基于整定模糊控制的采煤机自适应截割策略的研究

卢 乔

（山西焦煤西山煤电晋兴公司斜沟煤矿， 山西 吕梁 033602）

引言

受科技发展和经济等因素的影响，我国多数煤矿所使用的采煤机自动化程度较低，工作时需要人工对其截割路径、进给速度、截割转速等进行控制，但在实际工作中由于煤矿井下的粉尘浓度高、视野条件差等因素，极易导致综采作业时采煤机发生触顶、截割路径偏差大、回采率低的问题，不仅严重影响了煤矿井下的综采作业效率，而且也给工人的生产造成了较大的安全隐患。同时人工控制采煤机进行综采作业也容易导致截割过程中的块煤率低下、粉尘量大，进一步加剧了井下综采作业的难度。因此为了提升井下采煤机综采作业的自动化程度，降低截割过程中的能源消耗，本文提出了一种基于整定模糊控制的采煤机自适应截割控制策略，通过建立自动控制档案，实现采煤机井下作业时根据截割阻力变化情况的自适应截割控制，满足综采作业智能化的需求，提升煤炭生产企业的经济效益[1-2]。

1 采煤机截割受力的分析

采煤机在工作时其截割电机所发出的截割转矩经过减速机构及截割滚筒后传递到煤层上，通过旋转挤压将煤炭从煤壁上剥离下来，截割作业过程中采煤机截割滚筒的受力分析如图1 所示，由此可知，在截割作业过程中作用在采煤机截割滚筒上的力可表示为[1]：

式中：Fx为作用在截割机构x轴方向上的分力，N；n为截割机构同时参与截割的截齿的数量，个；Xi为第i个截齿所受的到的侧向力，N；Fy为作用在截割机构y轴方向上的分力，N；Zi为第i个截齿所受到的截割阻力，N；φi为第i个截齿的位置角，（°）；Yi为采煤机第i个截齿的进给阻力，N；Fz为作用在截割机构y轴方向上的分力，N。采煤机工作受力结构示意图如图1 所示。图中：vq表示采煤机的进给速度，Ff采煤机的推进阻力[3]。

图1 采煤机工作受力结构示意图

当采煤机在进行进给运动时，还需要克服在前进过程中的推进阻力的作用，为了简化分析，本文在设定采煤机在牵引方向上的载荷可表示为[2]：

式中：Ky为采煤机的进给阻力系数；G为采煤机的整机重力，N；fq为采煤机的进给摩擦阻力系数；β 为采煤机的工作倾角。

2 煤层的阻抗识别及截割参数的优化

采煤机截割机构在进行综采作业时，其进给速度vq和截割滚筒的截割转速ω 是影响其综采效率和块煤率的主要因素。为了确保截割驱动电机的工作稳定性，采煤机工作时所受到的截割阻抗直接会反应到采煤机的截割滚筒上的受力。在采煤机的牵引速度和截割滚筒转速一定的情况下，其截割载荷的大小主要取决于煤层的截割阻抗，因此可以利用采煤机工作时截割驱动电机工作电流的波动情况来表征煤层的截割阻抗的大小，本文通过搭建采煤机截割传动试验平台对截割作业时的截割负载和截割驱动电机工作电流的关系进行研究，其结果如图2所示[4]。

图2 滚筒负载与电机电流值的关系曲线

根据煤层的阻抗特性，及图2 所示（图中电流的曲线仅表示电流变化趋势，不表示具体值）的采煤机滚筒负载和采煤机截割驱动电机电流的关系，将井下煤层的截割阻抗划分为五个等级，在每个阻抗等级中分别设定一个最适应的采煤机截割滚筒的转速和采煤机的牵引速度，采煤机控制系统自动根据截割阻力的变化判断出所处的截割阻抗范围，然后选择所匹配的截割控制参数，实现自适应控制调整，井下煤层的阻抗划分范围如图3 所示。

图3 井下煤层截割阻抗区间划分

通过对采煤机在不同截割阻抗下的电机工作特性及整机工作时的动态截割特性的研究[3]，建立了不同截割阻抗下的采煤机截割转速ω 和进给速度vq的最优工作参数表，其对应关系如图4 所示，通过此对应关系可以实现由截割控制系统根据截割阻抗精确调整所需的截割转速和进给速度。

3 基于整定模糊的自适应截割策略

由于煤矿井下地质条件复杂，同一区间内煤层的截割阻抗的变化情况较大且频繁，为了提升截割控制系统工作时电机的调速性能，在该控制系统中采用了整定模糊控制器来实现对截割速度和进给速度的调节。其工作时以截割电机的理论转速和实际转速的偏差及偏差变化率为输入变量[4]，经过模糊控制器的模糊推理后，进行整定参数调整，实现对电机工作调速性能的优化控制，其自适应截割控制策略的控制原理如图5 所示。

图4 采煤机截割参数的分级优化

图5 整定模糊控制的自适应截割策略原理

为了验证该自适应截割控制策略的控制效果，本文以某截割试验平台为基础对采煤机在不同阻抗下的调速控制策略的实际工作情况进行分析验证，其结果如图6 所示（图中①③分别表示截割阻抗为1 级、3 级的情况）。

由试验验证结果可知，当截割阻抗发生变化后，采煤机的牵引速度的截割转速均能及时发生对应的调整，首先是截割滚筒转速降低，然后在是牵引速度降低，如此可在确保截割稳定性的基础上大幅降低采煤机工作参数以调整对综采效率带来的影响。

图6 采煤机截割参数随阻抗的变化情况

4 结论

1）该控制系统以截割电机的理论转速和实际转速的偏差及偏差变化率为输入变量，经过模糊控制器的模糊推理后，进行整定参数调整，实现对电机工作调速性能的优化控制；

2）通过对截割阻抗划定区间并设定不同区间内采煤机最优运行控制参数的方案，能够降低综采时采煤机速度调节时间，确保综采作业效率；

3）该自适应截割控制策略能够实现对采煤机综采作业的自适应控制，极大提升了采煤机工作时的自动化和智能化程度，具有极大的应用推广价值。