基于磁流变触觉反馈的采煤机恒功率控制系统的研究

2018-09-18高玉喜

机械管理开发 2018年9期

高玉喜

（阳泉煤业集团翼城华泓煤业有限公司，山西神池 036100）

引言

为了充分发挥采煤机截割机构驱动电机的效能，大多数采煤机均采用了恒功率的控制方式，通常采用调整采煤机牵引速度来保证采煤机恒功率工作的方案，但采煤机在井下综采面工作时受现场行进道路及煤层地质条件的影响极大，采煤机在将煤炭从煤壁上剥离下来时受到的截割阻力处于无规则变化状态，因此在基于牵引速度调整的恒功率控制系统中为了确保电机在过载时不受损坏，设置有过载保护系统，这样就出现采煤机在工作中会频繁的出现超载时保护电路启动，造成采煤机的停机，而当采煤机工作时负载降低时，采煤机又常常处于欠载的工作状态，造成综采效率低下[1]。因此现有的基于牵引速度调整的恒功率控制系统已经越来越不能满足高效率的综采要求，急需开发新的恒功率控制系统，满足井下综采面高效、可靠的采煤机综采要求。

1 基于磁流变触觉反馈的采煤机恒功率控制原理

在现有的恒功率控制基础上，在控制系统中增加磁流变触觉反馈控制系统，该控制系统主要是由磁流变阻尼器构成，利用磁流变触觉反馈原理实现对采煤机工作过程的恒功率的控制[2]，消除目前基于牵引速度调整的恒功率控制方式在实际应用中的局限性，新型的基于磁流变触觉反馈的采煤机恒功率控制原理如图1所示。

由图1可知，该恒功率控制系统在工作时，由设置在采煤机上的运行速度监测传感设备和位于控制电路上的电流互感器设备对采煤机在实际工作时的运行速度和截割机构驱动电机的电流情况进行监测，将监测信息利用工业局域网络传输到数字信号处理控制器（DSP）内，由该控制器设备根据系统设定的逻辑信号关系输出有相应占比的脉冲宽度调制控制信号，由该调制信号对电流输出控制器的输出电流情况进行控制。经电流控制器调制输出的电流在磁流变触觉反馈控制系统内的阻尼器的线圈内通过时产生磁场，对控制系统活塞的移动产生阻力，由控制系统根据阻力的变化情况对判断相应的运行方向，由操作者控制操作杆移动相应的位移，同时系统根据采煤机实际的位移情况反馈到数字信号处理控制器内，经数据处理后进一步的对采煤机截割电机的运转速度进行调节。在整个控制过程中，系统会实时根据综采面采煤机截割煤壁时的阻力的变化对采煤机的牵引速度和截割机构的运行速度进行调节，在不降低采煤机综采效率的前提下，实现采煤机的恒功率的运行，同时也杜绝了采煤机的超载运行对截割机构造成的损坏。该控制系统的优点在于操作者在对采煤机运行状态进行控制时并不是依赖于视觉和听觉，而是根据采煤机运行时操作手柄的磁阻变化情况来进行操作，能极大的释放操作者的工作强度，提高控制效率和精确性，更适合煤矿井下综采面高尘、高噪声的复杂环境。

图1 基于磁流变觉反馈的采煤机恒功率控制结构示意图

2 磁流变阻尼器的结构及工作原理

该系统采用的磁流变阻尼器的结构为剪切阀体式，主要包括线圈、本体、活塞和控制杆，其整体结构如图2所示[3]。

图2 磁流变阻尼器结构示意图

由图2可知，在本体和控制活塞头的两侧有一定的间隙，活塞杆推动活塞运动时推动缸体中的磁流液体进行运动，从活塞和缸体之间的微缝隙处反向往另一侧的缸体内流动，当阻尼线圈内有电流通过后在缸体侧向间隙处会产生垂直于磁流变液体运动方向的磁场，磁流变液体在磁场磁感作用下发生流变效应，其液体形态将转换为类粘弹塑性形态，使液体在运动过程中的阻力增加，在缸体内的活塞持续运动的作用下对类黏弹塑性形态的液体产生了一个侧向剪切力作用，因磁流变液体类黏弹塑性体的抗压强度是随着磁通强度的变化而不断变化的，因此在实际应用时可通过调整作用在线圈内的电流的大小改变作用在磁流变液体上的磁通的大小，进而获得精确的、大小可转换的阻尼作用力，达到精确控制采煤机截割机构作业速度，确保其恒功率运行。

3 采煤机恒功率控制系统的仿真分析

利用MATLAB/SIMULINK仿真分析软件[4]，建立基于磁流变触觉反馈的采煤机恒功率控制系统的数值仿真分析模块，对磁流变触觉反馈控制系统的控制效果进行仿真分析，该控制系统的数值仿真分析模块如图3所示。

图3 磁流变控制系统仿真模块

根据采煤机在实际工作时的额定工作电流情况，在进行仿真分析时对该仿真控制系统加载上振幅为10 mm，频率为1 Hz的正弦交变激励信号，由此可得到系统磁流变液体的阻尼的变化情况，仿真分析结果如图4、图5所示。

图4 阻尼力-速度曲线

由图4分析可知，随着活塞杆运行速度的增加其内部液体的阻尼随之增加，这主要是受磁流体内部黏滞阻力增加影响的原因，该速度-阻尼力的变化关系曲线与Bingham的本构关系相符合，速度越低其黏滞性越大。

图5 阻尼力-电流曲线

由图5分析可知，采煤机工作电流是随着阻尼力的变化而变化的，该处表明了磁流变阻尼的可通过电流大小进行调节的可控性及阻尼调节过程的连续性，在系统中设置为上限励磁电流强度约为1.3 A，用于防止阻尼力过大导致的运行卡阻与迟滞现象。在最小励磁电流作用下的阻尼力约为0.48 N，在最大励磁电流作用下的阻尼力约为25.2 N，当励磁电流强度为0的情况下阻尼力不为0，主要是因为线圈内的材料为具有铁磁性，在内部残存着一定的磁阻，该特性能够确保在系统对采煤机运行速度调节时不会出现失速现象，确保恒功率调节的平稳性。