張鵬飛

0 引言

隨著礦井機械化水平的不斷提高，采煤機的功率以及開采能力逐漸提高。牽引部是采煤機的重要部位，牽引部性能的好壞直接影響著采煤機的工作效率。目前，礦井多采用主從控制的方式控制采煤機的運行。大量實踐證明，主從控制方式下，雙電機運行的同步性能差，長時間工作狀態(tài)下，左銷輪銷軌與右銷輪銷軌受力差別大，設(shè)備容易損壞[1-3]。本文從牽引部的傳動原理入手，通過對采煤機牽引部雙電機協(xié)調(diào)控制和機電聯(lián)合分析，得到交叉耦合控制方法下設(shè)備運行最為穩(wěn)定的結(jié)論，值得大力推廣。

1 牽引部的工作原理和傳動原理

采煤機是煤礦重要的采煤機械設(shè)備，其性能的好壞直接影響到工作面的推進(jìn)速度，牽引部直接控制著采煤機的運行速度。采煤機的牽引部主要由控制系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)和行走系統(tǒng)構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)主要由控制器和逆變器組成，動力傳動系統(tǒng)主要由電機和傳動系統(tǒng)構(gòu)成，行走系統(tǒng)由銷輪和銷軌組成。采煤過程中，采煤機由控制器通過逆變器發(fā)出變壓信號驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，驅(qū)動電機通過傳動系統(tǒng)將信號傳遞至采煤機的銷輪，銷輪通過嚙合作用牽動銷軌行走，實現(xiàn)采煤機的牽引動作。

采煤機的牽引動作有多種實現(xiàn)方法，通過不同類別的組合方式可以實現(xiàn)不同類型的牽引動作。牽引動作的最終目的是實現(xiàn)采煤機的平穩(wěn)運行，考慮到井下惡劣的生產(chǎn)條件，采煤機性能的可靠性對于安全生產(chǎn)至關(guān)重要，為了使設(shè)備的運行更加平穩(wěn)，應(yīng)該盡可能簡化牽引部的傳動機構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，既能降低投入成本又便于后期的維護(hù)。

本文中采煤機牽引部共有四級傳動，前三級傳動以齒輪傳動為主，最后一級傳動以行星齒輪傳動為主。在實際工作中，采煤機的牽引部承受較大的壓力且直接牽引減速箱運轉(zhuǎn)，為了使采煤機有足夠的工作空間，減速箱的尺寸得足夠小，為此將最后一級傳動設(shè)置為行星齒輪傳動。這種設(shè)計下，動力由軸1經(jīng)軸2、軸3、軸4傳至行星齒輪，由行星齒輪帶動銷輪，從而實現(xiàn)采煤機的平穩(wěn)運行。

2 采煤機牽引部雙電機協(xié)調(diào)控制分析

在礦井電氣調(diào)速中，直流電機有獨立的電樞，可以獨立進(jìn)行控制，因此廣受歡迎。為實現(xiàn)采煤機實時調(diào)速的功能，使用交流電進(jìn)行控制，為使交流電具備直流電的性能，對其進(jìn)行矢量變頻控制，原理是在交流電機的外部將勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量做給定控制量，得到兩相交流控制電流，再通過三相矢量變化后得到三相交流控制電流，從而實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的控制功能。

從現(xiàn)有的生產(chǎn)經(jīng)驗來看，傳統(tǒng)的采煤機雙電機驅(qū)動系統(tǒng)因為控制時間的先后問題，兩個電機在時間響應(yīng)上有差異，不同步的運行導(dǎo)致機械設(shè)備在長期運行過程中出現(xiàn)故障。為避免兩臺電機在信號上的延遲問題，使用了交叉耦合控制調(diào)控電機。交叉耦合控制的優(yōu)點是將信號通過交叉耦合的方式進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)電機同時啟動、調(diào)速、停止的功能。對比不同調(diào)控方式下兩臺電機的轉(zhuǎn)速變化，得到圖1所示的變化曲線。從圖1中可以看出，采用并行控制時，電機1與電機2的轉(zhuǎn)速曲線差異大，兩臺電機同步性能差；當(dāng)采用主從控制時，電機1與電機2可以實現(xiàn)較好的同步性能，但是兩臺電機的轉(zhuǎn)速還是存在一定的差距；當(dāng)采用交叉耦合控制時，兩臺電機實現(xiàn)了良好的同步性能，可以看出，交叉耦合控制下，兩臺電機的轉(zhuǎn)速高度吻合，無論哪個電機受到干擾，另外一臺電機都能夠及時的做出反應(yīng)，保證兩臺電機同步工作。

3 采煤機牽引部機電聯(lián)合分析

大量實踐證明，采煤機在實際運行的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)過載燒毀現(xiàn)象，但通過功率調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用可以有效控制設(shè)備的偏載問題，從而減少過載燒毀現(xiàn)象的發(fā)生。傳統(tǒng)的主從控制方法下，設(shè)備功率的調(diào)節(jié)主要依賴于主電機的運行狀態(tài)，主電機運行良好時，可以實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，當(dāng)主電機發(fā)生故障時，電機的輸出功率仍然以主電機的輸出功率為主，若主電機功率較小時，影響到工作面的正常推進(jìn)，主電機的功率較大時，容易導(dǎo)致設(shè)備過熱造成損壞。為了提高采煤機的性能，延長采煤機的工作年限，需要對采煤機進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減少偏載等現(xiàn)象造成的設(shè)備損壞。

圖1 不同控制方式下電機轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

在采煤機牽引部雙電機協(xié)調(diào)控制分析的基礎(chǔ)上，對不同控制方式下的機電響應(yīng)進(jìn)行研究。圖2為不同控制方式下銷輪銷軌動態(tài)嚙合力隨時間變化曲線，從圖中看出，采用主從控制時，采煤機的左銷輪銷軌和右銷輪銷軌擬合力差別大，且左銷輪銷軌嚙合力較大，長期載荷不均的運行使得設(shè)備之間的滯后現(xiàn)象愈加明顯。采用并行控制時，左銷輪銷軌和右銷輪銷軌的嚙合力差值小，都在44950N左右，且兩者的偏載率在0.8%左右。采用交叉耦合控制時，左銷輪銷軌和右銷輪銷軌的嚙合力差值小，都在50000N左右，且兩者的偏載率在0.3%左右。

綜合對比不同控制方式下采煤機的運行狀況，主從控制方式下設(shè)備的運行效果最差，長期運行導(dǎo)致偏載現(xiàn)象嚴(yán)重，變頻器雖然能起到一定程度的調(diào)控作用，但是較慢的動態(tài)響應(yīng)過程使得設(shè)備運行中的嚙合力差值增加，容易造成設(shè)備的疲勞損傷；采用并行控制和交叉耦合控制可以有效地避免這一點，兩臺電機的高精度耦合使得設(shè)備的調(diào)控速度快，變頻器的利用率高，即使在惡劣環(huán)境下工作，也能有效地避免偏載現(xiàn)象的發(fā)生。通過綜合分析看出，采用交叉耦合控制是最佳的選擇。

圖2 不同控制方式下銷輪銷軌動態(tài)嚙合力隨時間變化曲線

5 實際案例分析

在實際采煤過程中，受煤體的非均質(zhì)性以及矸石崩落的影響，機身承受的載荷出現(xiàn)波動現(xiàn)象，長時間工作很容易導(dǎo)致滾筒受力不均而損壞牽引電機。本文以MG300/700采煤機為研究對象，對并行控制和交叉耦合控制下電機的運行狀況進(jìn)行分析，得到圖3所示的結(jié)果。從圖中可以看出，并行控制方式下，電機偏載率隨時間的增加逐漸增大，最大達(dá)到10%，此時銷輪銷軌受力復(fù)雜，容易出現(xiàn)折斷現(xiàn)象；在交叉耦合控制方式下，偏載率較為穩(wěn)定，維持在0.4%左右，此時銷輪銷軌受力簡單，控制效果好。

圖3 不同控制方式下偏載率曲線

圖4為不同控制方式下銷輪銷軌動態(tài)嚙合力，從圖中可以看出，當(dāng)右牽引電機受到干擾時，并行控制下右銷輪銷軌動態(tài)嚙合力上升，左銷輪銷軌動態(tài)嚙合力下降，引起受力不均，造成偏載現(xiàn)象；交叉耦合控制方式穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，。實際應(yīng)用也證明了交叉耦合控制的優(yōu)良性。

5 結(jié)論

通過對采煤機牽引部雙電機驅(qū)動協(xié)調(diào)的控制研究，得到以下結(jié)論：

（1）采煤機牽引部采用行星齒輪傳動可以簡化傳動機構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，占用空間少，運行平穩(wěn)；

圖4 不同控制方式下銷輪銷軌動態(tài)嚙合力

（2）由采煤機牽引部雙電機協(xié)調(diào)控制分析得到主從控制方式和交叉耦合控制方式下雙電機轉(zhuǎn)速吻合度高，兩臺電機的同步運行可以提高采煤機的工作效率；

（3）不同控制方式下銷輪銷軌動態(tài)嚙合力曲線差異大，并行控制和交叉耦合控制下設(shè)備偏載率低，綜合對比之下，交叉耦合控制是最佳的控制方法，長期運行狀態(tài)下有利于設(shè)備的穩(wěn)定性。