劉　波

（西山煤電東曲礦， 山西　古交　030200）

引言

采煤機(jī)是礦井工作面開采的主要設(shè)備，當(dāng)在采煤機(jī)內(nèi)部布設(shè)功率調(diào)節(jié)器時(shí)牽引電機(jī)發(fā)生偏載的概率會大幅降低，一般會降低至8%以內(nèi)，進(jìn)而延長了電機(jī)的服務(wù)時(shí)長，保證了工作面開采的順利進(jìn)行[1-3]。采煤機(jī)牽引電機(jī)的工作方式為主從控制，故從電機(jī)的工作狀態(tài)由主電機(jī)決定，當(dāng)主電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，則會影響從電機(jī)功率的輸出，這就會對采煤機(jī)的正常截割工作造成影響；功率過小則采煤機(jī)割煤效果下降，功率過大則采煤機(jī)內(nèi)部電路容易損壞[4]。為了避免此類現(xiàn)象發(fā)生，對牽引電機(jī)在不同協(xié)調(diào)控制方法下的響應(yīng)特征進(jìn)行研究，避免采煤機(jī)電機(jī)現(xiàn)有控制方式下的偏載事故，提高采煤機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定程度。本文在研究過程中，建立了牽引部機(jī)電的仿真模型，對不同工況下采煤機(jī)的響應(yīng)特征進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1　牽引部機(jī)電的仿真模型建立

采煤機(jī)牽引部機(jī)電的聯(lián)合仿真指的是機(jī)械系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)。建模時(shí)，通過ADAMS建立虛擬樣機(jī)模型，在Matlab中建立聯(lián)合仿真模型；在ADAMS中建立機(jī)械系統(tǒng)，通過Matlab中的control模塊讀取ADAMS中導(dǎo)入的數(shù)據(jù)，從而顯示聯(lián)合仿真系統(tǒng)。ADAMS可對輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)速值進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)Matlab可實(shí)時(shí)反饋電機(jī)轉(zhuǎn)矩值，同時(shí)該轉(zhuǎn)矩值又會作為電機(jī)所受的外載荷。ADAMS和Matlab間的協(xié)調(diào)關(guān)系如圖1所示，由此實(shí)現(xiàn)了牽引電機(jī)雙電機(jī)的共同控制，最終得到的牽引部機(jī)電的仿真模型如圖2所示。

2　不同協(xié)調(diào)控制方法下的仿真結(jié)果分析

2.1　主從控制工況下仿真結(jié)果分析

當(dāng)采煤機(jī)牽引電機(jī)的工作方式為主從控制時(shí)，認(rèn)為從電機(jī)的轉(zhuǎn)速為主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，其原理如圖3所示。

圖1　ADAMS和Matlab之間的協(xié)調(diào)關(guān)系示意圖

圖2　牽引部機(jī)電的仿真模型示意圖

圖3　主從控制工況原理示意圖

當(dāng)工作面開采過程中煤層的強(qiáng)度不變且兩個(gè)電機(jī)均處于滿負(fù)荷狀態(tài)工作時(shí)，則兩個(gè)電機(jī)的參數(shù)相同，設(shè)置牽引電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速為140 r/s，通過斜坡函數(shù)的方式來添加牽引阻力，在0.5 s內(nèi)達(dá)到了90 kN，這樣可以避免采煤機(jī)傳動齒輪運(yùn)行過程中嚙合力發(fā)生突變。該工礦條件下主從電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差特征如下頁圖4所示。

在圖4中，正值表示主電機(jī)的轉(zhuǎn)速比從電機(jī)的高，而負(fù)值表示主電機(jī)的轉(zhuǎn)速比從電機(jī)低，從圖4中可以看出，在時(shí)間為1 s的范圍內(nèi)，主從電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差從10 r/min減小到了-3 r/min，這是由于從電機(jī)接受主電機(jī)輸出信號的時(shí)間有所滯后，故剛開始二者轉(zhuǎn)速偏差較大；在時(shí)間為1～2.5 s的范圍內(nèi)，主從電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差從-3 r/min增加到0，即二者轉(zhuǎn)速同步，這是二者轉(zhuǎn)速趨于同步的過程。通過偏載率η可反應(yīng)主從控制工礦的穩(wěn)定性特征，偏載率η可通過式（1）計(jì)算。

式中：F左為左銷輪動態(tài)的嚙合力；F右為右銷輪動態(tài)的嚙合力；F均為兩個(gè)銷輪平均的嚙合力；F均=（F左+F右）/2。

該工礦條件下兩個(gè)銷輪動態(tài)嚙合力的變化特征如圖5所示。

圖4　主從控制條件下主從電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差特征示意圖

圖5　主從控制條件下兩個(gè)銷輪動態(tài)嚙合力的變化特征示意圖

在圖5中，左銷輪受主電機(jī)控制，右銷輪受從電機(jī)控制。從圖5中可以看出，剛開始左銷輪動態(tài)嚙合力增大到61 kN，然后在2 s的時(shí)間內(nèi)在該值上下波動，波動幅度較小；右銷輪動態(tài)嚙合力增大至40 kN后同樣進(jìn)行2 s的波動；左銷輪的偏載率達(dá)到了62%，該值較大，而且在這時(shí)間范圍內(nèi)左銷輪的動態(tài)嚙合力要高于右銷輪，這是由于左銷輪的響應(yīng)速率要高于右銷輪。在2 s后，左右銷輪動態(tài)的嚙合力均達(dá)到穩(wěn)定值，其中，左銷輪動態(tài)嚙合力圍繞55 kN上下波動，右銷輪動態(tài)嚙合力圍繞50 kN上下波動，同時(shí)左銷輪的偏載率從62%減小到了12%。綜合而言，在主動控制工礦條件下電機(jī)的牽引性能被限制，且左銷輪的工作穩(wěn)定性低于右銷輪。該工礦條件下兩個(gè)電機(jī)有效電流的變化特征如圖6所示。

圖6　主從控制條件下兩個(gè)電機(jī)有效電流的變化特征示意圖

從圖6中可以看出，在1.6 s的時(shí)間范圍內(nèi)，從電機(jī)的有效電流為76A，而主電機(jī)的有效電流為78A，從電機(jī)的有效電流要低于主電機(jī)，由此也說明了從電機(jī)運(yùn)行的滯后性，這就容易引起電機(jī)的偏載，而電機(jī)在高電流狀態(tài)下偏載工作極易導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱，從而影響電機(jī)工作的平穩(wěn)性，綜合說明了該工況形式的不合理。

2.2　改進(jìn)協(xié)調(diào)控制工況下仿真結(jié)果分析

基于主動控制工況的不合理性，在此提出另外兩種工礦：并行控制和交叉耦合控制。在這兩種工況條件下兩個(gè)銷輪動態(tài)嚙合力的變化特征如圖7和圖8所示。

圖7　并行控制條件下兩個(gè)銷輪動態(tài)嚙合力的變化特征示意圖

圖8　交叉耦合控制控制條件下兩個(gè)銷輪動態(tài)嚙合力的變化特征示意圖

從圖7和圖8中可以看出，并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下左右銷輪動態(tài)嚙合力的變化趨勢較為相似，嚙合力的值均大約為45 kN，偏載率極低，僅為0.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主動控制工況條件，幾乎未發(fā)生偏載現(xiàn)象，由此說明了左右電機(jī)的工作性能良好，受力均勻。兩種工礦條件下兩個(gè)電機(jī)有效電流的變化特征如圖9所示。

圖9　兩種工況條件下兩個(gè)電機(jī)有效電流差值的變化特征示意圖

從圖9中可以看出，在時(shí)間為1.6 s的范圍內(nèi)，并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下兩個(gè)電機(jī)有效電流差值在1 A范圍內(nèi)波動，差值極小，而后兩個(gè)電機(jī)有效電流差值保持為0；而主從控制工況條件下一開始兩個(gè)電機(jī)有效電流差值就較大，而后差值也大約為1 A，對比說明了并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下電機(jī)工作的穩(wěn)定性較高。兩種工礦條件下牽引速率變化特征如圖10所示。

圖10　兩種工況條件下采煤機(jī)牽引速率的變化特征示意圖

從圖10中可以看出，在時(shí)間為1.9 s的范圍內(nèi)，采煤機(jī)牽引速率增大到大約8.2 m/min，而后牽引速率保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。從右下角的濾波圖中可以發(fā)現(xiàn)，主動控制工況條件下電機(jī)的響應(yīng)速率要滯后于其他兩種工況條件，滯后時(shí)間大約為0.3 s。

從采煤機(jī)牽引電機(jī)的動態(tài)嚙合力變化、有效電流變化以及采煤機(jī)牽引速率的變化規(guī)律角度綜合分析，主從控制工況條件下牽引電機(jī)的偏載現(xiàn)象嚴(yán)重，牽引性能無法得到充分發(fā)揮，且電機(jī)的響應(yīng)速率更為滯后，故電機(jī)工作不穩(wěn)定；并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下牽引電機(jī)幾乎不會發(fā)生偏載，牽引性能得到較大程度的利用，故這兩種工況條件更為合理。

3　結(jié)論

采煤機(jī)牽引電機(jī)的偏載現(xiàn)象影響采煤的開采效率和服務(wù)年限，不同工況條件下采煤機(jī)電機(jī)的偏載率不同，故本文對牽引電機(jī)在不同協(xié)調(diào)控制方法下的響應(yīng)特征進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：

1）從左右兩個(gè)銷輪動態(tài)嚙合力的變化特征角度分析，主從控制工況條件下偏載率從62%減小到了12%，而并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下偏載率僅為0.3%

2）并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下電機(jī)的有效電流差值要小于主動控制。

3）主從控制工況條件下牽引電機(jī)的偏載現(xiàn)象嚴(yán)重，牽引性能無法得到充分發(fā)揮，且電機(jī)的響應(yīng)速率更為滯后，故電機(jī)工作不穩(wěn)定；并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下牽引電機(jī)幾乎不會發(fā)生偏載，牽引性能得到較大程度的利用，故這兩種工況條件更為合理。

[1]孫承潔.滾筒采煤機(jī)變速控制策略及實(shí)驗(yàn)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2016.

[2]楊文奇.采煤機(jī)牽引部雙電機(jī)驅(qū)動協(xié)調(diào)控制研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2016.

[3]劉長釗.非穩(wěn)態(tài)工況下采煤機(jī)截割傳動系統(tǒng)機(jī)電動態(tài)特性研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2016.

[4]楊陽，袁璦輝，鄒佳航，等.采煤機(jī)機(jī)電液短程截割傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015（11）：2 558-2 568.