閆向彤，張 健，熊友錕，董鵬輝

(西安科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

采煤機和刮板輸送機是綜采設(shè)備群中主要的機電設(shè)備，其正常運轉(zhuǎn)是煤炭持續(xù)生產(chǎn)的重要保障[1，2]。然而，刮板輸送機一直以高速運轉(zhuǎn)，造成空載以及輕載，導(dǎo)致能源浪費，當(dāng)采煤速度過快，刮板輸送機又會出現(xiàn)過載停機等問題[3-6]。因此，需要對刮板輸送機和采煤機協(xié)同速度進(jìn)行優(yōu)化，減少刮板輸送機能耗，提高運輸效率[7]。

部分學(xué)者提出了一些理論和方法，王艷萍[8]以刮板輸送機負(fù)載平穩(wěn)性為目標(biāo)，對刮板輸送機和采煤機直線段協(xié)同速度進(jìn)行規(guī)劃。王海瑞[9]和劉超[10]以刮板輸送機實際負(fù)載變化作為調(diào)速依據(jù)，對采煤機采煤速度進(jìn)行調(diào)整。陳迪蕾等[11]以采煤機和刮板輸送機雙機能耗為優(yōu)化目標(biāo)，對采煤機和刮板輸送機協(xié)同速度進(jìn)行了規(guī)劃。Zheng Zheng等[12]建立采煤機能耗模型，提出最小化單向開采時采煤機能耗。王凱[13]以刮板輸送機預(yù)測負(fù)載情況對采煤機進(jìn)行調(diào)速。Iacono M等[14]為實現(xiàn)井下綜采工作面無人化、少人化，研究井下綜采設(shè)備群的協(xié)同工作過程，構(gòu)建了INS/UWB協(xié)同定位模型，以此實現(xiàn)綜采“三機”設(shè)備的協(xié)同調(diào)度優(yōu)化，減少事故的發(fā)生。德國DBT[15]設(shè)計研發(fā)出的CST系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)刮板輸送機的軟啟動，減小重載啟動的沖擊電流，同時具有平衡多點功率的功能。

過去研究多以降低采煤機、刮板輸送機的能耗或降低刮板輸送機負(fù)載波動性作為優(yōu)化目標(biāo)，考慮單個指標(biāo)的優(yōu)化，未進(jìn)行綜合考慮。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，以刮板輸送機和采煤機為研究對象，以刮板輸送機能耗為主要優(yōu)化目標(biāo)的同時引入刮板輸送機運輸效率和運輸速度的波動性作為優(yōu)化目標(biāo)，獲得綜合優(yōu)化指標(biāo)，構(gòu)建采煤機與刮板輸送機協(xié)同調(diào)速決策模型，使用海鷗優(yōu)化算法對采煤機和刮板輸送機協(xié)同運行速度進(jìn)行優(yōu)化[16]，做到降低刮板輸送機能耗的同時提高其運輸效率，并且防止速度調(diào)節(jié)過大損傷電機。

1 協(xié)同速度控制框架

采煤機與刮板輸送機在協(xié)同作用下完成綜采工作面割煤、運煤，其協(xié)同速度不匹配，對刮板輸送機能耗和運輸效率產(chǎn)生一定影響，因此，對采煤機牽引速度和刮板輸送機運輸速度進(jìn)行調(diào)整可優(yōu)化刮板輸送機能耗與運輸效率。采煤機與刮板輸送機協(xié)同速度控制框架如圖1所示，構(gòu)建協(xié)同調(diào)速決策模型，引入刮板輸送機能耗和運輸效率模型，降低刮板輸送機因長時間高速運行造成的能源浪費，提高刮板輸送機運輸效率；同時，使用刮板輸送機運輸速度波動作為優(yōu)化目標(biāo)，在降耗增效的同時避免刮板輸送機速度調(diào)動過大造成電機損傷；以各階段刮板輸送機運輸速度和采煤機牽引速度為優(yōu)化變量，在滿足規(guī)定的速度、生產(chǎn)時間和載煤量等約束條件下，使用海鷗優(yōu)化算法進(jìn)行求解，將優(yōu)化結(jié)果作為第k個生產(chǎn)循環(huán)中采煤機與刮板輸送機的協(xié)同速度跟蹤目標(biāo)。

圖1 協(xié)同速度控制框架

2 雙向割煤工藝

選用雙向割煤工藝為研究基礎(chǔ)，采煤機進(jìn)刀方式采用端部斜切進(jìn)刀割三角煤，此工藝適用于具有穩(wěn)定頂板并且工作面長度較大的煤層[17]，雙向割煤上端頭到下端頭流程如圖2所示。

圖2 雙向采煤流程

圖2(a)到圖2(b)為采煤機斜切進(jìn)刀，圖2(b)到圖2(c)為采煤機返回割端部三角煤，圖2(c)到圖2(d)為采煤機至斜切進(jìn)刀末端后進(jìn)入直線割煤，反向運行與之步驟相同。其中，L為綜采工作面長度，N為采煤機端部斜切進(jìn)刀段長度，vc為刮板輸送機運輸速度，vs為采煤機牽引速度。

根據(jù)斜切段與直線段不同的割煤工藝要求，研究分析刮板輸送機的負(fù)載與載煤量計算，以便對刮板輸送機能耗和運輸效率進(jìn)行分析計算。

3 協(xié)同調(diào)速決策模型

3.1 優(yōu)化設(shè)計變量

刮板輸送機的運輸能耗受到采煤機牽引速度、采煤機行進(jìn)位置和刮板輸送機運輸速度的影響，采煤機一個割煤循環(huán)劃分的階段1～6如圖3所示，分別對應(yīng)圖2中采煤機從機尾到機頭的斜切進(jìn)刀、割三角煤和直線割煤，以及從機頭到機尾斜切進(jìn)刀、割三角煤和直線割煤。

圖3 采煤機一個割煤循環(huán)

采煤機完成一個割煤循環(huán)的1～6個階段的牽引速度為vs1～vs6，其對應(yīng)刮板輸送機1～6階段的運輸速度為vc1～vc6；采煤機割完三角煤反向空轉(zhuǎn)到直線段進(jìn)行正常割煤之間vs7和vs8為全速前進(jìn)，對應(yīng)的刮板輸送機對應(yīng)速度為vc7和vc8。故設(shè)x1為采煤機牽引速度，x2為刮板輸送機運輸速度，所以采煤機與刮板輸送機協(xié)同調(diào)速模型的優(yōu)化設(shè)計變量：

x=[x1，x2]

x1=[vs1，vs2，vs3，vs4，vs5，vs6]

x2=[vc1，vc2，vc3，vc4，vc5，vc6，vc7，vc8](1)

3.2 優(yōu)化目標(biāo)

3.2.1 刮板輸送機能耗

刮板輸送機能耗主要由驅(qū)動電機運輸負(fù)載產(chǎn)生，而負(fù)載主要由運行阻力產(chǎn)生，包括貨載及刮板鏈在重載段上的運行阻力、貨物在傾斜運輸時的自重分力、刮板鏈在回空段的運行阻力等[18，19]。刮板輸送機阻力分為重載阻力和空載阻力，刮板輸送機重載阻力[20]：

Wz=(q0ω′L+Qω)gcosα±(Q+q0L)gsinα(2)

式中，α為刮板輸送機鋪設(shè)傾角；Q為刮板輸送機的載煤量；q0為刮板鏈單位長度重量；ω為煤在溜槽中移動的阻力系數(shù)；ω′為刮板鏈在溜槽移動阻力系數(shù)；g為重力加速度。

煤和刮板鏈沿刮板輸送機運行方向分力與運行阻力方向相同取“+”，相反取“-”。刮板輸送機空載阻力：

Wk=q0Lg(ω′·cosα?sinα)(3)

曲線段刮板輸送機運行阻力取作總運行阻力的10%，則刮板輸送機總運行阻力：

W=1.1(Wz+Wk)(4)

而刮板輸送機負(fù)載的變化主要受到載煤量變化的影響，根據(jù)雙向割煤割三角煤工藝，將載煤量計算分為以下兩種：

1)采煤機直線段。采煤機在完成端部斜切后進(jìn)入正常割煤狀態(tài)直到割至下端部，由文獻(xiàn)[8]和[11]得刮板輸送機的載煤部分煤流線密度為：

其中，采煤機直線段的單位采煤量為：

qs=hSγ(6)

式中，h為采煤機采高；S為采煤機直線段截深；γ為煤的密度。

采煤機牽引速度方向與刮板輸送機運輸方向相同時為“+”，反向取“-”。

設(shè)0時刻采煤機開始割煤，to時刻刮板輸送機開始落煤，ts時刻采煤機割煤結(jié)束，te時刻刮板輸送機落煤結(jié)束，則直線段刮板輸送機的載煤量：

2)采煤機斜切段。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，設(shè)tp時刻刮板輸送機開始落煤，tm時刻采煤機完成該段割煤，tn時刻刮板輸送機該階段落煤結(jié)束，則采煤機進(jìn)行斜切段時的刮板輸送機的載煤量：

則刮板輸送機花費Tt時間完成運輸采煤機割完一個循環(huán)作業(yè)的能耗為：

式中，刮板輸送機的運行功率即為刮板輸送機電機的運行功率，則功率：

式中，k為刮板機電機備用功率系數(shù)；ηc為傳動裝置總效率。

3.2.2 刮板輸送機效率

為了在減小能耗的同時提高刮板輸送機的作業(yè)效率，即提高有用功所占總功的比例，以效率作為優(yōu)化指標(biāo)，則效率的倒數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)：

3.2.3 刮板輸送機運輸速度波動性

在降低能耗、提高效率的同時，為防止刮板輸送機調(diào)速過程中速度變化量過大，造成對驅(qū)動電機的損傷，使用各階段運輸速度標(biāo)準(zhǔn)差作為速度波動性的優(yōu)化指標(biāo)，則速度波動性的目標(biāo)函數(shù)：

式中，vc為刮板輸送機平均運輸速度；M為樣本個數(shù)。

綜上所述，采煤機與刮板輸送機多目標(biāo)協(xié)同調(diào)速決策模型優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

fitness=min{F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3}

s.t.：gi≤0，i=1，2，…，m(13)

式中，gi為m個不等式約束條件。

由于含有三個非線性目標(biāo)函數(shù)，若采用多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行求解，會造成優(yōu)化的復(fù)雜度增加，所以采用線性加權(quán)和法將多目標(biāo)問題簡化成單目標(biāo)優(yōu)化問題，減小求解難度[21]，則采煤機與刮板輸送機協(xié)同速度優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

fitness=w1F1+w2F2+w3F3(14)

不同目標(biāo)權(quán)重設(shè)置的不同，會對最終結(jié)果產(chǎn)生影響，根據(jù)本文優(yōu)化目標(biāo)的側(cè)重性以及相關(guān)煤礦論文知識，對三個評價指標(biāo)打分，通過相對比較法對各目標(biāo)函數(shù)所占權(quán)重進(jìn)行求取，并且不斷調(diào)整，獲得權(quán)重分別為：w1=0.5，w2=0.4，w3=0.1。所以，采煤機與刮板輸送機多目標(biāo)綜合協(xié)同調(diào)速決策模型為：

minfitness=0.5F1+0.4F2+0.1F3

s.t.：gi≤0，i=1，2，…，m(15)

由于效率、標(biāo)準(zhǔn)差和能耗是不同量綱的兩類評價標(biāo)準(zhǔn)，故對每個階段的能耗值進(jìn)行歸一化處理，再對權(quán)值進(jìn)行分配，目標(biāo)函數(shù)值越小，優(yōu)化結(jié)果越好。

3.3 約束條件

1)負(fù)載約束。刮板輸送機有其運輸最大載煤量，則實時載煤量Q的范圍為：

0≤Q≤Qmax(16)

2)生產(chǎn)任務(wù)時間約束。在規(guī)定的時間內(nèi)，刮板輸送機要完成采煤機割完煤層的卸載，則采煤機完成一個循環(huán)的任務(wù)時間ts不能超過生產(chǎn)部門所要求的時間Ts，即

ts≤Ts(17)

刮板輸送機完成采煤機一個割煤循環(huán)的卸載所需時間tc不能超過規(guī)定完成任務(wù)時間Tc，即

tc≤Tc(18)

3)運行速度約束。不同工作面條件和不同機型對應(yīng)不同采煤機牽引速度，但其有設(shè)定的最大牽引速度和最低牽引速度，則采煤機速度約束條件為：

vsmin≤|vsi|≤vsmax(19)

刮板輸送機規(guī)定有最大運輸速度，以最大的運輸速度和空載時保證刮板輸送機正常運行的運輸速度分別作為刮板輸送機運輸速度約束范圍的最大值和最小值，即

vcmin≤vci≤vcmax(20)

3.4 海鷗優(yōu)化算法求解

海鷗有遷徙和攻擊2種重要行為，遷徙時朝著最佳方向前進(jìn)的同時避免發(fā)生碰撞；進(jìn)攻時海鷗做出螺旋運動形態(tài)[22]。

3.4.1 遷徙(全局搜索)

遷徙階段海鷗完成三個步驟：

1)避免碰撞。海鷗在躲避碰撞的同時從當(dāng)前位置Ps(n)移動到新的位置，則海鷗的新位置為：

Cs(n)=(fc-(n×(fc/T)))×Ps(n)(21)

式中，n為當(dāng)前迭代次數(shù)；fc為取值為2；T為最大迭代次數(shù)。

2)最佳位置方向。海鷗向著最佳位置Pbs(n)所在的方向Ms(n)移動，則最佳位置方向為：

Ms(n)=B×(Pbs(n)-Ps(n))(22)

其中，負(fù)責(zé)平衡全局和局部搜索的參數(shù)：

B=2×A2×rd(23)

式中，rd為[0，1]之間的隨機數(shù)。

3)靠近最佳位置：

Ds(n)=|Cs(n)+Ms(n)|(24)

3.4.2 攻擊(局部搜索)

海鷗在空中進(jìn)行螺旋式攻擊，在x、y、z坐標(biāo)系內(nèi)飛行路徑為：

式中，r為螺旋飛行半徑；θ為[0，2π]區(qū)間內(nèi)的隨機角度值；u為常數(shù)，取1；v為常數(shù)，取1；e為自然對數(shù)的底數(shù)。

可得海鷗攻擊位置為：

Ps(n)=Ds(n)×x×y×z+Pbs(n)(26)

海鷗優(yōu)化算法求解采煤機與刮板輸送機多目標(biāo)協(xié)同調(diào)速優(yōu)化問題流程如圖4所示。

圖4 求解流程

4 案例分析

仿真實驗使用Matlab2019a實現(xiàn)，選用文獻(xiàn)[8]中某綜采工作面基礎(chǔ)參數(shù)和采煤機、刮板輸送機運行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

4.1 仿真參數(shù)

文獻(xiàn)[8]中某礦井的工作面基礎(chǔ)參數(shù)、采煤機與刮板輸送機運行參數(shù)，具體參數(shù)見表1。

表1 工作面和裝備基礎(chǔ)參數(shù)

4.2 變量影響分析

針對一個割煤循環(huán)過程中完成相同的煤壁的采、運，對采煤機和刮板輸送機在不同速度配合下的能耗和運輸效率進(jìn)行仿真，分析采煤機牽引速度和刮板輸送機運輸速度變化對刮板輸送機能耗和運輸效率的影響。

4.2.1采煤機牽引速度影響

根據(jù)煤礦綜采工作面情況，設(shè)計3組刮板輸送機運輸速度不變，采煤機牽引速度變化的協(xié)同運行速度方案，見表2。

表2 牽引速度不同方案

由表2中3組方案可知，當(dāng)刮板輸送機運輸速度不變時，隨著采煤機牽引速度增加，刮板輸送機能耗值不斷降低，采煤時間不斷減小，但運輸效率在不斷減小，說明采煤機牽引速度的增加可以減小刮板輸送機的能耗，減少工作時間，但運輸速度與牽引速度不匹配，會造成運輸效率降低，即刮板輸送機載煤做功消耗占總功比值減小。

4.2.2 刮板輸送機運輸速度影響

針對一個割煤循環(huán)過程，設(shè)計3組采煤機牽引速度不變、刮板輸送機運輸速度變化的協(xié)同運行方案，探究運輸速度變化對刮板輸送機能耗和運輸效率的影響，見表3。

表3 運輸速度不同方案

當(dāng)采煤機牽引速度不變時，隨著刮板輸送機運輸速度增加，刮板輸送機能耗值不斷增加，運輸效率不斷減小，但完成一個割煤循環(huán)的時間相同，因為割煤時間主要由采煤機牽引速度和割煤速度決定，刮板輸送機在相同的采煤機條件下完成運輸時間相同，對比說明在不影響生產(chǎn)任務(wù)的前提下，減小刮板輸送機運輸速度可以減小能耗，提高運輸效率。

綜上所述，綜采作業(yè)時，在滿足采煤量、運行時間以及雙機參數(shù)等約束條件下，綜合協(xié)調(diào)好采煤機牽引速度和刮板輸送機運輸速度能有效減少刮板輸送機能耗，提高運輸效率。

4.3 實例優(yōu)化分析

選用文獻(xiàn)[8]中某綜采工作面一個循環(huán)中各階段原始采煤機牽引速度和刮板輸送機運輸速度作為對比方案，采用海鷗優(yōu)化算法對該循環(huán)作業(yè)采煤機和刮板輸送機各階段的協(xié)同運行速度進(jìn)行優(yōu)化，算法參數(shù)設(shè)置為種群數(shù)量為100，最大迭代次數(shù)為200，可得優(yōu)化前后結(jié)果見表4。

表4 運輸速度、牽引速度優(yōu)化對比

由表4可知，經(jīng)過采煤機與刮板輸送機協(xié)同調(diào)速決策模型對一個循環(huán)作業(yè)中的采煤機和刮板輸送機協(xié)同速度進(jìn)行優(yōu)化，通過海鷗優(yōu)化算法獲得更加匹配的各階段協(xié)同速度，整體消耗的時間更少，實現(xiàn)了在完成采運煤任務(wù)的前提下刮板輸送機能耗降低了28.7%，效率提高了6.8%。

5 結(jié) 語

通過對雙向割煤工藝研究分析，引入刮板輸送機能耗、效率和運輸速度波動多個指標(biāo)作為綜合優(yōu)化目標(biāo)，以采煤機和刮板輸送機運行速度范圍等作為約束條件，使用海鷗優(yōu)化算法進(jìn)行求解，構(gòu)建采煤機與刮板輸送機協(xié)同調(diào)速決策模型。使用某煤礦綜采工作面實際數(shù)據(jù)，分析采煤機牽引速度和刮板輸送機運輸速度對刮板輸送機能耗和運輸效率的影響，當(dāng)采煤機和刮板輸送機使用規(guī)劃后的各階段協(xié)同運行速度，使得刮板輸送機能耗降低了28.7%，效率提高了6.8%，減少了因刮板輸送機與采煤機作業(yè)速度不適造成的能源損耗。但本文考慮的實際影響因素不足，后續(xù)將不斷優(yōu)化改進(jìn)。