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        基于模糊控制實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)化調(diào)速控制

        2022-11-12 08:48:44段興堯
        機(jī)械管理開(kāi)發(fā) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:采煤機(jī)作業(yè)效果

        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。

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