煤矿井下采煤机截割驱动控制系统的应用研究

2020-06-10郭文喜

机械管理开发 2020年4期

郭文喜

（山西煤炭进出口集团鹿台山煤业，山西晋城 048006）

引言

作为煤矿井下“三机”设备之一，采煤机在井下综采作业中扮演着极其重要的角色，在截割煤炭时，采煤机依靠截割驱动系统控制摇臂的升降和截割滚筒的转动，控制采煤机按照一定的截割轨迹进行截割作业，但由于煤矿井下高尘、低能见度，人工控制采煤机的运行存在着较大的偏差，经常出现采煤机截齿触顶事故，造成截齿折断，影响采煤机的运行安全，而且由于采用了单一的牵引调速方案，在不同的截割阻力作用下只能通过调整采煤机的进给速度来确保截割作业时截齿的安全性，导致对井下综采效率产生了较大的影响[1]。本文提出了一种新的采煤机截割驱动控制系统，该控制系统以记忆截割和变速截割控制为核心，不仅能够实现采煤机截割路径规划和控制的全自动化，而且能够根据综采作业时作用在截齿上的截割阻力的不同，通过对采煤机进给速度和截割转速的调整来实现在不降低综采作业效率情况下降低作用在截齿上的截割阻力，极大地提升了采煤机煤矿井下综采作业的自动化程度和稳定性，具有极大的应用推广价值。

1 采煤机截割驱动控制系统

采煤机的截割驱动控制系统整体结构如图1 所示，该控制系统以记忆截割和联合调速控制为核心，满足采煤机在煤矿井下复杂地质条件下高效、稳定的截割作业需求。在实际工作过程中该截割控制系统首先采用人工截割作业方式建立截割作业参考路径，然后投入记忆截割控制的过程中，系统开始执行自主截割控制，系统自动对截割阻抗进行判断，根据系统内预设的控制逻辑的不同，根据截割阻抗的变化情况选择最佳的联合截割控制策略，通过控制采煤机截割转速和进给速度来满足截割控制需求。

图1 采煤机截割驱动控制系统结构示意图

2 采煤机记忆截割控制系统

采煤机的记忆截割控制流程主要包括人工示范和记忆自动截割两个方面[2]，其控制流程如图2所示。

图2 采煤机记忆截割控制流程示意图

由图2 可知，该采煤机的记忆截割控制系统在应用过程中，首先由人工通过遥控器或者操作手柄控制采煤机的截割机构并根据井下综采面的实际情况进行截割作业，控制系统对采煤机在截割作业过程中各个位置处的截割结构的截割高度、进给速度、截割转速等进行记录，作为后续采煤机自动控制截割作业时的参考。当采煤机转换到记忆截割控制模式后，采煤机的记忆截割控制中心根据采煤机在综采作业时的位置与人工控制作用下的截割状态进行对比和修正，控制采煤机截割机构的自动截割作业。该记忆截割控制的过程中如果作用在采煤机截割滚筒上的截割阻力显著大于记忆截割阶段时的阻力状态，则系统将对此时的截割阻力与系统设定的截割阻力情况对比，通过变速截割控制实现对进给速度和截割速度的联动调节，满足在不同截割阻力状态下的灵活调控需求。

3 采煤机变速截割控制策略

采煤机在煤矿井下综采作业过程中由于煤层的地质条件不同，各个区域内的煤层的硬度和块煤率存在差异，因此采煤机在截割作业过程中煤壁作用在截齿上的截割阻抗存在着较大的变化，传统的保持截割转速不变而改变采煤机牵引速度的方案会极大地降低采煤机综采作业的效率[3]。为了提升采煤机煤矿井下综采作业的效率，通过研究发现当作用在采煤机上的截割载荷发生变化时，通过调整截割滚筒的转速同样能够降低作用在采煤机上的截割阻抗，而通过对采煤机进给速度和截割速度的联合调整就能够实现在对采煤机综采作业效率和稳定性的平衡。通过对煤矿井下煤层截割阻抗的研究，截割阻抗一般分为五个等级，第一个等级的截割阻抗为180～216 N/mm，第二等级为216～252 N/mm，第三等级为252～288 N/mm，第四等级为288～324 N/mm，第五等级为324～360 N/mm[4]，以采煤机综采作业截割阻抗由271 降为240 N/mm时对截割转速和牵引速度进行联合调解作用下的截割能效比HW变化情况进行分析：假设初始时采煤机的截割转速n=31.1 r/min，牵引速度vq=3.61 m/s，截割阻阻抗A=271 N/mm；调整后，采煤机的截割转速n=34.6 r/min，牵引速度vq=4.13 m/s，截割阻阻抗A=240 N/mm，结果如图3 所示。

图3 联合调速下截割能效比变化情况

由实际联合调速情况下采煤机的截割能效比变化情况可知，当采煤机的截割滚筒的转速增加时，采煤机的截割能效比是逐渐增大的，而当采煤机增加牵引速度时，采煤机的截割能效比呈现了逐渐下降的趋势，由此可知，截割能效比和采煤机截割滚筒转速成正比和采煤机的牵引速度成反比，因此在采煤机井下综采作业的过程中，不同截割阻抗情况下应优先采用增加截割滚筒转速，降低牵引速度的截割策略，确保在满足截割作业安全的情况下提升采煤机的截割能效比和截割效率。