張 偉

（西山煤電杜兒坪煤礦， 山西 太原 030022）

引言

綜采工作面設(shè)備均為大功率設(shè)備，具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，在啟動時尤其是帶負(fù)載啟動時會遇到一定的困難。據(jù)統(tǒng)計表明，工程中絕大多數(shù)的設(shè)備損壞和影響設(shè)備使用壽命的因素是由于啟動沖擊這一原因造成的。因此，解決由啟動沖擊造成損害的有效方法就是采用軟啟動技術(shù)。目前有效的軟啟動技術(shù)主要包括有：差動輪系調(diào)速、變頻調(diào)速以及液力調(diào)速三種裝置技術(shù)。差動輪系由于具有質(zhì)量小、承載能力大和傳動比大等優(yōu)越的性能在機械設(shè)備中的應(yīng)用廣泛。

采煤機作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，在相對復(fù)雜的煤層條件下工作時其傳動系統(tǒng)的可靠性和啟動性能決定著工作面的安全、高效生產(chǎn)。本文將對采煤機截割部差動輪系中的行星架進(jìn)行分析，尤其對其在啟動過程中的調(diào)速性能進(jìn)行分析。

1 差動輪系概述

為解決原動機速度的單一性與工作機速度多樣性之間的矛盾，往往需要各種調(diào)速裝置來解決這一問題。其中齒輪調(diào)速裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)環(huán)境。由一系列齒輪所構(gòu)成的傳動系統(tǒng)稱為輪系。

根據(jù)輪系運轉(zhuǎn)過程中各齒輪軸線的空間位置是否確定，一般將輪系分為定軸輪系和周轉(zhuǎn)輪系[1-2]。周轉(zhuǎn)輪系中按照自由度數(shù)目的不同又可分為周轉(zhuǎn)輪系和行星輪系，見圖1。

差動輪系是周轉(zhuǎn)輪系的一種，差動輪系和定軸輪系的主要區(qū)別在于差動輪系多了一個行星架，因此差動輪系傳動比的計算就不能按照定軸輪系傳動比的計算公式計算。但是，根據(jù)相對運動的原理，可以將差動輪系轉(zhuǎn)化成定軸輪系，從而求出差動輪系的傳動比。

圖1 周轉(zhuǎn)輪系

2 采煤機截割部差動輪系調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

為實現(xiàn)采煤機截割部能夠根據(jù)工作面煤層條件實現(xiàn)無級調(diào)速[3]。對比分析變頻調(diào)速和液力耦合調(diào)速的優(yōu)劣特性，鑒于采煤機功率截割部功率較大且對調(diào)速性能要求較高，采煤機截割調(diào)速系統(tǒng)采用差動輪系調(diào)速。

差動輪系調(diào)速系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

圖2 差動輪系調(diào)速系統(tǒng)簡圖

如圖2所示，系統(tǒng)主要有以下幾個環(huán)節(jié)構(gòu)成：差動周轉(zhuǎn)輪系、伺服電機、轉(zhuǎn)速傳感器以及上位機和運動卡[4]。當(dāng)系統(tǒng)工作時，由轉(zhuǎn)速傳感器采集輸出端軸的轉(zhuǎn)速上傳到上位機中，通過PID算法控制運動控制卡，從而達(dá)到控制輸出端轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)行星架的所需的輸出力太大或者所需啟動的設(shè)備慣性太大難以啟動時，系統(tǒng)就會控制差動周轉(zhuǎn)輪系的齒圈轉(zhuǎn)動速度，增加輸出扭矩，從而滿足生產(chǎn)要求。

3 差動輪系調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)模型的建立

差動輪系調(diào)速系統(tǒng)的主要機械結(jié)構(gòu)為差動輪系，差動輪系是周轉(zhuǎn)輪系的一種，與行星輪系不同，差動輪系的自由度為2。

差動輪系是自由度為2的周轉(zhuǎn)輪系，主要由太陽輪、行星輪、行星架、轉(zhuǎn)臂和連桿這幾部分組成[5]。太陽輪是繞著固定的軸線轉(zhuǎn)動；行星輪一方面圍繞著自己的軸線轉(zhuǎn)動，另一方面圍繞著固定的軸線轉(zhuǎn)動，和行星的轉(zhuǎn)動一樣。在一般情況下，差動輪系的太陽輪和行星架一般為輪系的輸入和輸出構(gòu)件。將差動輪系的幾個主要部件在UG中建模，差動輪系的系統(tǒng)簡圖如圖3所示。差動輪系調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速齒圈的模型如圖4所示。差動輪系中的行星齒輪架的模型如圖5所示。

圖3 差動輪系三維模型

圖4 調(diào)速齒圈三維模型

圖5 行星架三維模型

4 差動輪系行星架固有特性的分析

4.1 差動輪系行星架的模態(tài)分析

所謂模態(tài)是指線性系統(tǒng)在自由振動時結(jié)構(gòu)所具有的基本振動特性，即不考慮阻尼影響下求解所研究對象的固有頻率。行星架作為差動輪系調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，分析該零件不同頻率下的振動特性是相當(dāng)重要的。利用有限元法建立差動輪系系統(tǒng)中行星架的有限元模型，以有限元模態(tài)分析理論為基礎(chǔ)，對差動輪系的行星架進(jìn)行有限元分析。鑒于文章篇幅有限，本文將不在此列出行星架的模態(tài)分析結(jié)果。

通過分析行星架不同頻率下的模態(tài)振型，可以得出：隨著行星架模態(tài)階數(shù)的不斷增大，行星架的固有頻率也在不斷增大。但是，從振型可以看出由轉(zhuǎn)動速度引起的激勵頻率遠(yuǎn)低于低階的固有頻率。因此，該差動輪系在工作中不會出現(xiàn)共振的現(xiàn)象，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

4.2 調(diào)速系統(tǒng)行星架受力分析

將UG中建立的差動輪系的模型成功導(dǎo)入到ADAMS中，并在ADAMS中對差動輪系各個部件添加了運動副，設(shè)置各個部件的運動參數(shù)，對差動輪系的加速和減速兩個性能進(jìn)行仿真分析。

4.2.1 行星架加速過程受力分析

在不考慮PID控制的情況下，仿真分析系統(tǒng)在10 s、20 s、25 s、30 s內(nèi)實現(xiàn)行星架輸出速度為從 0增大60 r/min左右時各個部件的運動情況。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 加速過程行星架受力情況

由以上的仿真結(jié)果可以得出：在10 s內(nèi)迅速完成加速運動，行星架所受扭矩達(dá)到了1.5×108N·m，在此扭矩下會對齒輪造成損壞，所以在此時間段內(nèi)進(jìn)行加速是不合理的；在30 s內(nèi)迅速完成加速運動，行星架扭矩達(dá)到了7.4×107N·m。因此，隨著加速階段時間的增加，其最大峰值扭矩才會明顯下降。所以為保險起見，系統(tǒng)的加速時間段應(yīng)大于30 s。

4.2.2 行星架減速過程受力分析

在不考慮PID控制的情況下，仿真分析系統(tǒng)在10 s、20 s、25 s、30 s內(nèi)實現(xiàn)行星架輸出速度為從 60 r/min減速到0時各個部件的運動情況。仿真結(jié)果如圖7所示。

由以上的仿真結(jié)果可以得出：在25 s內(nèi)迅速完成減速運動，行星架扭矩1.10×108N·m，在此扭矩下會對齒輪造成損壞，所以在此時間段內(nèi)進(jìn)行減速是不合理的；在30 s內(nèi)迅速完成減速運動，行星架扭矩達(dá)到了4.61×107N·m。因此，隨著減速階段時間的增加，其最大峰值扭矩有比較明顯的下降，并且行星輪的速度波動會減小。所以為保險起見，系統(tǒng)的減速時間段應(yīng)大于30 s。

圖7 減速過程行星架受力情況

5 結(jié)論

經(jīng)本文對采煤機截割部差動輪系調(diào)速系統(tǒng)中行星架的模態(tài)分析和調(diào)速過程中受力分析得出：差動輪系在動作過程中不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象；采煤機的截割部的加速和減速時間均應(yīng)大于30 s。