复杂截割工况下采煤机动力传动系统自适应控制研究

发布时间：2020-09-09 12:28

　　 随着煤炭开采向深部煤层发展,深部煤层中瓦斯爆炸、岩层垮塌、突水等地质灾害发生率高、偶然性强、人员伤亡率高,对采煤机的可靠性、无人化以及工况适应能力提出了很高的要求。采煤机作为综采成套装备的主要设备之一,具有截割效率高、破煤能力强的特点,对提高工作面的产能和效率起着决定性的作用。由于截割环境复杂多变,煤层中含有强度较高的岩石夹矸、硬质包裹体、岩石断层等,使得作用在滚筒的外载荷具有随机性、强冲击的特点,导致截割传动系统故障频发。不同稳态截割工况下,当牵引速度在较大范围内变化时,滚筒恒速截割很难保证采煤机处于截割能力强、截割比能耗小、块煤率高等采煤综合性能最佳的工作状态。因此,无人化条件下的采煤机动力传动系统需具有高动态的工况自适应能力,在保证传动系统可靠运行的基础上,实现采煤机的高效生产。本文依托国家重点基础研究计划(973计划)项目“深部危险煤层无人采掘装备关键基础研究”的课题四“重载突变工况的高效动力传递原理及自适应控制方法”(课题编号:2014CB046304),以某电牵引采煤机为研究对象,以实现复杂截割工况下无人采煤机可靠运行和优质高效生产为目标,开展了复杂截割工况下采煤机动力传动系统自适应控制研究,具体研究工作如下:①综合考虑齿轮时变啮合刚度、电机动态特性及滚筒载荷动态特性,建立了采煤机截割传动系统机电耦合动力学模型、牵引传动系统机电耦合动力学模型及驱动电机控制系统模型,根据滚筒载荷传递的耦合关系建立采煤机截割-牵引系统机电耦合动力学模型。②针对重载突变工况,研究了冲击载荷对采煤机截割传动系统机电动态特性的影响规律,截割电机控制特性对截割传动系统不同齿轮副动载荷冲击能量的抑制效果以及电机电磁转矩波动对传动系统动载荷冲击能量的影响:针对不同稳态截割工况,研究了滚筒变速截割对采煤综合性能的影响,包括滚筒运动参数对截割传动系统动态特性、采煤生产率、块煤率及截割比能耗的影响规律;为重载突变工况下采煤机截割传动系统动载荷自适应抑制控制和不同稳态截割工况下采煤综合性能最优的截割-牵引调速控制奠定基础。③针对重载突变工况,以弹性轴两端转速差为反馈信号,提出了基于自抗扰转矩补偿的截割传动系统动载荷抑制的自适应控制方法;首先以弹性轴两端转速差等于零为控制目标,将系统动载荷抑制问题转化成目标轨迹跟踪问题,并在直接转矩控制器原给定电磁转矩的基础上叠加补偿转矩,通过控制电机转矩来抑制传动系统动载荷冲击能量。在此基础上,结合自适应模糊神经网络控制对自抗扰控制器内部参数进行自适应整定,并获得了满足复杂冲击工况的专家控制规则,实现了对截割传动系统动载荷冲击能量的有效抑制。④针对不同稳态截割工况,以牵引速度、滚筒转速为优化变量,以系统动载荷、采煤生产率、块煤率以及截割比能耗为子目标,建立了不同稳态截割工况下采煤机综合截割性能的多目标优化模型;采用权重系数轮换法,实现了不同稳态截割工况下权重系数组合的动态调整;最后,利用遗传算法进行优化计算,分别得到了全煤煤层、夹矸煤层和岩石断层工况下采煤综合截割性能最优的牵引速度和滚筒转速,实现了不同稳态截割工况下采煤综合性能最优的截割-牵引调速控制。在此基础上,结合瞬态冲击工况下系统动载荷自适应抑制控制方法,实现了复杂截割工况下可保证安全运行和优质高效生产的采煤机动力传动系统的自适应控制。⑤搭建了采煤机动力传动系统高性能实验台,基于dSPACE和QuantumX平台开发了数据采集系统和测控系统;开展了变载变速工况下采煤机动力传动系统动态特性的实验研究以及截割传动系统动载荷冲击能量的自适应转矩补偿控制实验研究,从总体规律上验证了系统机电动态特性理论研究结果的正确性和所提出的系统动载荷自适应控制方法的有效性。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD632.1
【部分图文】：

2 2.5 3 02.5 3 3.5 4 4.5sc 5 d 73.4Fig.3.4 Dynamic loads of different gear meshing pairs under impac一步分析突变载荷对不同位置齿轮副动载荷的影响，积分（IAE）的性能评价指标[113]，实际上通过积分得系统动载荷曲线与横坐标时间轴所围的面积，即冲击能21( ) ( )dtotS = F t F t t∫ t）为动载荷实际值，Fo（t）为动载荷稳态目标值。冲的抑制效果越好。

5.5Fig.5.5 Optimal solution sets of motion parameters under different cutting conditionsa. 全煤工况图 5.5（a）为全煤工况下随截割阻抗变化的采煤机最优牵引速度和滚筒转速。当截割阻抗小于 250kN/m 时，牵引速度和滚筒转速分别维持在 7m/min 和30.8r/min；随着截割阻抗的增加，由于约束条件限制，牵引速度逐渐下降，同时滚筒转速随牵引速度的降低而匹配调整，并逐渐降低；当截割阻抗达到 360kN/m 时，滚筒转速维持在 20r/min 的稳定值。b. 夹矸工况图 5.5（b）为夹矸工况下最优牵引速度和滚筒转速。当截割阻抗小于 230kN/m时，牵引速度和滚筒转速分别维持在 7m/min 和 34.2r/min；随着截割阻抗的增加，由于约束条件限制，牵引速度逐渐下降，同时滚筒转速随牵引速度的降低而匹配调整；当截割阻抗达到 340kN/m 时，滚筒转速维持在 22.8r/min 的稳定值。c. 煤岩断层工况

【参考文献】

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本文编号：2814971