机械化采煤机变速截割控制策略研究

王 禄

（华阳新材料科技集团有限公司装备管理部， 山西 阳泉 045000）

引言

目前，我国已经探明的储量的煤层，仅4.8%为露天开采，其余均为井工开采。对于煤炭开采而言，我国已经进入综采时代，但是与国外煤炭开采相比存在自动化、智能化以及信息化水平偏低，导致煤层回采率偏低、资源浪费严重以及效率低下的问题。采煤机作为综采工作面的关键截割设备，其主要存在依赖人工操作严重以及自适应控制水平低等问题[1]。为保证工作面生产效率和采煤机的使用寿命，实现截割滚筒的自适应变速截割尤为重要。因此，本文将重点开展采煤机变速截割控制策略及相应的调速控制功能实现的研究。具体阐述如下：

1 变速截割控制研究基础

采煤机自适应变速截割指的是截割滚筒能够根据煤层条件的变化对其转速进行调整控制，在尽可能提升煤炭截割效率的基础上，保证采煤机的使用寿命[2]。因此，采煤机变速截割控制的核心在于电气控制箱根据煤层截割阻抗的变化对滚筒转速和牵引速度进行匹配性调整控制。

1.1 采煤机概述

采煤机作为综采工作面的关键设备，其主要功能是实现煤层的截割、破碎和装煤任务。本文以双滚筒采煤机为例开展研究，其结构如图1 所示。

图1 采煤机结构

采煤机自适应控制的主要控制参数包括左右滚筒的旋转速度、牵引速度以及截割滚筒高度等。经仿真分析可知，当截割滚筒旋转速度一定时，随着牵引速度的增加对应滚筒负载增加，反之减少；当采煤机牵引速度一定时，随着滚筒旋转速度的增加对应滚筒的负载减小，反之增加。此项研究为后续采煤机的自适应控制提供基础。

1.2 煤层截割阻抗识别

在目前众多的研究成果中，基于BP 神经网络理论能够精准、快速地实现对工作面煤层截割阻抗的识别，具体表现形式为：通过对采煤机截割部截割电机、牵引部牵引电机定子电流数据的采集直观反映出与滚筒接触煤层的实时截割阻抗，并通过调取数据库中的参数对煤层截割阻抗进行量化分析[3]。

2 采煤机自适应变速截割控制策略

在以往生产中，仅根据司机经验和目视条件对采煤机牵引速度进行控制。此种控制方式主要存在的问题为：效率低、控制不及时，主要表现为所得煤炭的块煤率低、截割比能耗较大且安全性低。

2.1 采煤机截割参数的优化

对于某一固定的截割煤层而言，根据煤层条件可得出采煤机的最优化截割参数。所优化后的截割参数即为采煤机自适应截割控制的目标。

采煤机截割参数优化后的主要考核参数包括有所截割煤炭的块煤率、截割比能耗以及生产率等。以上述三个参数为变量，并参照采煤机的装煤约束条件、牵引功率约束等条，通过数值模拟分析得出不同条件对应的最优化截割参数，优化后的截割参数如下页表1 所示。

表1 最优化截割参数

2.2 采煤机自适应变速截割控制策略设计

在实际生产中，采煤机滚筒所面临工作面煤层的阻抗处于动态变化状态，根据不同的煤层截割阻抗范围应选择最佳的牵引速度和滚筒旋转速度以达到最佳的生产效果。因此，实现采煤机自使用变速截割控制的关键在于在工作面煤层截割阻抗发生突变的工况下应能够快速、平稳、精准地实现对牵引速度和滚筒旋转速度等参数的调整[4]。故本节重点对突变工况下采煤机的自适应变速截割控制策略进行设计，突变工况分为煤层截割阻抗增大和截割阻抗减小两种情况，对应的变速截割控制策略设计如下：

2.2.1 煤层截割阻抗增大的工况

针对煤层截割阻抗增大的工况，对应开采用的控制策略包括有先调节滚筒转速后调节牵引速度、先调节牵引速度后调节滚筒转速、同时调节牵引速度和滚筒转速三种。

2.2.1.1 先调节滚筒转速后调节牵引速度

对应滚筒转速和牵引速度调整的时间均为10 s，并在此自适应控制策略下得出如下结论：

1）采煤机对应上述自适应控制策略下的切削面积先减小后增大，并最终稳定在1650 mm2；

2）采煤机对应上述自适应控制策略下截割比能耗先增大后减小，并最终稳定在5.5；

3）采煤机对应上述自适应控制策略下生产率前10 s 不变，后10 s 增大并稳定在680 t/h。

2.2.1.2 先调节牵引速度后调节滚筒转速

对应滚筒转速和牵引速度调整的时间均为10 s，并在此自适应控制策略下得出如下结论：

1）采煤机对应上述自适应控制策略下的切削面积先增大后减小，并最终稳定在1700 mm2；

2）采煤机对应上述自适应控制策略下截割比能耗先减小后增大，并最终稳定在5.4；

3）采煤机对应上述自适应控制策略下生产率前10 s 增大，后10 s 不变并稳定在714 t/h。

2.2.1.3 同时调节牵引速度和滚筒转速

对应滚筒转速和牵引速度调整的时间均为10 s，并在此自适应控制策略下得出如下结论：

1）采煤机对应上述自适应控制策略下的切削面积前10 s 增大，后10 s 不变并稳定在1650 mm2；

2）采煤机对应上述自适应控制策略下截割比能耗前10 s 减小，后10 s 不变并最终稳定在5.4；

3）采煤机对应上述自适应控制策略下生产率在10 s 缓慢增加并稳定在690 t/h。

综上，在截割阻抗增大的工况，需采用先调节牵引速度后调节滚筒转速的策略对采煤机进行变速截割控制[5]。

2.2.2 煤层截割阻抗减小的工况

同理，在煤层截割阻抗减小的工况，同样对先调节滚筒转速后调节牵引速度、先调节牵引速度后调节滚筒转速、同时调节牵引速度和滚筒转速三种策略下对应的生产率、截割比能耗以及切削面积进行对比。最终得出：针对煤层截割阻抗减小的工况，应采用先调节滚筒旋转速度后调节牵引速度的策略进行控制。

因此，在上述分析的基础上，针对采煤机突变工况下设计如图2 所示的变速截割控制策略流程。

图2 自适应变速截割控制流程

3 结论

采煤机为综采工作面的关键生产设备，其牵引速度决定工作面的推进速度和产量，滚筒旋转速度决定采煤机的负载大小。在实际生产中，需截割采煤机滚筒所面临煤层的截割阻抗对其牵引速度和滚筒转速进行自适应变速控制，从而达到最佳生产效率。针对采煤机在突变工况下设计的自适应变速截割控制策略如下：

1）在截割阻抗减小的工况下，需采用先调节牵引速度后调节滚筒转速的策略对采煤机进行变速截割控制；

2）在截割阻抗增大的工况下，需采用先调节滚筒转速后调节牵引速度的策略对采煤机进行变速截割控制。