基于综合截割性能优化的采煤机变速截割控制

闻建华

（山西焦煤集团有限责任公司官地煤矿，山西 太原 030022）

引言

作为我国工业生产的主要能源之一，煤炭的生产效率和生产安全至关重要。采煤机综合机械化采煤方法是目前最可靠、应用最广泛的采煤方法。传统采煤机的滚筒转速是恒定的，这会导致采煤效率较低且采集煤块的整体质量较差，严重限制了原煤的应用价值与应用领域[1-5]。近年来，已有多位学者提出了变速截割策略，虽然这一概念尚未应用于实际现场，但其理论基础已较为系统。本文在多位学者的研究基础上，进一步对采煤机的变速截割控制策略进行了比较研究，提出了在不同截割工况下的优化变速截割控制策略。

1 截割性能参数分析

1.1 主要参数

采煤机的截割性能主要取决于机器的结构及运动参数。在采煤机型号确定的情况下，截割性能则主要取决于运动参数。本文选择一种功率为300 kW的电力牵引式滚筒采煤机，对截割运动参数与变速控制进行介绍与研究，该采煤机的结构参数如表1所示。

表1 电力牵引式滚筒采煤机结构参数

因煤炭的分布不均匀，其物理性质并不稳定，采煤机在截煤时，无法实现对各种不同截割阻抗的运动参数优化。为简化变速控制策略，将180～360 N/mm范围内的截割阻抗划分为5 个等级，如图1 所示，可取每一等级中间值的牵引速度及滚筒转速为最佳运动参数。

图1 截割阻抗的等级划分

1.2 截割性能

截割性能的优劣应从经济价值与开采效率等方面进行考虑，运动参数的取值是否合适主要通过块煤率、截割比能耗、生产效率这三个参数来衡量。

1.2.1 块煤率

块煤率是评价采得煤炭质量优劣的关键指标，块煤率较高的煤炭的经济价值较高，同时较高的块煤率可减少采煤过程中的粉尘，对于工作人员及机器的安全有积极意义。块煤率的主要评价指标为切削图的面积Sm。切削图面积可表示为：

式中：vq为牵引速度，m/min；m 指每条截线的截齿数；D 为滚筒直径，mm；n 为滚筒转速，r/min；δ 为叶片升角，rad；φ 是崩落角，rad。

1.2.2 截割比能耗

截割比能耗Hw/（kWh·m-3）的定义是截割1 m3原煤时所消耗的能量，比能耗越低则代表消耗的能量越少，采煤机截割的性价比就越高。滚筒转速及牵引速度均与比能耗成反比。

1.2.3 生产效率

生产效率Q/（t·h-1）即采煤机在1 h 内采集煤炭量，滚筒转速与生产效率无关，但牵引速度与生产效率成正比。

1.3 加权优化

将块煤率、比能耗及生产效率进行加权优化，建立指标函数为：

式中：K1、K2、K3分别为块煤率、比能耗、生产效率的权重系数，三个权重系数之和等于1，根据实际生产要求，一般设K1为0.4、K2为0.2、K3为0.4，将模拟退火算法（Simulated Annealing，SA）与粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）结合的PSO-SA算法可提高粒子群算法的搜索能力，本文借助此算法对运动参数牵引速度及滚筒转速进行优化，得到如图2 所示的优化结果。

图2 运动参数优化结果

从图2 可以看出，为提高采煤机的截割性能，应在截割阻抗增加时减小牵引速度与滚筒转速，当截割阻抗的等级发生变化时，可根据图2 调整运动参数，从而保证在不同等级阻抗范围下的采煤机最优截割性能。

2 阻抗变小时的变速策略

因煤炭自身性质较不稳定，截割阻抗的变化范围较大且随机，根据上述介绍可知，牵引速度及滚筒转速对各截割性能参数的影响不同：生产效率与牵引速度成正比；块煤率与牵引速度正相关，与滚筒转速则负相关；比能耗则与牵引速度成负相关，与滚筒转速成正相关。因此，运动参数的调节顺序与方向对三个截割性能指标的影响很重要。假设目前截割阻抗处于等级Ⅲ，若阻抗降低到等级Ⅱ，则应增大牵引速度与滚筒转速，有三种不同的变速策略：先增加滚筒转速再增加牵引速度；先增加牵引速度再增加滚筒转速；同时增加两者。图3 所示为三种策略对应的各种截割性能指标曲线。

根据图3 可知，对于块煤率，三种策略最优策略为第二种；从比能耗的角度考虑，最优策略仍是第二种；而最能提高生产效率的策略是第二种和第三种。因此综合考虑，第二种策略在这种截割阻抗变化工况下是最优策略，即先提高牵引速度，随后再提高滚筒转速的方式可最大程度提高各截割性能指标。

图3 三种减速控制策略对比

3 阻抗增大时的变速策略

若截割阻抗增大，假设目前截割阻抗处于等级Ⅲ，若阻抗增大到等级Ⅳ，则应适当减小牵引速度与滚筒转速，以提高三个截割性能指标。与阻抗减小的情况类似，也可得到三种调节策略：先减小滚筒转速再减小牵引速度；先减小牵引速度再减小滚筒转速；同时减小两者。也可绘制出这三种策略下的截割性能指标曲线，本文不再展示。从块煤率的角度考虑，三种策略最优策略为第一种，降低比能耗幅度最大的策略仍是第一种，而最能提高生产效率的策略是第一和第二种。因此综合考虑，第一种策略在这种截割阻抗变化工况下是最优策略，即先降低滚筒转速，随后再减小牵引速度的方式为截割阻抗增大时的最优变速策略。综上，应根据不同的阻抗变化情况选择合适的变速策略，从而使采煤机具有较好的截割性能。

4 结语

本文对采煤机的牵引速度、滚筒转速等运动参数及块煤率、截割比能耗、生产效率等性能指标进行了介绍与分析，并根据不同的截割阻抗变化情况，提出了三种变速截割策略，分析了其对三个性能指标的影响，最终确定了截割阻抗在增大或减小情况下的变速控制策略。本文所提变速截割控制策略尚未在实际生产中得到应用，但研究结果可为采煤机的综合截割性能优化提供一定的理论依据。