苗亞雄

（山西焦煤西山煤電西銘礦信息中心，山西 太原 030052）

引言

采煤機(jī)截割部是與煤層直接接觸的部件，由于工作面頂板煤層或巖層的不均勻?qū)е缕渌惺艿妮d荷處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，由于載荷的傳遞導(dǎo)致?lián)u臂箱體容易變形或者機(jī)身振動(dòng)嚴(yán)重的問(wèn)題。為了避免由于搖臂箱體變形導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法正常工作的問(wèn)題，將原搖臂中的傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)更換為機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)，并將其置于滾筒中。相對(duì)于傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)而言，機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)具有傳動(dòng)鏈短、可靠性高等優(yōu)勢(shì)。但是，機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)由于存在多個(gè)并行傳動(dòng)路線，導(dǎo)致各個(gè)傳動(dòng)路線出現(xiàn)不均載和不同步的問(wèn)題[1]。本文將重點(diǎn)開(kāi)展采煤機(jī)機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)和綜合控制研究。

1 機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

目前，滾筒采煤機(jī)傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)置于搖臂中。當(dāng)截割部滾筒承受的突變載荷傳遞至搖臂導(dǎo)致?lián)u臂變形后將影響傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮其正常傳動(dòng)功能，具體表現(xiàn)為：由于搖臂箱體變形導(dǎo)致其內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪的受力不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)損壞[2]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文擬提出采用三臺(tái)電機(jī)+耦合輪系和行星輪系構(gòu)建采煤機(jī)的機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由圖1 可知，截割電機(jī)分別對(duì)三個(gè)主動(dòng)齒輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，三個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪對(duì)被動(dòng)齒輪即耦合輪系進(jìn)行傳動(dòng)；耦合輪系將動(dòng)力傳遞至行星輪系，其行星架為輸出部件將電機(jī)的動(dòng)力傳遞至滾筒。所設(shè)計(jì)的機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)，有三條傳動(dòng)路線。理論上每個(gè)電機(jī)的輸出扭矩為滾筒所需截割轉(zhuǎn)矩的1/3，而且每個(gè)電機(jī)的尺寸、容量和轉(zhuǎn)子慣量均較小，具有快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，大大減小了傳動(dòng)系統(tǒng)所占據(jù)的空間，并具有較高的可靠性[3]。將傳動(dòng)系統(tǒng)由搖臂箱體內(nèi)部轉(zhuǎn)移至滾筒內(nèi)，解決了由于搖臂箱體變形導(dǎo)致傳統(tǒng)系統(tǒng)損壞的問(wèn)題。

圖1 機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)

1.2 機(jī)電短程截割傳動(dòng)分系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)

1.2.1 電機(jī)的選型

結(jié)合采煤機(jī)的平均截割深度、滾筒半徑、平均牽引速度和截割比能耗等參數(shù)得出該型采煤機(jī)滾筒負(fù)載的截割功率為241.9kW；結(jié)合截割電機(jī)、耦合輪系和行星輪系的傳動(dòng)效率，得出機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)的整體傳動(dòng)效率為0.92。則由此可以得出，每個(gè)截割電機(jī)所要求的驅(qū)動(dòng)功率為（241.9kW÷3）÷0.92=87.6kW。

結(jié)合當(dāng)前市面上截割電機(jī)的性能和參數(shù)，確定截割電機(jī)的額定功率為90 kW，其對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速為1 460 r/min。

1.2.2 耦合輪系和行星輪系齒輪參數(shù)的確定

結(jié)合MG700/300 原傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比為47.5，對(duì)應(yīng)機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)耦合輪系和行星輪系的各級(jí)齒輪的參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表1。

表1 耦合輪系和行星輪系各級(jí)齒輪參數(shù)

2 采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)與綜合控制

根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)分別建立采煤機(jī)截割-牽引耦合模型，包括牽引系統(tǒng)模型、采煤機(jī)負(fù)載模型和最終形成的截割-牽引耦合模型，根據(jù)所搭建的模型開(kāi)展采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)和綜合控制。

2.1 截割-牽引耦合模型的設(shè)計(jì)

牽引系統(tǒng)模型仍然基于原采煤機(jī)的牽引系統(tǒng)建立，結(jié)合采煤機(jī)的復(fù)雜模型，建立如圖2 所示的截割-牽引耦合模型。

圖2 采煤機(jī)截割-牽引耦合模型

2.2 采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)截割載荷和截割性能的影響

本節(jié)對(duì)不同采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)應(yīng)截割傳動(dòng)系統(tǒng)所承受載荷的影響和對(duì)截割部截割性能的影響進(jìn)行對(duì)比。

2.2.1 對(duì)截割載荷的影響

從理論上講，機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)中行星輪系和耦合輪系中各級(jí)齒輪的嚙合力隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加而降低；隨著采煤牽引速度的增加而增加。因此，為減小機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷，應(yīng)適當(dāng)增加滾筒轉(zhuǎn)速、減小采煤機(jī)牽引速度。

2.2.2 對(duì)截割性能的影響

對(duì)于截割性能而言，通過(guò)塊煤率和生產(chǎn)率兩項(xiàng)參數(shù)反映。其中，當(dāng)采煤機(jī)截割滾筒的轉(zhuǎn)速減小、牽引速度增加時(shí)對(duì)應(yīng)所得煤炭的塊煤率增加；而生產(chǎn)率與滾筒的旋轉(zhuǎn)速度無(wú)關(guān)，隨著牽引速度的增加對(duì)應(yīng)生產(chǎn)率增加。綜上，為保證采煤機(jī)的截割性能，可降低滾筒旋轉(zhuǎn)速度、增加采煤機(jī)牽引速度。

2.3 采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)

本節(jié)對(duì)采煤機(jī)截割阻抗從180 kN/m 在某個(gè)時(shí)刻突然增加為250 kN/m 工況下，采用截割-牽引聯(lián)合調(diào)速和牽引調(diào)速對(duì)采煤機(jī)截割性能和滾筒所承受載荷的影響進(jìn)行對(duì)比。

2.3.1 截割-牽引聯(lián)合調(diào)速調(diào)節(jié)方式

基于優(yōu)化算法可知，當(dāng)截割阻抗為180 kN/m 時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳滾筒轉(zhuǎn)速為23.69 r/min，牽引速度為5.441 m/min；當(dāng)截割阻抗為250 kN/m 時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳滾筒轉(zhuǎn)速為30.15 r/min，牽引速度為4.473 m/min。設(shè)定載荷突變的時(shí)刻點(diǎn)為仿真時(shí)間的3 s，在調(diào)速過(guò)程中耦合輪系和行星輪系嚙合力的變化以及截割性能的變化如圖3 所示。

圖3 截割-牽引調(diào)速方式的仿真結(jié)果

由圖3 可知，在上述工況下采用截割-牽引調(diào)速方式下雖然耦合輪系和行星輪系的嚙合在采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)節(jié)過(guò)程中降低；但是，在調(diào)節(jié)過(guò)程中對(duì)應(yīng)塊煤率和生產(chǎn)率也是減低的。

2.3.2 牽引調(diào)速方式

基于優(yōu)化算法可知，當(dāng)截割阻抗為180 kN/m 時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳滾筒轉(zhuǎn)速為23.69 r/min，牽引速度為5.441 m/min；采用牽引調(diào)速方式，當(dāng)截割阻抗為250 kN/m時(shí)保持滾筒轉(zhuǎn)速為23.69 r/min 不變，將牽引速度減低為4.473 m/min。設(shè)定載荷突變的時(shí)刻點(diǎn)為仿真時(shí)間的3 s，在調(diào)速過(guò)程中耦合輪系和行星輪系嚙合力的變化以及截割性能的變化如圖4 所示。

由圖4 可知，在上述工況下采用牽引調(diào)速方式下雖然耦合輪系和行星輪系的嚙合在采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)節(jié)過(guò)程中降低；但是，在調(diào)節(jié)過(guò)程中對(duì)應(yīng)塊煤率和生產(chǎn)率也是減低的。

圖4 牽引調(diào)速方式的仿真結(jié)果

綜上，兩種調(diào)速方式對(duì)應(yīng)耦合輪系、行星輪系及截割性能的變化趨勢(shì)一致。為最終確定最佳優(yōu)化調(diào)節(jié)方式，對(duì)上述兩種調(diào)速方式的控制效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同調(diào)速方式對(duì)應(yīng)控制效果

由表2 可知，截割-牽引聯(lián)合調(diào)速方式比牽引調(diào)速方式具有更快的調(diào)整速度；而且調(diào)整后截割-牽引聯(lián)合調(diào)速方式的塊煤率和生產(chǎn)率等指標(biāo)均優(yōu)于牽引調(diào)速方式。因此，針對(duì)機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)采用截割-牽引聯(lián)合調(diào)速方式對(duì)采煤機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜采工作面煤層、巖層的不均性導(dǎo)致截割部滾筒所承受的載荷處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，進(jìn)而容易導(dǎo)致?lián)u臂變形，從而導(dǎo)致?lián)u臂內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)損壞。為此，本文基于三個(gè)截割電機(jī)、耦合輪系和行星輪系設(shè)計(jì)了機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)，通過(guò)仿真對(duì)比得知，針對(duì)機(jī)電短程截割傳動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)采用截割-牽引聯(lián)合調(diào)速方式對(duì)采煤機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。