段興堯

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

由于煤礦井下工作環(huán)境特殊、采煤機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)仍不成熟，當(dāng)前對(duì)采煤機(jī)的截割路徑、滾筒轉(zhuǎn)速以及推進(jìn)速度判斷等都需進(jìn)行人工控制。然而在煤礦井下實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)因煤塵濃度高、工作環(huán)境視野范圍差影響采煤機(jī)司機(jī)判斷的情況，采煤機(jī)作業(yè)路徑偏差、切頂?shù)仁鹿室矔r(shí)常發(fā)生，難以保證采煤機(jī)的截割效率，同時(shí)也無(wú)法確保采煤機(jī)司機(jī)安全工作。本文基于綜采工作面采煤機(jī)人工作業(yè)現(xiàn)狀，通過(guò)模糊控制實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)化調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)綜采智能化作業(yè)，達(dá)到高效安全開(kāi)采的效果。

1 采煤機(jī)截割狀態(tài)分析

采煤機(jī)截割過(guò)程中，煤層的直接受力部位為采煤機(jī)截割滾筒。采煤機(jī)滾筒通過(guò)改變截割電機(jī)截割轉(zhuǎn)矩力的大小來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)煤壁的截割狀態(tài)，從而進(jìn)行煤壁的截割作業(yè)。采煤機(jī)滾筒控制方式有兩種，分別為橫向和縱向，如圖1 所示，其作用力的大小為：

圖1 采煤機(jī)截割作業(yè)受力分析簡(jiǎn)圖

式中：Fh為采煤機(jī)截割電機(jī)作用在橫軸上的截割力；n為截割過(guò)程中截齒的數(shù)量；Xa代表第a 個(gè)截齒所承受的橫向分力的大小，求和計(jì)算則為總的橫向合力；Fz為截割電機(jī)的縱向分力和，通過(guò)對(duì)每個(gè)截齒的分力總和進(jìn)行矢量疊加計(jì)算得到；Fn代表截割電機(jī)在縱向的截割分力和；βa為截齒的方位角；Za為a 個(gè)截齒受到的摩擦阻力大??；Ya為采煤機(jī)截齒的工作阻力大小，分別同正弦值、余弦值相乘后進(jìn)行求和計(jì)算可以求得總摩擦力大小。

通過(guò)上述對(duì)采煤機(jī)整體截割作業(yè)時(shí)的受力情況進(jìn)行分析，可以看出在采煤機(jī)推進(jìn)過(guò)程中，采煤機(jī)滾筒的截割速度以及采煤機(jī)的推進(jìn)速度，總會(huì)受到截割煤壁時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力的影響，因此設(shè)想通過(guò)研究采煤機(jī)截割阻力與采煤機(jī)推進(jìn)速度及采煤機(jī)滾筒截割速度之間的關(guān)系，可以起到對(duì)采煤機(jī)作業(yè)速度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)的效果。通過(guò)對(duì)綜采工作面采煤機(jī)推進(jìn)過(guò)程中的牽引速度以及滾筒截割速度進(jìn)行參數(shù)收集，并利用壓力傳感器收集采煤機(jī)截割煤壁時(shí)的工作阻力參數(shù)來(lái)進(jìn)行截割負(fù)載與截割參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 截割負(fù)載與截割參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜采面采煤機(jī)的截割作業(yè)過(guò)程中，影響采煤機(jī)推進(jìn)速度以及采煤機(jī)滾筒的截割轉(zhuǎn)速的主要原因在于對(duì)煤壁截割時(shí)產(chǎn)生的截割阻力，這也是截割負(fù)載中最大的影響因素。而截割阻力直接影響著采煤機(jī)的推進(jìn)速度以及采煤機(jī)滾筒的截割速度，也就是對(duì)采煤機(jī)截割電機(jī)的電流波動(dòng)產(chǎn)生影響。因此通過(guò)設(shè)計(jì)截割電機(jī)工作時(shí)的電流波動(dòng)效果來(lái)分析截割煤層過(guò)程中受到的截割阻力的大小，對(duì)提高采煤機(jī)截割電機(jī)的穩(wěn)定性以及綜采效率有著顯著效益。而對(duì)采煤機(jī)截割電機(jī)的優(yōu)化控制，即可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒截割速度以及采煤機(jī)推進(jìn)速度的優(yōu)化調(diào)節(jié)，具體研究結(jié)果見(jiàn)下圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)滾筒截割阻力與截割電機(jī)電流值關(guān)系示意

由圖2 中截割電機(jī)電流變化情況與截割煤壁過(guò)程中受到的截割阻力情況進(jìn)行對(duì)比可以看出兩者具備一定的相關(guān)性，因此設(shè)想通過(guò)設(shè)定一定的截割阻力范圍，對(duì)采煤機(jī)截割電機(jī)工作過(guò)程中遭受到的截割阻抗大小的不同即截割阻力的變化情況進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，通過(guò)自身所處的截割阻抗范圍自動(dòng)調(diào)整采煤機(jī)滾筒的截割速度以及采煤機(jī)的推進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自適應(yīng)控制效果[1]。具體設(shè)計(jì)為利用采煤機(jī)截割電機(jī)在不同截割阻力下的工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，設(shè)計(jì)出不同阻力狀態(tài)下采煤機(jī)截割速度以及采煤機(jī)推進(jìn)速度的最優(yōu)截割參數(shù)，通過(guò)這種不同阻力下的工況進(jìn)行截割控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)整，設(shè)計(jì)出合理的截割速度以及推進(jìn)速度。

3 基于模糊控制下的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)速設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成

采煤機(jī)的截割模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成為三大部分，即模糊控制器、采煤機(jī)截割推進(jìn)電機(jī)以及速度調(diào)節(jié)器。模糊控制器為核心部分實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒截割速度以及推進(jìn)速度的自動(dòng)化調(diào)節(jié)，主要由模糊化模塊、模糊控制依據(jù)算法以及決策模塊三部分組成。其中模糊化模塊即對(duì)控制輸入量的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定存儲(chǔ)；模糊控制的依據(jù)算法是通過(guò)設(shè)計(jì)的采煤機(jī)截割煤壁工作阻力的阻抗范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒截割速度以及采煤機(jī)牽引速度的調(diào)節(jié)；決策模塊是通過(guò)工作阻抗的調(diào)節(jié)量輸出具體的參數(shù)調(diào)節(jié)值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)工作速度的調(diào)節(jié)效果[2]。

為實(shí)現(xiàn)上述截割控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化操控的效果，基于井下復(fù)雜的工作環(huán)境影響，利用模糊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)截割速度以及推進(jìn)速度的自動(dòng)化調(diào)節(jié)。通過(guò)采煤機(jī)截割電機(jī)截割作業(yè)時(shí)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與實(shí)際工作過(guò)程中轉(zhuǎn)速的誤差值進(jìn)行差值計(jì)算，將這一差值作為模糊控制系統(tǒng)的輸入變量，經(jīng)過(guò)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算后，對(duì)輸入的截割速度以及推進(jìn)速度的參數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)截割控制系統(tǒng)的優(yōu)化精確控制效果，具體操作如圖3 所示。通過(guò)對(duì)采煤機(jī)的實(shí)時(shí)工況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，通過(guò)模糊控制器利用截割阻力范圍對(duì)輸入變量進(jìn)行調(diào)整，從而輸出調(diào)整后的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)作業(yè)速度的自動(dòng)化調(diào)節(jié)效果。

圖3 模糊控制下的自動(dòng)截割調(diào)速流程圖

3.2 截割效果仿真模擬

為確定模糊控制設(shè)計(jì)對(duì)采煤機(jī)滾筒截割速度以及采煤機(jī)牽引速度的調(diào)節(jié)效果，現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)完成后的采煤機(jī)截割速度自動(dòng)調(diào)節(jié)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，具體驗(yàn)證結(jié)果如圖4 所示，通過(guò)利用不同阻力下模糊控制器的自動(dòng)調(diào)速實(shí)際效果來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的控制性能?？梢钥闯觯诮馗钭枇ξ醋兓那?0 s 內(nèi)，采煤機(jī)滾筒的截割速度以及推進(jìn)速度均未發(fā)生變化；在20 s 之后采煤機(jī)的截割阻力增大，而采煤機(jī)的推進(jìn)速度在30 s 后也隨之降低，呈現(xiàn)了一段時(shí)間的滯后性，而采煤機(jī)截割滾筒的截割速度則在20 s 后同步降低。因此基本可以確定模糊控制的可靠性，可以在保證采煤機(jī)截割作業(yè)穩(wěn)定性的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)作業(yè)參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)，提高綜采工作效率。

圖4 采煤機(jī)截割速度及給進(jìn)速度隨截割阻力變化示意圖

下頁(yè)圖5 為采煤機(jī)在超載欠載下的工作曲線圖由圖5 可知，采用模糊控制系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)的推進(jìn)速度以及滾筒截割進(jìn)行自動(dòng)化控制，基本可以實(shí)現(xiàn)取代人工操作的效果。在超載作業(yè)工況下或欠載工況下模糊控制的調(diào)節(jié)速度要明顯高于人工控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)微工作阻力的靈敏捕捉實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)作業(yè)速度的靈活控制，使用效果顯著[3-4]。

圖5 采煤機(jī)在超載欠載下的工作曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)的幾種截割狀態(tài)進(jìn)行研究，得出控制截割作業(yè)的關(guān)鍵因子，即截割阻力對(duì)截割速度以及采煤機(jī)推進(jìn)速度的影響。以截割電機(jī)作業(yè)時(shí)的截割速度以及采煤機(jī)推進(jìn)速度的初始值做輸入變量，通過(guò)模糊控制器利用截割阻抗范圍實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入?yún)?shù)的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)截割電機(jī)的優(yōu)化調(diào)速目的，并通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)截割作業(yè)的調(diào)速優(yōu)化控制，起到了采煤機(jī)自動(dòng)化、智能化作業(yè)效果，對(duì)煤礦產(chǎn)業(yè)智能化、高效化發(fā)展具有重大意義。