左大偉

（西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建第一分公司， 山西 太原 030001）

引言

煤礦巷道的掘進(jìn)是煤炭開采的前提，巷道的掘進(jìn)效率和成形質(zhì)量對后期礦井的開采具有不可估量的作用。隨著采掘設(shè)備自動化水平的不斷提升，煤礦開采的深度不斷增加，與此同時(shí)由于巷道圍巖的不確定性導(dǎo)致在掘進(jìn)過程中存在載荷突變的現(xiàn)象越來越多，傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)不僅掘進(jìn)效率低，而且成形質(zhì)量較差[1]，即在影響后期工作面采煤效率的同時(shí)，還為工作面的開采帶來安全隱患。本文將設(shè)計(jì)一款基于混合動力系統(tǒng)的無人掘進(jìn)設(shè)備以提高并保證生產(chǎn)效率。

1 混動傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 混動系統(tǒng)傳遞方案的設(shè)計(jì)

截割頭作為掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵部件，其截割效率代表整臺掘進(jìn)設(shè)備的掘進(jìn)效率。除此之外，掘進(jìn)機(jī)設(shè)備還包括有行走系統(tǒng)和調(diào)高系統(tǒng)。為保證掘進(jìn)機(jī)截割部的動力滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，需將混合動力系統(tǒng)的動力能量進(jìn)行重新分配，混合動力系統(tǒng)的動力源有兩種，可根據(jù)圖1 中的兩種方式進(jìn)行傳遞。

圖1 混動傳遞系統(tǒng)動力傳動方式

如圖1-1 中所示輔助動力源通過轉(zhuǎn)速耦合結(jié)構(gòu)傳遞至截割頭，1-2 中輔助動力源通過轉(zhuǎn)矩耦合結(jié)構(gòu)傳遞至截割頭。其中，方案一通過一級行星齒輪完成動力的傳遞，并基于轉(zhuǎn)速耦合原理實(shí)現(xiàn)；方案二通過二級行星齒輪完成動力傳遞，基于轉(zhuǎn)矩耦合原理實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中的工況特點(diǎn)以及截割頭調(diào)速的需求，需對掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的輸出動力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同截割工況的要求。即，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)遇到巖層硬度較大時(shí)截割頭處于高扭矩區(qū)，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)遇到軟巖層硬度較小時(shí)截割頭處于低扭矩區(qū)[2]。故，截割部的混動系統(tǒng)采用圖1 中的1-2 傳遞方式，設(shè)計(jì)的傳遞方案如圖2 所示。

圖2 混動系統(tǒng)傳遞方案

1.2 混合傳動方案下截割參數(shù)的設(shè)計(jì)

1.2.1 截割部液壓系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)

本文所研究掘進(jìn)機(jī)型號為EBZ260，該型掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)的功率為260 kW，屬于求錐臺形截割頭，截割軸屬于縱軸式安裝，截割頭可在55 r/min 和27 r/min 兩種工況下運(yùn)行。截割頭電機(jī)的型號為YBUS-260-6，額定轉(zhuǎn)速為990 r/min。

根據(jù)上述掘進(jìn)機(jī)截割頭的參數(shù)，基于理論計(jì)算選擇馬達(dá)的型號為A2FM系列，該型馬達(dá)的排量為107 mL/r。

1.2.2 截割部機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)

基于上述液壓馬達(dá)的參數(shù)，結(jié)合截割部電機(jī)的參數(shù)，完成對混動系統(tǒng)傳遞方案中關(guān)鍵機(jī)械零部件的參數(shù)設(shè)計(jì)，如表1 所示。

表1 掘進(jìn)機(jī)截割部機(jī)械系統(tǒng)的參數(shù)

2 混動系統(tǒng)動力學(xué)模型的搭建

本文所設(shè)計(jì)的混合動力系統(tǒng)主要應(yīng)用于截割傳動系統(tǒng)中，截割傳動系統(tǒng)主要由截割電機(jī)、液壓馬達(dá)、轉(zhuǎn)矩耦合齒輪傳動系統(tǒng)、截割頭以及蓄能器等組成[3]。為確保準(zhǔn)確驗(yàn)證混動系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)截割部的應(yīng)用效果，在搭建其動力學(xué)模型時(shí)作出假設(shè)：動力學(xué)仿真模型中忽略液壓泵和液壓馬達(dá)管路之間的壓力損失；液壓馬達(dá)低壓腔殼體不存在液壓泄露；忽略液壓馬達(dá)摩擦力矩對系統(tǒng)的影響；在一定工況下，視液壓馬達(dá)和液壓泵的轉(zhuǎn)速是恒定不變的，且液壓液壓馬達(dá)的排量與其角速度成正比。

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的選型，對混動系統(tǒng)中的液壓泵、液壓馬達(dá)以及蓄能器的動力學(xué)模型進(jìn)行搭建。并將液壓泵的額定壓力設(shè)定為40 MPa，排量設(shè)定為190 mL/r，額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 500 r/min；液壓馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 500 r/min，排量設(shè)定為107 mL/r，額定工作壓力設(shè)定為25 MPa；蓄能器的初始壓力設(shè)定為15 MPa。

結(jié)合表1 中混合動力傳遞系統(tǒng)中機(jī)械系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的參數(shù)完成機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)模型的搭建，即行星傳動齒輪、截割電機(jī)的動力學(xué)模型的搭建。截割電機(jī)的參數(shù)設(shè)置如下：截割電機(jī)輸入電壓頻率為50 Hz，最高電壓值為931 V，三相異步電機(jī)的相位角分別為0°、120°、240°，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。所搭建兩級行星齒輪，一端與截割頭相連，另一端與轉(zhuǎn)矩耦合齒輪系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)混合動力的傳遞[4]。

3 混合動力系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

基于AMESim 軟件搭建上述動力學(xué)仿真模型，并將所搭建的動力學(xué)仿真模型導(dǎo)入MATLAB 軟件中對混合動力系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)截割部的應(yīng)用效果進(jìn)行分析。本次仿真分析基于AMESim 動力學(xué)仿真模塊和MATLAB 軟件中的Simulink 模塊實(shí)現(xiàn)，二者所搭建的仿真平臺如圖3 所示。

圖3 混動系統(tǒng)仿真平臺結(jié)構(gòu)

基于上述仿真平臺對混動系統(tǒng)在模擬載荷和煤巖突變工況下掘進(jìn)機(jī)截割部的應(yīng)用效果進(jìn)行仿真分析。

3.1 模擬載荷下混動系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

設(shè)定在模擬載荷工況下，掘進(jìn)機(jī)截割部所截割煤層或巖層的硬度為10。在此模擬載荷下，掘進(jìn)機(jī)截割頭的轉(zhuǎn)動速度為34.8 r/min，本次仿真截割頭的模擬載荷在5.2×104～5.34×104N·m 的范圍內(nèi)浮動，且模擬載荷周期性變化本次仿真所設(shè)定的時(shí)長為10 s。仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 模擬載荷下混動系統(tǒng)性能仿真結(jié)果

如圖4 所示，在模擬載荷下截割電機(jī)和相液壓馬達(dá)的扭矩不受模擬載荷的周期變化。即說明，液壓馬達(dá)可根據(jù)模擬載荷的變化對其輸出扭矩進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)整。

3.2 煤巖突變工況下混動系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

設(shè)定在仿真時(shí)間4 s 時(shí)，設(shè)定煤層或者巖層的硬度突變?yōu)?2，且截割頭所承受的載荷從5.34×104N·m 突變?yōu)?.7×104N·m。截割電機(jī)和液壓馬達(dá)輸出扭矩仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 煤層突變工況下混動系統(tǒng)性能仿真結(jié)果

如圖5 所示，當(dāng)煤層或者巖層的硬度在4 s 時(shí)發(fā)生突變，截割電機(jī)的輸出扭矩發(fā)生波動，并在5 s 左右輸出扭矩趨于穩(wěn)定，并與巖層突變前的扭矩值相同；與此同時(shí)，液壓馬達(dá)的輸出扭矩從200 N·m 突變至500 N·m 并恒定不變。說明，即便在載荷突變的工況下，混動系統(tǒng)能夠確保截割頭穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

1）混動系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)矩耦合機(jī)構(gòu)完成能量至截割頭的傳遞。

2）模擬載荷工況周期性變化不會對混動系統(tǒng)下截割電機(jī)和液壓馬達(dá)的輸出扭矩產(chǎn)生影響；在載荷突變工況下，截割電機(jī)輸出扭矩在1 s 內(nèi)完成調(diào)整并恒定于突變前的扭矩，液壓馬達(dá)根據(jù)載荷的突變大小完成成比例的突變。