速度后調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速、同時(shí)調(diào)節(jié)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速三種。

2.2.1.1 先調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速后調(diào)節(jié)牽引速度

對(duì)應(yīng)滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度調(diào)整的時(shí)間均為10 s，并在此自適應(yīng)控制策略下得出如下結(jié)論：

1）采煤機(jī)對(duì)應(yīng)上述自適應(yīng)控制策略下的切削面積先減小后增大，并最終穩(wěn)定在1650 mm2；

2）采煤機(jī)對(duì)應(yīng)上述自適應(yīng)控制策略下截割比能耗先增大后減小，并最終穩(wěn)定在5.5；

3）采煤機(jī)對(duì)應(yīng)上述自適應(yīng)控制策略下生產(chǎn)率前10 s 不變，后10 s 增大并穩(wěn)定在680 t/h。

2.2.1.2 先調(diào)節(jié)牽引速度后調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速

對(duì)應(yīng)滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度調(diào)整的時(shí)間均為10 s，并在此自適應(yīng)控制策略下得出如下結(jié)論：

1）采煤機(jī)對(duì)應(yīng)上述自適應(yīng)控制策略下的切削面積先增大后減小，并最終穩(wěn)定在1700 mm2；

2）采煤機(jī)對(duì)應(yīng)上述自適應(yīng)控制策略下截割比能耗先減小后增大，并最終穩(wěn)定在5.4；

3）采煤機(jī)對(duì)應(yīng)上述自適應(yīng)控制策略下生產(chǎn)率前10 s 增大，后10 s 不變并穩(wěn)定在714 t/h。

2.2.1.3 同時(shí)調(diào)節(jié)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速

對(duì)應(yīng)滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度調(diào)整的時(shí)間均為10 s，并在此自適應(yīng)控制策略下得出如下結(jié)論：

1）采煤機(jī)對(duì)應(yīng)上述自適應(yīng)控制策略下的切削面積前10 s 增大，后10 s 不變并穩(wěn)定在1650 mm2；

2）采煤機(jī)對(duì)應(yīng)上述自適應(yīng)控制策略下截割比能耗前10 s 減小，后10 s 不變并最終穩(wěn)定在5.4；

3）采煤機(jī)對(duì)應(yīng)上述自適應(yīng)控制策略下生產(chǎn)率在10 s 緩慢增加并穩(wěn)定在690 t/h。

綜上，在截割阻抗增大的工況，需采用先調(diào)節(jié)牽引速度后調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速的策略對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行變速截割控制[5]。

2.2.2 煤層截割阻抗減小的工況

同理，在煤層截割阻抗減小的工況，同樣對(duì)先調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速后調(diào)節(jié)牽引速度、先調(diào)節(jié)牽引速度后調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速、同時(shí)調(diào)節(jié)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速三種策略下對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)率、截割比能耗以及切削面積進(jìn)行對(duì)比。最終得出：針對(duì)煤層截割阻抗減小的工況，應(yīng)采用先調(diào)節(jié)滾筒旋轉(zhuǎn)速度后調(diào)節(jié)牽引速度的策略進(jìn)行控制。

因此，在上述分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)采煤機(jī)突變工況下設(shè)計(jì)如圖2 所示的變速截割控制策略流程。

圖2 自適應(yīng)變速截割控制流程

3 結(jié)論

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，其牽引速度決定工作面的推進(jìn)速度和產(chǎn)量，滾筒旋轉(zhuǎn)速度決定采煤機(jī)的負(fù)載大小。在實(shí)際生產(chǎn)中，需截割采煤機(jī)滾筒所面臨煤層的截割阻抗對(duì)其牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行自適應(yīng)變速控制，從而達(dá)到最佳生產(chǎn)效率。針對(duì)采煤機(jī)在突變工況下設(shè)計(jì)的自適應(yīng)變速截割控制策略如下：

1）在截割阻抗減小的工況下，需采用先調(diào)節(jié)牽引速度后調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速的策略對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行變速截割控制；

2）在截割阻抗增大的工況下，需采用先調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速后調(diào)節(jié)牽引速度的策略對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行變速截割控制。