王　潔　王　慧

遼寧工程技術(shù)大學(xué)，阜新，123000

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采煤機(jī)截割部二次調(diào)節(jié)液壓加載試驗(yàn)臺(tái)

王潔王慧

遼寧工程技術(shù)大學(xué)，阜新，123000

摘要：針對(duì)采煤機(jī)截割部加載試驗(yàn)?zāi)芎拇?、能量回收利用困難等問(wèn)題，提出一種基于二次調(diào)節(jié)技術(shù)的具有能量回收功能的液壓封閉式加載系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)采用一對(duì)二次元件并聯(lián)于恒壓網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)被試件的驅(qū)動(dòng)、模擬加載和能量的回收再利用。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、模擬加載系統(tǒng)的工作原理及其控制系統(tǒng)組成。以350 kW裝機(jī)功率進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：該能量回收加載系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性和轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)功能，高負(fù)載工況功率回收率達(dá)40%以上，節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī)截割部；液壓加載；試驗(yàn)臺(tái)；二次調(diào)節(jié)

0引言

隨著我國(guó)煤炭企業(yè)采煤工作面單產(chǎn)水平的提高和高產(chǎn)高效礦井的大量涌現(xiàn)，企業(yè)對(duì)大功率采煤機(jī)的需求與日俱增。我國(guó)采煤機(jī)經(jīng)過(guò)幾十年的引進(jìn)技術(shù)、消化吸收和自主研發(fā)，已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是設(shè)備的性能、可靠性等方面仍然落后國(guó)際先進(jìn)水平約15年[1]。為了提高國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)的性能、可靠性和使用壽命，縮短同國(guó)外先進(jìn)水平的差距，我國(guó)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)采煤機(jī)研發(fā)階段的試驗(yàn)研究工作，這就要求研發(fā)機(jī)構(gòu)使用高性能的采煤機(jī)加載試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行疲勞特性、壽命試驗(yàn)等長(zhǎng)時(shí)間滿(mǎn)負(fù)荷加載運(yùn)行試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)采煤機(jī)截割部加載試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)研究：陶崢[2]設(shè)計(jì)了一種采用水力測(cè)功器加載的開(kāi)放式加載系統(tǒng)；李軍霄[3]利用電渦流測(cè)功機(jī)設(shè)計(jì)了一種開(kāi)放式加載試驗(yàn)系統(tǒng)。開(kāi)放式加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，但是能耗較大，產(chǎn)生能量無(wú)法回收，不適合做長(zhǎng)時(shí)間、大功率加載試驗(yàn)[4-5]。因此王增才等[6]利用異步電動(dòng)機(jī)為加載元件，設(shè)計(jì)了一種電封閉式加載試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多種功率加載；劉禮志等[7]采用直流電力測(cè)功機(jī)發(fā)電回饋加載方式，設(shè)計(jì)了一種面向維修的電封閉式加載試驗(yàn)臺(tái)。電封閉式加載試驗(yàn)臺(tái)的控制部件技術(shù)要求高，試驗(yàn)過(guò)程不允許過(guò)載，且回收的電能波形不好，即使能夠回饋電網(wǎng)，也會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊[5,8]。

上述文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)均為針對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的采煤機(jī)出廠(chǎng)前、移動(dòng)工作面前或大修后進(jìn)行的輕載跑合及溫升試驗(yàn)，不適合做滿(mǎn)載運(yùn)行試驗(yàn)。由于大功率采煤機(jī)加載試驗(yàn)臺(tái)的加載功率大(目前單個(gè)截割部最大截割功率可達(dá)900 kW)，試驗(yàn)臺(tái)的滿(mǎn)載運(yùn)行試驗(yàn)將耗費(fèi)大量能源，不符合國(guó)家節(jié)能減排的要求，因此如何回收加載能量成為大功率采煤機(jī)加載試驗(yàn)臺(tái)的研究重點(diǎn)。房博宇等[9]利用電動(dòng)同步功率加載器，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械封閉式的加載試驗(yàn)臺(tái)，最大加載功率可達(dá)1000 kW，由于機(jī)械封閉結(jié)構(gòu)在傳動(dòng)鏈內(nèi)形成功率閉環(huán)，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且必須選擇合適的加載器，否則直接影響系統(tǒng)加載性能[6]。

二次調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展起始于上世紀(jì)70年代末期，是一種新型的電液伺服傳動(dòng)技術(shù)[10-12]。像電氣設(shè)備并聯(lián)于電網(wǎng)一樣，多個(gè)二次元件可以并聯(lián)于同一恒壓網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)液壓能和機(jī)械能的互相轉(zhuǎn)化。筆者針對(duì)采煤機(jī)加載試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種二次調(diào)節(jié)液壓封閉式采煤機(jī)截割部模擬加載試驗(yàn)臺(tái)。

1試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1被試采煤機(jī)截割部結(jié)構(gòu)

截割部主要包括截割電動(dòng)機(jī)、機(jī)械減速裝置、滾筒等，加載試驗(yàn)時(shí)截割電動(dòng)機(jī)和滾筒需要拆下。圖1為適應(yīng)中厚煤層以上的采煤機(jī)截割部減速裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。截割部常用的減速裝置包括固定減速箱、搖臂減速箱和行星齒輪減速箱。根據(jù)煤層厚度的不同，采煤機(jī)的搖臂箱體結(jié)構(gòu)和布局有很大區(qū)別，這主要體現(xiàn)在減速箱的選擇和布置上，但對(duì)于大部分采煤機(jī)，其加載形式及外形結(jié)構(gòu)均與圖1類(lèi)似。

圖1　截割部減速裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2采煤機(jī)截割部二次調(diào)節(jié)液壓加載試驗(yàn)臺(tái)總體方案

采煤機(jī)截割部加載功率大，為了節(jié)約能源消耗，本試驗(yàn)臺(tái)采用可以能量回收的二次調(diào)節(jié)液壓封閉式結(jié)構(gòu)方案，其總體結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，它由恒壓油源及管路系統(tǒng)、機(jī)械臺(tái)架、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和二次調(diào)節(jié)模擬加載系統(tǒng)四部分組成。

1.PC計(jì)算機(jī)　2.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)　3.數(shù)據(jù)采集卡4.聯(lián)軸器　5.轉(zhuǎn)速傳感器　6.轉(zhuǎn)矩傳感器圖2　截割部加載試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

恒壓油源及管路系統(tǒng)為試驗(yàn)系統(tǒng)提供動(dòng)力。恒壓油源包括兩臺(tái)A4V250型軸向柱塞恒壓變量泵、一臺(tái)雙聯(lián)葉片式定量泵及相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)、高低壓溢流閥、蓄能器、卸荷閥、管路、過(guò)濾器、冷卻器及油箱組成，其中葉片泵的作用是為主泵提供背壓并為系統(tǒng)補(bǔ)充冷卻油。

機(jī)械臺(tái)架主要為被試件、變速器及相關(guān)液壓元件提供支撐和連接，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到不同型號(hào)截割部的差異，還有工裝調(diào)整機(jī)構(gòu)。加載對(duì)象即為被試采煤機(jī)截割部，包括截割部的減速器、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和變速器等。試驗(yàn)臺(tái)中被試件的布局有背靠背方式和設(shè)置變速器方式兩種。背靠背布置方式為一對(duì)截割部對(duì)稱(chēng)安裝，這種布局能耗較小，但是通用性、操作簡(jiǎn)單性、快速性、試驗(yàn)科學(xué)性等均低于變速器布置[7,13]，所以本系統(tǒng)采用變速器配置方式。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、PC機(jī)、PLC、數(shù)字采集卡和數(shù)顯儀等?？刂葡到y(tǒng)主要完成試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、開(kāi)關(guān)量和連續(xù)量的控制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)狀態(tài)超限保護(hù)等。

二次調(diào)節(jié)模擬加載系統(tǒng)是試驗(yàn)臺(tái)的核心部分，由驅(qū)動(dòng)單元和加載單元組成，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)截割部的驅(qū)動(dòng)和模擬加載。

2采煤機(jī)截割部加載系統(tǒng)的原理

該試驗(yàn)臺(tái)加載系統(tǒng)原理如圖3所示。在恒壓網(wǎng)絡(luò)上并聯(lián)兩套二次元件，二次元件1用于模擬采煤機(jī)截割部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同轉(zhuǎn)速傳感器和控制器1相連，構(gòu)成轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；二次元件2用于模擬截割部的加載，它同轉(zhuǎn)矩傳感器和控制器2構(gòu)成加載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。兩個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械連接件連接在一起。

試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元的二次元件1工作于馬達(dá)工況，將恒壓網(wǎng)絡(luò)的液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被試采煤機(jī)截割部。加載單元的二次元件2工作于泵工況，給被試采煤機(jī)截割部加載，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，并回饋給液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)。

圖3　采煤機(jī)截割部二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)圖

由分析可知，試驗(yàn)臺(tái)的能量流動(dòng)形成閉環(huán)，加載單元的二次元件2為驅(qū)動(dòng)單元提供了大部分能量，恒壓油源起到了補(bǔ)償系統(tǒng)機(jī)械摩擦損失和容積泄漏損失的作用。系統(tǒng)中沒(méi)有節(jié)流元件產(chǎn)生的節(jié)流損失，因此該加載系統(tǒng)發(fā)熱大為減小。該試驗(yàn)系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了能量的回收，且回收的液壓能可以回饋給自身液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)，試驗(yàn)臺(tái)工作效率高，節(jié)能環(huán)保。此外，試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)和加載的兩套二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)配有相同型號(hào)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以根據(jù)被試件結(jié)構(gòu)，將其中一套系統(tǒng)做驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，另外一套做加載系統(tǒng)。

3試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的組成與原理如圖4所示。該系統(tǒng)由任務(wù)管理單元(上位機(jī))、油源/變速器擋位管理單元PLC、邏輯控制單元(下位機(jī))、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制器(HNC-100)、NI-PXI單元組成[14-15]。該系統(tǒng)需要完成試驗(yàn)臺(tái)各試驗(yàn)參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集處理、實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)調(diào)節(jié)等。

圖4　控制系統(tǒng)組成與原理

控制系統(tǒng)的任務(wù)管理單元選擇臺(tái)式計(jì)算機(jī)，通過(guò)軟件建立控制界面，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)狀態(tài)選擇、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)，儲(chǔ)存測(cè)試數(shù)據(jù)。油源/變速器擋位管理單元選擇PLC控制，實(shí)現(xiàn)恒壓油源的啟動(dòng)、停止以及變速器的擋位切換。邏輯控制單元選擇工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)I/O接口板和AD/DA數(shù)據(jù)采集板，主要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的邏輯控制以及加載對(duì)象試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量。兩個(gè)HNC100轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制器分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速、加載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的內(nèi)外環(huán)控制。NI-PXI單元包括美國(guó)NI公司的NI8176數(shù)字控制器和PXI-6052E數(shù)據(jù)采集卡，采集試驗(yàn)系統(tǒng)中二次元件的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，通過(guò)串行通信口以100 Hz的掃描頻率發(fā)送給邏輯控制單元。任務(wù)管理單元通過(guò)快速以太網(wǎng)與邏輯控制單元通信，通過(guò)PCI-1602E RS422/RS485通信卡與PLC單元通信，完成各部分間的信息傳遞與交換。

4加載試驗(yàn)臺(tái)特性仿真與試驗(yàn)分析

本試驗(yàn)臺(tái)能夠模擬不同工況對(duì)采煤機(jī)截割部進(jìn)行加載，如果采集獲得了采煤機(jī)實(shí)際工作時(shí)的負(fù)載頻譜，試驗(yàn)臺(tái)還可進(jìn)行相應(yīng)的模擬實(shí)際工況的動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)[16-17]。為了驗(yàn)證采煤機(jī)截割部二次調(diào)節(jié)加載試驗(yàn)臺(tái)的性能，筆者進(jìn)行了相關(guān)的仿真與試驗(yàn)研究。

4.1加載試驗(yàn)臺(tái)仿真模型的建立[18]

圖5　前置級(jí)排量控制方塊圖

仿真分析前建立了試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，繪制出系統(tǒng)方塊圖。試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)單元為轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，加載單元為轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，兩系統(tǒng)均采用相同的前置級(jí)排量控制。前置級(jí)排量控制回路就是對(duì)稱(chēng)伺服閥控制對(duì)稱(chēng)液壓缸回路，由電液伺服閥、變量液壓缸、位移傳感器構(gòu)成，控制方塊圖見(jiàn)圖5。驅(qū)動(dòng)單元工作時(shí)，前置級(jí)排量控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的差值，控制液壓缸活塞的位移，活塞的運(yùn)動(dòng)改變二次元件的斜盤(pán)傾角，進(jìn)而調(diào)整二次元件排量，使二次元件達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速的同時(shí)，輸出的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相匹配。驅(qū)動(dòng)單元包括驅(qū)動(dòng)二次元件、兩個(gè)聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)速傳感器。建立加載對(duì)象模型時(shí)忽略系統(tǒng)彈性環(huán)節(jié)，變速器同截割部的連接看作剛性，建模時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼向驅(qū)動(dòng)輸入軸等效。加載單元的結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)單元類(lèi)似。將驅(qū)動(dòng)和加載兩個(gè)單元的方塊圖模型在輸出端相連，得到試驗(yàn)臺(tái)整機(jī)的傳遞函數(shù)方塊圖，見(jiàn)圖6。

圖6　加載試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)方塊圖

圖5中，ωvi為伺服閥固有頻率；ξvi為伺服閥阻尼比； Agi為變量液壓缸的有效作用面積，m2；Kvi為伺服閥流量增益，m3/(s·v)；βe為液壓油的體積彈性模量，N/m2；Vti為變量液壓缸兩腔總?cè)莘e，m3；Cti為變量液壓缸的泄漏系數(shù)，m3/(s·Pa)；Fi為作用于液壓缸活塞上的外負(fù)載力，N；Bci為液壓缸活塞及負(fù)載的黏性阻尼系數(shù)，N/(m·s)；mi為液壓缸斜盤(pán)、活塞的等效質(zhì)量，kg；Ki為負(fù)載的彈簧剛度，N/m；i為二次元件序號(hào)，i=1,2分別對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)和加載二次元件；KSi為位移傳感器傳遞函數(shù)，V/m。圖6中，閥控缸為前置級(jí)排量控制系統(tǒng)；Kα為變量液壓缸活塞的位移相對(duì)斜盤(pán)擺角的變換系數(shù)，(°)/m；γimax為二次元件變量斜盤(pán)的最大擺角，(°)；Vimax為二次元件最大排量，m3/rad；Δpi為二次元件的進(jìn)出油口壓差，Pa； J1二次元件轉(zhuǎn)動(dòng)件、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速傳感器、被試截割部、變速器等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；R1為二次元件的等效阻尼系數(shù)，N·m·s/rad；J2為加載單元二次元件轉(zhuǎn)動(dòng)件、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速傳感器的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；R2為加載單元二次元件的等效阻尼系數(shù)，N·m·s/rad；KM2轉(zhuǎn)矩傳感器變換系數(shù)，V·s/rad；KS1為轉(zhuǎn)速傳感器的變換系數(shù)，V·s/rad；M1為轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出軸轉(zhuǎn)矩，N·m；φ1為變速器輸入軸轉(zhuǎn)角，rad。

參照加載試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)方塊圖，利用MATLAB/Simulink軟件,建立了仿真模型，如圖7所示。

圖7　加載試驗(yàn)臺(tái)仿真模型

4.2階躍響應(yīng)特性仿真與試驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)加載過(guò)程的快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定等動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)行了階躍響應(yīng)的仿真及試驗(yàn)研究。圖8為試驗(yàn)臺(tái)階躍響應(yīng)特性仿真與試驗(yàn)曲線(xiàn)。圖8a與圖8c中曲線(xiàn)1、2、3分別對(duì)應(yīng)輸入、試驗(yàn)輸出、仿真輸出；圖8b與圖8d中曲線(xiàn)1、2分別對(duì)應(yīng)試驗(yàn)和仿真兩種情況。由圖可知，轉(zhuǎn)速系統(tǒng)試驗(yàn)條件下階躍響應(yīng)的超調(diào)量為2.4%，穩(wěn)態(tài)誤差為0.6%，上升時(shí)間為0.62 s，穩(wěn)定時(shí)間為0.28 s；轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)試驗(yàn)條件下階躍響應(yīng)的超調(diào)量為0.8%，穩(wěn)態(tài)誤差為0.5%，上升時(shí)間為0.75 s，穩(wěn)定時(shí)間為0.27 s。加載系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能較好。另外，將圖8a、圖8c中的曲線(xiàn)2、3對(duì)比可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

4.3正弦響應(yīng)特性仿真與試驗(yàn)分析

得到采煤機(jī)實(shí)際工況的負(fù)載頻譜后，本試驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行模擬實(shí)際工況的動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)。為了研究試驗(yàn)臺(tái)的頻率響應(yīng)特性，進(jìn)行了不同頻率的正弦響應(yīng)特性仿真與試驗(yàn)分析。圖9為轉(zhuǎn)速系統(tǒng)不同頻率正弦響應(yīng)特性仿真與試驗(yàn)曲線(xiàn)。曲線(xiàn)1、2、3分別為正弦輸入、試驗(yàn)輸出和仿真輸出，正弦輸入信號(hào)幅值為55 r/min，頻率fn分別為0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz。由圖中曲線(xiàn)2可以看出，隨輸入信號(hào)頻率的增大，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的幅值衰減，相位滯后，當(dāng)頻率為2.0 Hz時(shí)，幅值衰減到-3.7 dB、相位滯后115.1°。

(a)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)階躍響應(yīng)

(b)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)誤差

(c)轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)階躍響應(yīng)

(d)轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)誤差圖8　階躍響應(yīng)特性仿真與試驗(yàn)曲線(xiàn)

圖10為轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)不同頻率正弦響應(yīng)特性仿真與試驗(yàn)曲線(xiàn)，曲線(xiàn)1、2、3分別為正弦輸入、試驗(yàn)輸出和仿真輸出，正弦輸入信號(hào)幅值為50 N·m，頻率fn分別為0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz。由圖中曲線(xiàn)2可以看出，隨輸入信號(hào)頻率的增大，加載轉(zhuǎn)矩的幅值衰減，相位滯后，當(dāng)頻率為2.0 Hz時(shí)，幅值衰減到-3.4 dB、相位滯后136.8°。

(a)fn=0.1 Hz

(b)fn=0.5 Hz

(c)fn=1 Hz

(d)fn=2 Hz圖9　驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速正弦響應(yīng)特性仿真與試驗(yàn)曲線(xiàn)

同前述的階躍響應(yīng)特性試驗(yàn)一樣，將圖9和圖10中的曲線(xiàn)2與曲線(xiàn)3相比較可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。

5能量回收試驗(yàn)

本加載試驗(yàn)系統(tǒng)能量回收原理如圖11所示。由圖可知，試驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí)，除了兩個(gè)二次元件的效率損失、被試件及變速器的機(jī)械傳動(dòng)損失外，大部分能量均以液壓能的形式回饋恒壓網(wǎng)絡(luò)。該能量回收效果可用能量回收率來(lái)表示，其定義如下[18]：

(a)fn=0.1 Hz

(b)fn=0.5 Hz

(c)fn=1 Hz

(d)fn=2 Hz圖10　加載轉(zhuǎn)矩正弦響應(yīng)特性仿真與試驗(yàn)曲線(xiàn)

(1)

式中，ηh為試驗(yàn)系統(tǒng)的能量回收率；ΔpS為二次元件工作時(shí)的壓力差；Qi為二次元件的流量；ni為二次元件的轉(zhuǎn)速；Mi為二次元件的轉(zhuǎn)矩；ηi為二次元件的總效率；下標(biāo)i=1,2，分別對(duì)應(yīng)二次元件1、元件2。

圖11　能量回收原理示意圖

本文進(jìn)行了6種工況的試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的能量回收率，其測(cè)試數(shù)據(jù)及能量回收率計(jì)算結(jié)果如表1所示。表1中驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速n1和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩M1為二次元件1作為馬達(dá)工況時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；輸出轉(zhuǎn)速n2和輸出轉(zhuǎn)矩M2為二次元件2作為泵工況時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。能量回收率ηh是按照式(1)計(jì)算得到的。由表1中1、2、3工況的數(shù)據(jù)可知，本加載系統(tǒng)的能量回收率隨著系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的增大而降低，由4、5、6工況的數(shù)據(jù)可知，能量回收率隨著加載轉(zhuǎn)矩的增大而升高，本試驗(yàn)系統(tǒng)的能量回收率在40%以上。

表1　能量回收率試驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)

6結(jié)論

(1)研制了一種采煤機(jī)截割部模擬加載試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)基于二次調(diào)節(jié)技術(shù)，加載功率大，可用于采煤機(jī)截割部的加載試驗(yàn)、綜合性能測(cè)試等試驗(yàn)。

(2)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，驅(qū)動(dòng)和加載功能可互換。試驗(yàn)過(guò)程采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，控制性能可靠，操作簡(jiǎn)單。

(3)以350 kW裝機(jī)功率為例進(jìn)行的仿真及試驗(yàn)分析。分析結(jié)果表明，試驗(yàn)系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性良好，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)功能可靠，工作性能穩(wěn)定，能滿(mǎn)足采煤機(jī)截割部的試驗(yàn)要求。

(4)試驗(yàn)臺(tái)采用閉式回路結(jié)構(gòu)，加載能量可回收再利用。系統(tǒng)的能量回收率隨驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的增大而降低，隨加載轉(zhuǎn)矩的增大而升高。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)功率回收率在45%以上。

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(編輯王旻玥)

收稿日期：2015-09-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51574140)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD421

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.14.019

作者簡(jiǎn)介：王潔，女，1981年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、液壓傳動(dòng)與控制。王慧，男，1960年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。

Hydraulic Loading Test Bench for Cutting Part of Shearer Based on Secondary Regulation

Wang JieWang Hui

Liaoning Technical University,Fuxin,Liaoning,123000

Abstract:Based on secondary regulation technology, an enclosed hydraulic loading system scheme with energy harvesting capabilities was put forward to solve the difficulties such as large energy consumption, energy recovering and utilization. This system realized the driving and simulated loading function to the test part, and achieving the energy recovering and utilization by using the symmetric structure with two secondary regulation elements connected in the constant pressure network parallelly. The overall structures of the system, the working principles and control system of the simulated loading system were presented in detail. At last, under 350 kW installed power, based on the simulation and the experimental research, the results show that the energy recovery loading system may be loaded with good static characteristics and dynamic characteristics, the speed and torque regulation function may work efficiently. The power recovery rate may come to more than 40% at high load, thus the new system's energy-saving effect is remarkable than usual.

Key word:cutting part of shearer; hydraulic loading; test bench; secondary regulation