采煤机自适应变速截割控制策略及仿真分析

霍 晶

（潞安集团寺家庄公司， 山西 晋中 045399）

引言

采煤机为综采工作面的主要生产设备，其承担工作面的截割煤炭和落煤任务。未来，随着综采工作面走向无人化、智能化，采煤机作为重要设备也朝着无人化、高自动化的方向发展。目前，采煤机在实际应用中主要存在少人化、无人化自动控制功能尚未实现、截割性能有待提高等[1]。同时，针对采煤机截割部的变速截割研究较少，目前主要针对牵引速度的变速截割保证生产效率和安全性。针对此项应用空白，本文将重点开展采煤机自适应变速截割控制策略研究，得出为保证最佳截割性能而采取的最佳控制策略。

1 采煤机结构组成及主要参数

采煤机作为综采工作面必不可少的设备，其主要由截割部、牵引部和相关电气控制系统组成。经研究可知，采煤机截割部负载特性与其实时截割参数和工作面煤层、地质条件相关；采煤机牵引部负载特性与采煤机本身的推进阻力、重量的分量以及其在推进过程中的摩擦力相关。本文将以300 kW 采煤机为例开展研究，该型采煤机各部件的主要参数如表1 所示。

表1 采煤机各部件主要参数

本文研究思路：结合上述参数分别完成牵引电机、截割电机以及相关电气控制系统的模型；通过截割不同煤层模拟不同的外部载荷，验证不同调速策略下对应采煤机的截割性能。本次研究设定采煤机的初始牵引速度为3.6 m/min，滚筒的初始转速为31 r/min；截割部所承受煤层的初始截割阻抗为180 kN/m，并在4 s 时截割阻抗上升为240 kN/m。

2 采煤机自适应变速截割控制策略

本着采煤机块煤率、截割比能耗等参数为考核对象，对采煤机截割参数进行优化，从而得出在合理截割阻抗范围内最佳的滚筒转速和牵引速度；而后，得出在不同截割阻抗范围内对应的最佳控制策略；最终，得出了可应用于采煤机的自适应变速截割控制策略。

2.1 采煤机截割参数的优化

评价采煤机截割参数的优劣主要通过截割比能耗、块煤率以及从整体综合考虑工作面的生产率。其中，煤炭的块煤率与其销售价格、工作面的粉尘浓度等相关；在实际生产中，煤炭的块煤率与滚筒的直径、截线距以及每条截线的截齿数量相关[2]。截割比能耗为采煤机截割单位体积煤炭的能耗，该项参数最小对应截割参数的经济性越好；经理论研究表明：截割比能耗随着滚筒转速的增加而呈现线性增加的变化趋势；其与牵引速度成负相关的关系。采煤机的生产率仅与其牵引速度相关。

针对采煤截割参数优化，以采煤机截割滚筒转速和牵引速度为变量，以采煤机装煤条件（滚筒的落煤量小于滚筒的理论装煤量）、截割功率（截割功率和装煤功率小于300 kW）以及牵引功率（牵引功率小于50 kW）为约束条件实现对采煤截割参数的优化。本文基于粒子群优化算法实现对截割参数的优化，优化结果如下页表2 所示。

如下页表2 所示，随着截割阻抗的增加，需要通过同时降低牵引速度和滚筒转速实现采煤机截割比能耗、块煤率以及生产率参数的综合最优；而且，牵引速度的减小幅度明显低于滚筒转速的减小幅度，说明滚筒转速对截割参数的影响程度大于牵引速度[3]。

表2 采煤机截割参数优化结果

2.2 采煤机自适应变速截割控制策略

在实际生产中，采煤机会遇到截割阻抗增大和减小情况。因此，截割阻抗由大变小和由小变大的情况均应该设计不同的控制策略。具体研究如下：

2.2.1 当截割阻抗由大变小时

当采煤机截割阻抗由大变小时，分别对1 号：先调节滚筒转速后调节牵引速度、2 号先调节牵引速度后调节滚筒转速、3 号同时调节牵引速度和滚筒转速的三种控制策略对应的截割比能耗、生产率以及块煤率三种参数的变化情况进行仿真分析，仿真结果如图1 所示。

当采煤机截割阻抗由大变小时大体调整趋势为同时增加牵引速度和滚筒转速。分析图1 可知，当优先增加牵引速度时对应的获得的块煤率均比其他策略高，对应截割比能耗也比其他策略低；同时，优先增加牵引速度可获得更大的生产率[4]。因此，在截割阻抗由大变小的情况应采用先调节牵引速度后调节滚筒转速，从而获得最佳的截割性能。

图1 不同控制策略对应截割参数的变化情况

2.2.2 当截割阻抗由小变大时

当采煤机截割阻抗由小变大时，分别对1 号：先调节滚筒转速后调节牵引速度、2 号先调节牵引速度后调节滚筒转速、3 号同时调节牵引速度和滚筒转速的三种控制策略对应的截割比能耗、生产率以及块煤率三种参数的变化情况进行仿真分析，仿真结果如图2 所示。

图2 不同控制策略对应截割参数的变化情况

当采煤机截割阻抗由小变大时大体调整趋势为同时减小牵引速度和滚筒转速。分析图2 可知，当优先减小滚筒转速时对应的获得的块煤率均比其他策略高，对应截割比能耗也比其他策略低；同时，优先减小滚筒转速而牵引速度后续调整时，该种情况为生产率减小最小的情况。因此，在截割阻抗由小变大的情况应采用先调节滚筒转速后调节牵引速度，从而获得最佳的截割性能。

3 结论

1）随着截割阻抗的增加，需要通过同时降低牵引速度和滚筒转速实现采煤机截割比能耗、块煤率以及生产率参数的综合最优；滚筒转速对截割参数的影响程度大于牵引速度。

2）采煤机截割阻抗由大变小时，通过优先增大牵引速度后增加滚筒速度的控制策略保证采煤机的截割性能达到最佳；

3）采煤机截割阻抗由小变大时，通过优先减小滚筒速度后减小牵引速度的控制策略保证采煤机的截割性能达到最佳。.