成學(xué)忠

（山西省陽泉固莊煤礦，山西陽泉045014）

引言

近年來，我國礦山開采逐漸向自動化方向發(fā)展，加快了采煤機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)速度，其截割部采用雙電機(jī)機(jī)械串聯(lián)方式進(jìn)行布局，這種布局不僅解決了機(jī)身高度問題，而且還提高了截割功率[1]。本文將在已有研究基礎(chǔ)上，采用動力學(xué)理論對電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，通過仿真實驗探究其同步性。

1 采煤機(jī)截割部特點

該部分利用雙電機(jī)對設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動，即使不增加機(jī)身高度，也可以增加截割功率。另外，在達(dá)到采煤機(jī)原有技術(shù)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用截割部電機(jī)實時選擇性，也可以減少或者采煤機(jī)輕載現(xiàn)象[2]。由于該設(shè)備的單電機(jī)容量比較低，導(dǎo)致電網(wǎng)受到電動機(jī)啟動電流的沖擊較大，雙電機(jī)出現(xiàn)異步現(xiàn)象。因此，采煤機(jī)截割部雙電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動同步性控制研究成為了當(dāng)前首要解決問題。

2 采煤機(jī)截割部雙電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動模型建立

該設(shè)備設(shè)計方案采用串接驅(qū)動方式，該方式屬于雙電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動，標(biāo)號為1的電機(jī)與標(biāo)號為2的電機(jī)在同一時刻被驅(qū)動，選取惰輪作為兩個驅(qū)動電機(jī)之間的連接器件。其中，標(biāo)號為2的電機(jī)與載荷相連，該設(shè)備的其他部分與單電機(jī)驅(qū)動相同，電機(jī)傳動部分與截割滾筒部分的剛度與轉(zhuǎn)動慣量存在等效關(guān)系，在等效彈性扭轉(zhuǎn)剛度原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合等效轉(zhuǎn)動慣量原則，構(gòu)建一套系統(tǒng)力學(xué)模型，如圖1所示。

3 利用動力方程求解

根據(jù)圖1中的力學(xué)模型，在拉格朗日方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，可以得到雙電機(jī)機(jī)械串聯(lián)接系統(tǒng)動力學(xué)方程：

圖1 系統(tǒng)力學(xué)模型

對公式（1）進(jìn)行變換處理，可以得到以下公式

式中：H1、H2分別為電機(jī)1、2對應(yīng)的驅(qū)動力矩，N·m；H3為等效工作機(jī)構(gòu)阻力矩，N·m；I1、I2分別為電動機(jī)1、2對應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；I3為采煤機(jī)截割部對應(yīng)的等效轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；R1為裝置截割部機(jī)械傳統(tǒng)系統(tǒng)對應(yīng)的系統(tǒng)等效剛度，N·m/rad；R2為雙電機(jī)之間電機(jī)軸與傳動惰輪對應(yīng)的等效連接剛度，N·m/rad；ω1、ω2分別為標(biāo)號1、2的電機(jī)對應(yīng)角速度，rad/s；ω3為等效工作結(jié)構(gòu)對應(yīng)的角速度，rad/s。

對公式（2）進(jìn)行化簡處理可以得到公式

接下來，采用高階微分方程對公式（3）降階處理，同時將4階龍格—庫塔法應(yīng)用到其中，對公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，可以得到1階線性微分方程組，該方程組適用于數(shù)據(jù)算法。令y1=p1，y2=p2，y3=p3，則

本文將利用上述模型對電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動數(shù)值進(jìn)行仿真實驗，假設(shè)加載前采煤機(jī)始終處于空載運行情況，令初始條件為機(jī)械角位移為0，并將電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速作為角速度，控制系統(tǒng)響應(yīng)時間在0～0.5 s之間。仿真期間，可以取步長大小為0.001 s，或者使用誤差估計方法，結(jié)合步長調(diào)整方案對步長進(jìn)行實時控制。

4 仿真實驗

本次研究主要對采煤機(jī)工作結(jié)構(gòu)在3種典型載荷作用下，雙電機(jī)同步性受兩電機(jī)機(jī)械特性差異、系統(tǒng)剛度、電機(jī)連接剛度的影響展開研究，這3種典型載荷分別是沖擊載荷、交變載荷、階躍載荷[3]。

本文以某一個采煤機(jī)截割部為例，利用龍格—庫塔法和公式（4）對電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動同步性展開仿真實驗，假設(shè)雙電機(jī)截割功率大小相等，對應(yīng)的參數(shù)為：電機(jī)同步轉(zhuǎn)速ω1=ω2=156 rad/s，q1=q2=150 kW，I1=I2=1.222 kg·m2，I3=12.412 kg·m2，H2=H1=5.0×104-320y˙，R1=1.8×105N·m/rad，R2=2.31×107N·m/rad。

4.1 等效剛度影響仿真

圖2 等效剛度影響下交變載荷作用

圖3 等效剛度影響下階躍載荷作用

圖4 等效剛度影響下沖擊載荷作用

通過仿真實驗可以得到圖2至圖4仿真結(jié)果。通過觀察圖2至圖4可知，在雙電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)中，標(biāo)號為1的電機(jī)與標(biāo)號為2的電機(jī)對于系統(tǒng)剛度下降沒有受到影響，但是在此過程中，電動機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速會有小幅度的調(diào)整。另外，采煤機(jī)處于工作狀態(tài)期間，應(yīng)該將系統(tǒng)剛度調(diào)大一些，否則電動機(jī)轉(zhuǎn)速很容易受到影響，出現(xiàn)較大波動，最終導(dǎo)致系統(tǒng)附加動載荷與振動性載荷發(fā)生變化，呈現(xiàn)出變大趨勢。

4.2 連接剛度影響仿真

通過仿真實驗可以得到圖5至圖7的仿真效果。

圖5 連接剛度影響下交變載荷作用

圖6 連接剛度影響下階躍載荷作用

圖7 連接剛度影響下沖擊載荷作用

對于雙電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)來說，雙電機(jī)同步性不會因兩電機(jī)連接剛度發(fā)生變化而受到影響。在采煤機(jī)運行期間，等效連接剛度會有所降低，最終出現(xiàn)2臺電機(jī)同步運行現(xiàn)象。為了提高電機(jī)同步性，本次研究在條件允許的情況下，適當(dāng)增加2臺電動機(jī)之間的等效連接剛度。

4.3 電動機(jī)機(jī)械特性差異影響仿真

通過仿真實驗可以得到下頁圖8至下頁圖10的仿真效果。

通過觀察圖8至圖10可知，2臺電動機(jī)的機(jī)械特性存在很大差異，但是沒有對電動機(jī)同步性造成影響，體現(xiàn)出雙電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)的扭矩-轉(zhuǎn)速自調(diào)節(jié)特性始終處于良好狀態(tài)。所以，在設(shè)計雙電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)時，2臺電機(jī)機(jī)械特性之間存在的差異性比較小，在誤差允許范圍之內(nèi)。

圖8 機(jī)械特性差異影響下交變載荷作用

圖9 機(jī)械特性差異影響下階躍載荷作用

經(jīng)過以上仿真實驗可知，采煤機(jī)截割部雙電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動系統(tǒng)受到的主要影響因素為兩個電機(jī)之間連接的剛度，該因素起到了同步性關(guān)鍵作用，而兩電動機(jī)機(jī)械特性之間的差異與系統(tǒng)等效剛度對同步性的影響比較小。

5 結(jié)論

圖10 機(jī)械特性差異影響下沖擊載荷作用

通過建立了一套采煤機(jī)截割部雙電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動模型，利用動力方程對該模型進(jìn)行求解，得到機(jī)械串接驅(qū)動相參數(shù)，最后通過仿真實驗對這些參數(shù)進(jìn)行仿真，獲取各個影響因素對系統(tǒng)造成影響大小。根據(jù)仿真結(jié)果可知，采煤機(jī)截割部雙電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動系統(tǒng)受到的主要影響因素為兩個電機(jī)之間連接的剛度。

[1]劉長釗，秦大同，廖映華.采煤機(jī)截割部機(jī)電傳動系統(tǒng)動力學(xué)特性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報，2016，52（7）：14-22.

[2]趙麗娟，李佳，田震，等.新型薄煤層采煤機(jī)截割部建模與仿真研究[J].機(jī)械傳動，2013（1）：47-50.

[3]趙麗娟，田震.薄煤層采煤機(jī)截割部動態(tài)特性仿真研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，33（9）：1 329-1 334.