采煤機截割部行星架固有特性的分析

張 偉

（西山煤電杜兒坪煤礦， 山西 太原 030022）

引言

綜采工作面設備均為大功率設備，具有較大的轉動慣量，在啟動時尤其是帶負載啟動時會遇到一定的困難。據統計表明，工程中絕大多數的設備損壞和影響設備使用壽命的因素是由于啟動沖擊這一原因造成的。因此，解決由啟動沖擊造成損害的有效方法就是采用軟啟動技術。目前有效的軟啟動技術主要包括有：差動輪系調速、變頻調速以及液力調速三種裝置技術。差動輪系由于具有質量小、承載能力大和傳動比大等優越的性能在機械設備中的應用廣泛。

采煤機作為綜采工作面的關鍵設備，在相對復雜的煤層條件下工作時其傳動系統的可靠性和啟動性能決定著工作面的安全、高效生產。本文將對采煤機截割部差動輪系中的行星架進行分析，尤其對其在啟動過程中的調速性能進行分析。

1 差動輪系概述

為解決原動機速度的單一性與工作機速度多樣性之間的矛盾，往往需要各種調速裝置來解決這一問題。其中齒輪調速裝置已經廣泛應用于各種工業環境。由一系列齒輪所構成的傳動系統稱為輪系。

根據輪系運轉過程中各齒輪軸線的空間位置是否確定，一般將輪系分為定軸輪系和周轉輪系[1-2]。周轉輪系中按照自由度數目的不同又可分為周轉輪系和行星輪系，見圖1。

差動輪系是周轉輪系的一種，差動輪系和定軸輪系的主要區別在于差動輪系多了一個行星架，因此差動輪系傳動比的計算就不能按照定軸輪系傳動比的計算公式計算。但是，根據相對運動的原理，可以將差動輪系轉化成定軸輪系，從而求出差動輪系的傳動比。

圖1 周轉輪系

2 采煤機截割部差動輪系調速系統的設計

為實現采煤機截割部能夠根據工作面煤層條件實現無級調速[3]。對比分析變頻調速和液力耦合調速的優劣特性，鑒于采煤機功率截割部功率較大且對調速性能要求較高，采煤機截割調速系統采用差動輪系調速。

差動輪系調速系統簡圖如圖2所示。

圖2 差動輪系調速系統簡圖

如圖2所示，系統主要有以下幾個環節構成：差動周轉輪系、伺服電機、轉速傳感器以及上位機和運動卡[4]。當系統工作時，由轉速傳感器采集輸出端軸的轉速上傳到上位機中，通過PID算法控制運動控制卡，從而達到控制輸出端轉速的目的。當行星架的所需的輸出力太大或者所需啟動的設備慣性太大難以啟動時，系統就會控制差動周轉輪系的齒圈轉動速度，增加輸出扭矩，從而滿足生產要求。

3 差動輪系調速系統關鍵機械結構模型的建立

差動輪系調速系統的主要機械結構為差動輪系，差動輪系是周轉輪系的一種，與行星輪系不同，差動輪系的自由度為2。

差動輪系是自由度為2的周轉輪系，主要由太陽輪、行星輪、行星架、轉臂和連桿這幾部分組成[5]。太陽輪是繞著固定的軸線轉動；行星輪一方面圍繞著自己的軸線轉動，另一方面圍繞著固定的軸線轉動，和行星的轉動一樣。在一般情況下，差動輪系的太陽輪和行星架一般為輪系的輸入和輸出構件。將差動輪系的幾個主要部件在UG中建模，差動輪系的系統簡圖如圖3所示。差動輪系調速系統的調速齒圈的模型如圖4所示。差動輪系中的行星齒輪架的模型如圖5所示。

圖3 差動輪系三維模型

圖4 調速齒圈三維模型

圖5 行星架三維模型

4 差動輪系行星架固有特性的分析

4.1 差動輪系行星架的模態分析

所謂模態是指線性系統在自由振動時結構所具有的基本振動特性，即不考慮阻尼影響下求解所研究對象的固有頻率。行星架作為差動輪系調速系統的關鍵零件，分析該零件不同頻率下的振動特性是相當重要的。利用有限元法建立差動輪系系統中行星架的有限元模型，以有限元模態分析理論為基礎，對差動輪系的行星架進行有限元分析。鑒于文章篇幅有限，本文將不在此列出行星架的模態分析結果。

通過分析行星架不同頻率下的模態振型，可以得出：隨著行星架模態階數的不斷增大，行星架的固有頻率也在不斷增大。但是，從振型可以看出由轉動速度引起的激勵頻率遠低于低階的固有頻率。因此，該差動輪系在工作中不會出現共振的現象，系統能夠穩定運行。

4.2 調速系統行星架受力分析

將UG中建立的差動輪系的模型成功導入到ADAMS中，并在ADAMS中對差動輪系各個部件添加了運動副，設置各個部件的運動參數，對差動輪系的加速和減速兩個性能進行仿真分析。

4.2.1 行星架加速過程受力分析

在不考慮PID控制的情況下，仿真分析系統在10 s、20 s、25 s、30 s內實現行星架輸出速度為從 0增大60 r/min左右時各個部件的運動情況。仿真結果如圖6所示。

圖6 加速過程行星架受力情況

由以上的仿真結果可以得出：在10 s內迅速完成加速運動，行星架所受扭矩達到了1.5×108N·m，在此扭矩下會對齒輪造成損壞，所以在此時間段內進行加速是不合理的；在30 s內迅速完成加速運動，行星架扭矩達到了7.4×107N·m。因此，隨著加速階段時間的增加，其最大峰值扭矩才會明顯下降。所以為保險起見，系統的加速時間段應大于30 s。

4.2.2 行星架減速過程受力分析

在不考慮PID控制的情況下，仿真分析系統在10 s、20 s、25 s、30 s內實現行星架輸出速度為從 60 r/min減速到0時各個部件的運動情況。仿真結果如圖7所示。

由以上的仿真結果可以得出：在25 s內迅速完成減速運動，行星架扭矩1.10×108N·m，在此扭矩下會對齒輪造成損壞，所以在此時間段內進行減速是不合理的；在30 s內迅速完成減速運動，行星架扭矩達到了4.61×107N·m。因此，隨著減速階段時間的增加，其最大峰值扭矩有比較明顯的下降，并且行星輪的速度波動會減小。所以為保險起見，系統的減速時間段應大于30 s。

圖7 減速過程行星架受力情況

5 結論

經本文對采煤機截割部差動輪系調速系統中行星架的模態分析和調速過程中受力分析得出：差動輪系在動作過程中不會出現共振現象；采煤機的截割部的加速和減速時間均應大于30 s。