采煤機高可靠性機電液短程截割傳動系統分析

張 波

（山西陽煤翼城石丘煤業有限責任公司， 山西 翼城 045000）

在煤炭生產的過程中，采煤機始終都發揮著較大的作用。作為一個包括機械、電氣和液壓等諸多部分的復雜系統，其主要完成落煤和裝煤兩個主要的工序。截割部作為滾筒式采煤機的主要工作機構之一，其輸出的總功率占據采煤機裝機總功率的80%。只有保證截割部分的可靠性，才能夠真正提高機器本身的可靠性。本文通過全面分析采煤機可靠性，對機電液短程截割傳動系統進行全面的分析，并采取了相應的措施，才能夠更好地提高截割系統的工作效率。

1 采煤機高可靠性機電液短程截割傳動系統改良的意義

在運用滾筒采煤機來切割煤巖體的同時，尤其煤巖體內部的強度多數存在不均勻的現象，加之煤巖體本身的脆性很大，所以使得采煤機在操作的過程中具有較大的隨機性和強沖擊性[1]。由于采煤機在漫長重載作業的過程中主要是通過長鏈齒輪系統的傳遞來有效地實現的。由于負荷過重，所以也就使得其搖臂的箱體會發生變形，這樣使嚙合的情況變得更加惡劣。如果在工作過程中一旦發現有一個齒輪失去作用，那么就會使得整個機器停止工作，從而使采煤機的可靠性降低。因此，需要全面對采煤機高可靠性機電液短程截割傳動系統進行全面的分析，只有這樣才能夠全面提高采煤機本身的性能。

2 采煤機機電液短程截割傳動系統的結構和控制策略

2.1 采煤機機電液短程截割傳動系統的結構

圖1 機電液短程傳動系統的結構

圖2 機電液短程傳動系統液壓原理

圖1 是最基本的采煤機截割傳動系統圖，圖2是液壓系統內部的原理圖。一般而言，截割電機主要是三相異步交流電機，并采用電子壓力切斷的方式來控制變量泵出量的大小。內部的減速器主要由3個小齒輪、1 個大齒輪和1 個大齒輪合并外嚙合人字齒輪行星傳動系統組成。截割電機首先需要在操作的過程中先增加速度，再通過驅動變量泵組來有效地驅動定量的馬達。把信息輸入馬達組之后，通過行星輪帶動滾輪開始轉動。

2.2 具體控制策略

具體操作方式如下：先需要在采煤機電控箱內部放入控制器，之后再輸入截割電機的電流，以便能夠更好地牽引出內部的電流和滾筒的轉速。最后，其輸出信號將會直接控制開關閥的狀態、泵的排量和牽引機構的速度。

另外，如果泵組或者馬達組中的某個元件失去功用時，那么這一元件就會在輸出信號控制下有效地斷開與液壓系統的聯系。此外，也需要有效地調整控制器在工作過程中的失效元件的功率比，從而更好地調整截割電流的給定值。只有這樣才能夠讓傳動系統本身更好地得以運行。例如，如果液壓馬達1失去效用，控制器就會通過信號來讓電磁閥得到電流，從而再改變插裝閥的工作狀態，液壓馬達的出油口就可以因此和油箱連接在一起，從而讓系統能夠更好地工作。

3 各類數學模型在機電液短程截割傳動系統中的運用

3.1 泵控馬達模型

本文主要是采用泵控馬達來替代傳統截割傳動過程中的長鏈齒輪傳動系統，只有這樣才能更加有效地實現短程傳動和滾筒調速。其中，泵控液壓馬達裝置的運用可以有效地實現無級調速，目前已經被廣泛運用于伺服系統的操作過程中。變量泵作為主要的控制元件和主要的能源動力，通過改變泵的排量來改變馬達傳輸的速度[2]。因此，通過對泵控馬達的動態數學模型進行深入分析顯得尤為重要。其中，變量泵流量方程如下：

式中：Dp為泵弧度的排放量；Kp為泵的排放梯度；φ為泵的調節角度和傾斜角度；Qp為泵輸出總流量；ωp為泵本身的角速度；Cip和Cep分別為泵內、外的泄漏系數，Ps為系統內部的工作壓力。

整個泵控馬達模型的動態特性都和阻尼比有著直接的關系。在整個二階系統發展的過程中，隨著阻尼比的增加，其諧振峰值將會有所減小，最終才能夠有緩沖和減振的效果。

3.2 蓄能器模型

蓄能器主要是為了緩沖減振和存儲的能量而存在的。如果采煤機因此出現突變的情況，截割傳動系統的受力狀況將會變得越來越惡劣。因此，一般只能夠通過蓄能器來緩沖和減振，以便更好地提高可靠性。本文是以氣體波義耳定律為基礎的，通過將壓縮氣體所產生的壓力轉化成氣體壓縮的能力，并存儲。只有通過選擇合適的充氣壓力和總容積，才能夠更好地發揮作用。

由于蓄能器進入油閥的直徑普遍較大，并不能真正達到減振的目的，所以，需要在蓄能器的入口處串聯節流閥。節流閥壓力-流量的方程如下：

式中：Q指的是蓄能器的進油流量；Cd為節流閥內部的流量系數；d為節流閥的等效通徑；Ps為節流閥的入口壓力；Pb指的則是蓄能器的油腔壓力。

4 各均勻煤層下滾筒變轉速截割

采煤機在切入煤層之后，大部分情況下，其截割阻抗將會保持不變。但是只有對截割滾筒的轉速進行全面調節才能使塊煤率有所提升。并在之后通過調節牽引速度使截割電機的效能達到最大。在額定工作功率下，整體牽引速度的調節也會被電機額定功率所限制。在實驗的過程中，可以讓其在軟煤層、中煤層和硬煤層的條件下輸入截割的轉速正弦信號，從而更好地模擬各個均勻煤層下，滾筒變轉速截割的狀態。

圖3 滾筒轉速跟蹤效果

從圖3 可以看出，煤層中的滾筒轉速將會對指令產生較好的跟蹤效果，也進一步說明系統本身有良好的調速性能。再結合下頁圖4—圖6 進行分析，采煤機在中硬煤層和硬煤層工作的過程中，其整體牽引的速度較低，因而牽引電機的功率也較小。牽引的速度勢必會受到截割電機功率的限制，并將截割電機的工作功率始終控制在300 kW 左右。從圖6 也可以看出，采煤機在三種不同的煤層下工作的過程中，其傳動系統的效率都會被控制在70%以上。

5 結語

針對現有滾筒采煤機截割的可靠性和適應性差的問題設計專業的機電液短程截割傳動系統，通過采用泵控馬達系統來全面實現傳動和滾筒的調速。通過建立泵控馬達系統、蓄能器和滾筒負載的數學模型，能夠更好地從理論上分析蓄能器的緩沖減振原理。

圖5 不同煤層下的截割阻力

圖6 不同煤層下的截割電機功率