采煤機牽引部的自動調速機理與自動控制系統分析

楊學志 楊東偉

（神華寧夏煤業集團 機電管理部，寧夏 銀川750011）

0 引言

牽引部是采煤機的重要組成部分， 是采煤機的關鍵部件和易損件。 牽引部的結構可靠性決定著采煤機的質量和使用效果。 隨著煤田開采條件日趨復雜，高產高效工作面對采煤機牽引速度和牽引力的要求不斷提高，為提高其可靠性和適應性，需要對采煤機牽引部關鍵零件進行研究與分析，以完善和提高牽引系統的可靠性。同時，采煤機在行走和截煤的過程中，牽引速度越快，生產效率越高，電動機的負載也越重。如果牽引速度過高，就有可能使電動機過載。生產中既要充分發揮采煤機的生產能力，又要保證電動機的安全，使電動機保持滿載而不過載，這就需要根據電動機的負載情況隨時調節牽引速度，而牽引速度的大小又與牽引電機的轉速及輸出轉矩有關。 同時，牽引電機輸出轉矩的變化還會影響采煤機各零部件的受力情況。

1 采煤機牽引部的自動調速機理

采煤機在生產過程中，一邊靠其自身的牽引系統沿著刮板輸送機行走，同時驅動滾筒來完成落煤和向輸送機裝煤的任務。 為了提高采煤機的產量和工作效率，一方面要求增加采煤機的截割功率、牽引力和牽引速度，另一方面，采煤機應有良好的自動調節特性，以適應在生產過程中各種不同工況的要求，充分發揮采煤機的生產能力。

由于采煤機司機很難預計工作面煤質變化情況，而憑經驗調速又有很大的盲目性，因此采煤機上都裝有牽引部自動調速系統。 使采煤機能自動根據煤質變化情況調節牽引速度，以保持功率和牽引力達到額定值。

采煤機的自動調速是指隨著采煤機的電動機功率或牽引力變化而自動調整牽引速度，以保證采煤機滿載運行，避免過載并充分發揮采煤機的效能。

采煤機截割電機的負載大小與多種因素有關，如煤層硬度、煤層夾矸厚度、夾矸硬度、采高、截深以及牽引速度等。在諸多因素中，除了截深和牽引速度外，其他因素都是由自然條件決定的，不能人為控制。因此對于特定型號的采煤機型號，可以通過調節牽引速度來補償其他因素對截割電機負載的影響。

理論分析和實際使用都證明，采煤機消耗的功率P 和牽引力F 都與牽引速度Vq成正比，即∶

P=P0+KVq，F=F0+RVq

式中∶P0為采煤機空載消耗功率，其值取決于截割機構形式、結構和傳動效率；K 為系數，取決于煤的性質、壓酥程度、截割參數、截齒形狀及磨鈍程度；F0為引阻力的不變分量，取決于采煤機的重量、傾角、導向情況及摩擦系數；R 為系數，取決于煤的性質、截齒形狀及磨鈍程度。

由于煤質分布的隨機性， 當采煤機以牽引速度Vq在中硬煤層中工作時，其功率和牽引力分別達到額定值Pn和Fn（圖1）；當采煤機割到硬煤或軟煤時， 功率和牽引力相應就增大到P1、F1或減小到P2、F2。前者超過了額定值，將會導致電動機超載損壞；而后者欠載，會使電動機效能得不到發揮。為此，必須根據煤質情況及時調整牽引速度∶遇到硬煤時Vq1，速度自動降到，遇到軟煤時，速度自動升到Vq2，從而保證電動機滿載工作。 通常把采煤機的這種能力稱為恒功率調節特性。

圖1 牽引部自動調速

2 采煤機恒功率自動控制系統分析

要實現自動調速，必須用傳感器將表征電動機功率或牽引力大小的信號拾取出來， 并和額定值進行比較， 然后將比較結果經轉換、放大，輸送到牽引部控制系統，以進行調速。采煤機牽引部恒功率控制自動調速原理如圖2 所示。

圖2 恒功率控制原理圖

在電牽引采煤機恒功率控制過程中， 首先給控制器以參照功率，然后經控制器計算分析，發出對變頻器的控制電壓信號，變頻器將控制電壓轉化為供給牽引電動機的頻率，來控制牽引電機的運轉。 當煤壁的硬度變化時，負載傳感器把來自截割電機的負載電流信號經過處理（放大、濾波、數模轉換等）傳輸給控制器并與給定的額定功率進行比較后由控制器給出控制調節電壓。

圖3 功率閉環控制系統結構圖

牽引部控制系統結構如圖3 所示， 該系統采用功率閉環調節，功率調節器的給定值P*為截割電機的額定功率， 反饋值P 為截割電機的實際功率，通過截割電機的功率傳感器得到，由理論分析可知該值與牽引速度成正比例關系。速度環、轉矩環、磁鏈環以及逆變器構成交流電機變頻調速系統。 速度給定為n*，由截割電機的功率調節器APR的輸出量提供，改變速度給定值n*，可以改變交流電機的轉速。逆變器的直流電源由PWM 整流器提供，此整流器的能量流動是雙向的。 因此，可以使交流電機工作在四個象限，以滿足采煤機在較大傾斜煤層條件下的電牽引工藝要求。

如圖3 所示，采煤機在中硬煤層工作時，實際功率P 等于額定功率。當采煤機截割到軟煤時，滾筒受的截煤阻力F 減小，截割電機實際功率P 小于額定功率P*， 此時， 功率調節器會發出調節信號使n*增加，并經變頻調速系統，使牽引電機轉速增加，再經牽引部傳動系統使采煤機牽引速度Vq增加，進而增加截割電機的輸出功率P，直到實際功率等于額定功率；當采煤機截割到軟煤時，截割電機的實際功率P大于額定功率，此時功率調節器會使n*減小，再經變頻調速系統，使牽引電機轉速下降，牽引速度降低，實際功率P 下降，直到等于額定功率。

在這一過程中，要求采煤機牽引電機具有良好的調速性能及快速的響應時間，因此應該重點對牽引電機變頻調速系統進行研究，研究系統的動態特性及轉速、轉矩響應。另一方面，在采煤機恒功率調速過程中，由于牽引速度和電機輸出轉矩的變化，會使牽引部傳動系統各零部件所受的外載荷發生變化，而載荷的變化勢必會對零件的結構強度產生影響。

3 結束語

總之，隨著我國市場經濟的快速發展，能源的使用量正在急劇加大，煤礦開采的高產高效化是煤炭行業發展的必由之路，大規模綜采現已經成為現代煤炭行業發展的一個趨勢，作為煤礦生產最為重要的設備之一，采煤機的發展將直接影響著煤礦開采的產量及效率，決定著煤礦高產高效化的進程。

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