采煤機截割部穩定性影響因素以及變速控制的仿真研究

趙國凱

（晉能集團有限公司 ，山西 太原 030002）

0 引 言

采煤機的主要組成系統為截割機構和牽引機構，截割機構的滾筒主要對煤體進行截割和冒放，牽引機構負責采煤機機身的推移，故這兩個機構的穩定性和工作可靠性可直接影響到采煤機開采的效率。受發展水平的限制，目前諸多礦井工作面在進行硬度較大煤層的開采時需要降低牽引速率來保證滾筒截割煤體的順利進行，但這樣會大大影響開采煤體的效率，同時部分采煤機對惡劣工況條件的適應性較差，往往使得自身發生故障的概率增大[1]。基于此，本文在對采煤機截割部影響因素系統研究的基礎上提出保證采煤機穩定運行的方案，同時對提出方案進行仿真研究，以驗證提出方案的可靠性和可行性，這對提高采煤機的工作效率具有重要意義。

1 采煤機截割部穩定性的影響因素分析

采煤機截割部所受載荷決定了其自身的穩定性水平，故本次主要研究影響其負載的因素[2]。截割部負載由3個部分構成：沿著采煤機推移方向的阻力、沿著滾筒軸向的推力以及沿著滾筒圓周方向的阻力；其中，沿著滾筒圓周方向的阻力是最主要的載荷。故當采煤機截割硬度較大的煤層時，為了減小截割部所受載荷，需要重點研究沿著滾筒圓周方向的阻力的影響因素。

在不同的礦井以及不同的開采環境下采煤機截割部所受的載荷就不同。國內外諸多專家學者進行過截割部所受載荷的研究。基于刀具切削理論，20世紀40年代前蘇聯保晉等人得到了滾筒截割煤體的力學模型，從而得到了影響滾筒受力的各個因素，此后在該基礎上，專家學者[3]將煤體的強度、滾筒上截齒的參數以及刀具切削的方法等考慮在內得到了單個截齒所受截割阻力的計算方法，如公式1所示：

式中：Vq為采煤機的牽引速率；Aq為煤體截割阻抗的平均值；Sj為滾筒截齒的齒距；nd為滾筒轉速；m為截線上的截齒數量；bp為截齒的寬度；φb為煤體的崩落角；ky為煤體的壓漲系數；km為煤體的裸露系數；ka為煤體截割角的影響系數；kf為截齒刃面影響系數；kp和kφ分別為截齒的配制系數和煤體崩落角影響系數；β為截齒的安裝角度。

通過公式（1）可得采煤機滾筒截割煤體過程中的載荷，如公式2所示：

式中：Di為第i條截線上的截齒的回轉直徑；Nci第i條截線上參與截割工作的截齒數量。

采煤機截割部穩定性的影響因素主要包括三個方面：①煤體的力學特性，采煤機滾筒截割煤體過程中所受載荷隨著煤體截割阻抗的增大而增大。②截割部和牽引機構的參數，采煤機滾筒截割煤體過程中所受載荷與采煤機牽引速率呈正相關關系，而與滾筒轉速呈負相關關系，究其原因，在較大的牽引速率下截齒截割煤體的深度較大，而當滾筒轉速較快時截齒截割煤體的深度較小。③截齒的幾何參數，滾筒上截齒的形狀、寬度以及刃面等因素均會影響滾筒截割煤體過程中所受的載荷。在采煤機工作過程中，煤體的力學特性和截齒的幾何參數是不可改變的，而只能調節截割部和牽引機構的參數，對于中硬煤體，令其截割阻抗為200N/mm，則得到采煤機滾筒截割煤體過程中所受載荷的特征如圖1所示。

圖1 采煤機滾筒截割煤體過程中所受載荷的云圖

2 采煤機變速控制方案分析

從前文分析可知，采煤機截割部所受載荷決定了其自身的穩定性水平，在煤體力學特性以及截齒幾何參數不可更改情況下，減小截割部所受載荷的主要方法就在于控制采煤機的牽引速率和滾筒轉速。由此得到采煤機工作穩定性控制方案為：

方案一：當煤體的截割阻抗較小時，不改變采煤機牽引速率，加大滾筒的轉動速率；當煤體的截割阻抗和采煤機的牽引速率不同時，截割部所受載荷就不同（圖2），通過加大滾筒轉動速率可就可以降低滾筒負載，使之滿足穩定工作的需求。

圖2 截割部所受載荷分布示意圖

方案二：當煤體的截割阻抗較大時，先將采煤機牽引速率減小至目標值，然后將滾筒的轉動速率增大到目標值，最后將牽引速率增大至初始值。當煤體的截割阻抗較大時，單純增大滾筒轉速無法有效減小滾筒負載，從圖2中可以看出，當采煤機牽引速率改變時截割部所受載荷改變顯著。通過減小牽引速率可以有效減小截割部在截割煤體過程中受到的沖擊，增大滾筒轉動速率可以不影響煤體的開采效率。方案一和方案二下截割部所受載荷變化特征分別如圖3和圖4所示。

圖3 方案一下截割部所受載荷變化特征示意圖

圖4 方案二下截割部所受載荷變化特征示意圖

從圖3和圖4中可以發現，兩種方案均可以有效減小截割部所受載荷。在現場開采環境下采煤機會受到沿著推進方向明顯的阻力作用，該作用同樣會減小采煤機的牽引速率，故當煤體的截割阻抗較大時方案二是有效的。

3 采煤機變速控制方案合理性的仿真分析

本次在建立采煤機截割部等效模型的基礎上對控制方案進行仿真研究。在建模時，認為行星齒輪為定軸輪，由于本次研究的主要目的在于分析截割部和牽引機構的參數對截割部所受載荷的影響，故將選擇電機以及滾筒等模型為純扭轉模型。進行仿真研究時，選擇電機的轉速和牽引速率分別為1200r/min和4m/min，初始狀態下煤體的截割阻抗為200N/mm，3S后該參數變為300N/mm。

3.1 方案一

方案一為不改變采煤機牽引速率，加大滾筒的轉動速率；具體仿真方案為在時間為3.5S時將電機的轉速從1200r/min增大到1400r/min，即將電機轉速提高200r/min，此時相應的采煤機滾筒轉動速率提高了4.6r/min，而在整個仿真研究過程中控制牽引速率為4m/min。所得仿真結果如圖5的（a）～（c）所示。

圖5 方案一下仿真結果示意圖

從圖5中可以看出，在未進行電機轉速的調節前，電磁轉矩和輸出軸的轉矩分別為2708Nm和2679Nm，在3.5S進行電機轉速調節時，電磁轉矩增大到了3205Nm，輸出軸轉矩增大到了2740Nm，當電機轉速調節完成后電磁轉矩和輸出軸轉矩分別穩定在2405Nm和2366Nm；由此說明，通過不改變采煤機牽引速率和加大滾筒轉動速率的方式可以有效控制采煤機截割部傳動系統以及滾筒的載荷，但在電機轉速調節瞬間電磁轉矩和輸出軸的轉矩會增大，故需要控制此時的滾筒轉速變化率。

3.2 方案二

方案二為先將采煤機牽引速率減小至目標值，然后將滾筒的轉動速率增大到目標值，最后將牽引速率增大至初始值。具體仿真方案為在時間為3.5S時將采煤機牽引速率從4m/min減小到3m/min，而后在3.5S～4S時間段內將電機的轉速從1200r/min增大到1400r/min，最后不改變調節速率將采煤機牽引速率恢復到4m/min。所得仿真結果如圖6的（a）～（c）所示。

圖6 方案二下仿真結果示意圖

從圖6中可以看出，在進行變速調節的0.5S內采煤機截割部傳動系統所受載荷會明顯減小，故降低牽引速率可以顯著控制采煤機截割部所受載荷，提高其穩定性水平，最終電磁轉矩和輸出軸轉矩分別穩定在2405Nm和2333Nm；由此說明方案二的合理性和可靠性。

4 結束語

本文在對采煤機截割部影響因素系統研究的基礎上提出保證采煤機穩定運行的方案，認為采煤機截割部穩定性的影響因素主要包括煤體的力學特性、截割部和牽引機構的參數、以及截齒的幾何參數；減小截割部所受載荷的主要方法在于控制采煤機的牽引速率和滾筒轉速，由此得到了采煤機工作穩定性控制的方案：方案一為不改變采煤機牽引速率，加大滾筒的轉動速率；方案二為先將采煤機牽引速率減小至目標值，然后將滾筒的轉動速率增大到目標值，最后將牽引速率增大至初始值。對兩個方案進行了仿真研究，認為方案一和方案二均對控制采煤機截割部所受載荷以及提高穩定性水平有重要意義，但方案一下需要在調速瞬間控制滾筒的轉速變化率。