突变工况下滚筒式采煤机调速控制策略研究

贺京华

（山西乡宁焦煤集团毛则渠煤炭有限公司， 山西 临汾 042100）

引言

滚筒式采煤机是综采工作面的关键设备，对综采工作面产能的提高以及检修效能的提升有着重要的促进作用。采矿作业效率的提升，对采煤机的性能及相关设备有着更高的要求。为此，本文在研究的过程中以MG300/700-WD电牵引采煤机为研究对象，针对煤层岩石发生的突发状况，提出相应的计算方法，进而计算出煤层截面切割阻层的抗性，然后依据滚筒荷载的特殊工作性质与岩石破坏的能力，制定出不同的控制策略，最终对控制策略进行分析和对比，并得出相关的总结和建议。

1 滚筒式采煤机耦合模型建立

为了对不同情况下的截割工作状况进行深入研究和分析，本文基于采煤机的工作特性以及其变速控制的方式手段，创建了相应的控制模型，即采煤机牵引部、截割部和控制系统的整机耦合控制，为截电机和牵引电机的双向频率变化的速度调节打下坚实的基础[1]。

1.1 模型建立

图1为滚筒式采煤机截面切割部分的启动系统动力学模型。由于综合采煤的工作面条件不是很好，一旦遇到较硬的煤层或是杂岩时，就会使采煤机的机齿或是其他部件发生严重的损耗，进而影响到采煤的工作效率。所以，对滚筒式采煤机的调速控制进行深入研究分析便显得尤为重要，特别是可以更好地应对一系列的突发状况[2]。图中：i1为简化后的减速比，Jd为等效之后的滚筒惯量，Mm1为截割电机的输出转矩，Md为截割滚筒的负载荷转矩，θm1为截割电机转子角位移，θd截割滚筒的角位移，cmpe1为电机阻尼，kmpe1为第1级齿轮连接部分的刚度，cpd1为低速端齿轮联结区域的等效阻尼，kpd1为滚筒连接轴的等效刚度。

图1 截割驱动模型

忽略齿轮的平移、扭摆振动，重点关注齿轮的扭转自由度，如图1所示，驱动系统的数学模型是：

式中：δ1为角位移矩阵，[M1]为质量矩阵，[C1]为阻尼矩阵，[K1]为刚度矩阵，{P1}为载荷矩阵。忽略其余的误差，只关注齿轮时变刚度的作用，它的刚度计算公式可以表现为：

轮齿的啮合阻尼是：

式中：ξv为啮合阻力比；Rp1为主齿轮半径，m；Rg1为从齿轮半径，m；Jp1、Jg1为主、从齿轮的转动惯量，kg·m2。

两个齿轮的动态啮合力为：

式中：θp1为主齿轮的旋转角位移，rad；θg1为从齿轮的旋转角位移，rad˙p1为主齿轮的角速度，r/s˙g1为从齿轮的角速度，r/s。

采煤机的牵引数学模型为：

式中：{δ2}为角位移矩阵，[M2]为质量矩阵，[C2]为阻尼矩阵，[K2]为刚度矩阵，{P2}为载荷矩阵。

1.2 滚筒负载和牵引阻力

Md为滚筒负载，关键点在滚筒切向截割的阻力矩：

式中：n为参加截割的截齿数目；Dc为滚筒的直径，m；Zi为单齿的平均截割切向力，N。那么：

式中：Ap为煤层平均截割阻抗，kN/m；t为截齿切削宽度，m；Kz、Ky、Kψ、Kc为煤层岩石相关系数；bp为截齿的宽度；β为截齿相对于采煤机推进方向偏转角，（°）；hm为截齿的平均削厚度，m。那么：

式中：φμ为煤体对滚筒的围包角，（°）；vq为牵引速度，m/min；ng为滚筒速度，r/min；m 为相同截线的齿数。

牵引阻力矩的公式为：

式中：r为行走轮半径，m；Ff为导向滑靴与轨道之间的摩擦阻力；Ft为采煤机自重；Fy为滚筒截齿产生的与牵引方向相反的推进阻力。

综合上述的内容，可以得出采煤机整机控制模型耦合与控制原理，如图2所示。

图2 采煤机整机控制模型耦合和控制原理

2 滚筒式采煤机调速控制策略研究

为了可以有效应对不同的工作状况，并保证采煤的效率不会受到严重影响，进而提出了牵引控制协调策略。如图3所示，截割电机以特定的转矩工作的调速范围是[ω，ωe]，那么滚筒的调速范围是[ng，ngmax]。

由公式（10）可推算出 Te：

图3 截割电机调速控制特性

式中：i0为截割部总减速比；η为机械系统传动效率。

可以在电机额定转矩Te、滚筒直径Dc等参数已知情况下，确定工作时滚筒破煤能力与滚筒转速ng的关系：

依据公式（10），使牵引速度vq不发生变化，逐步控制滚筒的速度上升到最大ngmax值，然后调节滚筒破煤的截割阻抗阈值Ap_cri：

由此可知，将Ap_cri值当作是滚筒调速控制策略及牵引调控策略的转换点，进而制定出如下调控策略[3]：当煤层突然变化的荷载阻抗值Ap≤Ap_cri时，能够从优选择使用滚筒调速控制策略；当煤层突然变化的荷载阻抗值Ap＞Ap_cri时，能够从优选择使用牵引滚筒调速控制策略。

从全方位考虑采煤机安全运行及采煤效益提升的角度来看，按照对象截齿平均切削的厚度计算方式与突发状况下的调控装换条件，提出了滚筒式采煤机的速度调节的控制方法。

3 结论

运用基于采煤机的工作原理建立的牵引部、截割部及控制系统的整机模型，对突变工况下滚筒采煤机进行控制，能够转变采煤方式，改善采煤情况，降低采煤风险，提高采煤效率。