不同軟啟動時間下重型刮板輸送機(jī)動態(tài)特性

李 隆, 崔紅偉, 廉自生, 王其良

(1.太原理工大學(xué)航空航天學(xué)院，太原 030024；2.浙江大學(xué)流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點實驗室，杭州 310027；3.太原理工大學(xué)煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，太原 030024)

刮板輸送機(jī)在啟動時多為帶載啟動，其啟動扭矩一般大于工作額定扭矩，通過可控啟動裝置液黏傳動軟啟動技術(shù)滿足重載工況的啟動要求，同時避免啟動過程中帶來的沖擊。在軟啟動過程中，刮板輸送機(jī)按照給定的速度曲線啟動，其啟動時間對液黏傳動軟啟動性能有重要影響[1-2]。因此，有必要對刮板輸送機(jī)和液黏離合器的軟啟動動態(tài)特性進(jìn)行研究，分析不同啟動速度下的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性影響規(guī)律，以獲得滿載工況下的最佳啟動時間和控制方案。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對刮板輸送機(jī)的啟動特性和液黏離合器啟動轉(zhuǎn)矩壓力特性等方面進(jìn)行研究。劉廣鵬等[3]基于ADAMS建立了刮板輸送機(jī)虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行了啟動、制動、額定和異常負(fù)載的動態(tài)特性分析。張東升等[4]、Zhang等[5]在滿載情況下，模擬了刮板輸送機(jī)在直接啟動、可控啟動、制動再啟動條件下的動態(tài)特性。Huang等[6]通過刮板輸送機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)分析，對動態(tài)特性進(jìn)行了測試。

廖湘平等[7]揭示了飛輪轉(zhuǎn)動慣量、油膜厚度控制曲線等因素對液黏調(diào)速離合器動態(tài)接合特性的影響規(guī)律。姚壽文等[8]基于AMESim構(gòu)建液黏調(diào)速離合器比例積分微分(proportion integration differentiation, PID)閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型，分析PID參數(shù)對輸出轉(zhuǎn)矩特性的影響。Meng等[9-10]研究了液黏傳動啟動過程中油膜承載能力、溫度和剪切轉(zhuǎn)矩的變化。通過試驗研究，揭示了工作油溫度、負(fù)載和啟動時間對液黏調(diào)速啟動特性的影響規(guī)律。Chen等[11]得出液黏傳動壓力曲線的非線性變化是導(dǎo)致啟動平穩(wěn)性差的主要原因。

通過AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真平臺建立可控啟動裝置仿真模型，研究刮板輸送機(jī)滿載工況下不同啟動時間對軟啟動性能的影響規(guī)律。通過分析刮板輸送機(jī)鏈輪動態(tài)特性和液黏離合器的壓力轉(zhuǎn)矩特性，確定滿載工況最佳軟啟動時間，為刮板輸送機(jī)軟啟動性能優(yōu)化研究提供了新的方法和理論依據(jù)。

1 刮板輸送機(jī)軟啟動轉(zhuǎn)矩模型

圖1 液黏傳動結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural sketch of hydro-viscous drive

可控啟動傳輸裝置是電動機(jī)和刮板輸送機(jī)中間傳動部分，由機(jī)械傳動、電液伺服控制、液黏離合器等部分組成。液黏離合器主要包括輸入端太陽輪、離合器內(nèi)外轂、行星架輸出、摩擦副、活塞和內(nèi)齒圈,如圖1所示。刮板輸送機(jī)軟啟動過程中，太陽輪與電機(jī)相連輸入恒定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，摩擦副對偶鋼片與機(jī)架固定連接，摩擦片與內(nèi)齒圈通過齒輪嚙合傳遞扭矩，行星架與刮板輸送機(jī)鏈輪剛性連接，通過行星輪系共同作用提供刮板輸送機(jī)輸出扭矩。

可控啟動裝置通過電液伺服閥調(diào)節(jié)控制環(huán)形油缸的油壓，推動活塞移動，以此來調(diào)節(jié)摩擦動片和對偶鋼片的間隙，改變油膜厚度，產(chǎn)生油膜剪切轉(zhuǎn)矩和粗糙接觸轉(zhuǎn)矩使內(nèi)齒圈制動,如圖2所示，從而達(dá)到改變內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的，使行星架獲得輸出轉(zhuǎn)矩，帶動刮板輸送機(jī)運(yùn)行。

圖2 離合器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of clutch structure

1.1 液黏離合器模型

1.1.1 液黏傳動轉(zhuǎn)矩模型

液黏離合器摩擦副制動轉(zhuǎn)矩由兩部分組成：油膜剪切轉(zhuǎn)矩Th和粗糙接觸轉(zhuǎn)矩Tc。因摩擦片表面開有油槽，定義有效面積系數(shù)ψ為非油槽面積與總面積之比，并充分考慮摩擦副接觸面積比B，則可控啟動裝置軟啟動過程中摩擦副產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩Tch的計算式為[12]

Tch=n(1-B)ψTh+nBψTc

(1)

(2)

(3)

式中：μ為潤滑油動力黏度，Pa·s；R1為摩擦副內(nèi)徑，m；R2為摩擦副外徑，m；ω為摩擦副動靜摩擦片滑差，rad/s；pc為摩擦副粗糙表面接觸時的壓力，N；n為摩擦副數(shù)；f為摩擦系數(shù)，f=0.13-0.008 lnω。

假設(shè)摩擦副表面粗糙度服從高斯概率分布[13]，則真實接觸面積與名義接觸面積之比：

(4)

式(4)中：η、R、σ*分別為粗糙表面的峰點密度、曲率半徑和峰頂高度的均方差；H為膜厚比。

1.1.2 離合器功率模型

液黏離合器工作過程中的滑動摩擦功率損失：

(5)

式(5)中：Δn為動靜摩擦片轉(zhuǎn)速差，r/min。

1.2 刮板輸送機(jī)模型

1.2.1 刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)矩模型

刮板輸送機(jī)所需轉(zhuǎn)矩可表示為

(6)

式(6)中：TL為刮板輸送機(jī)鏈輪轉(zhuǎn)矩，N·m；J為刮板輸送機(jī)等效轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ωL為刮板輸送機(jī)鏈輪角速度，rad/s；vL為刮板輸送機(jī)鏈條速度，m/s。

圖4 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of fuzzy PID controller

由行星傳動計算可知，液黏離合器Tch與刮板輸送機(jī)鏈輪轉(zhuǎn)矩TL的關(guān)系式為

(7)

式(7)中：k為行星排特征參數(shù)。

軟啟動過程中太陽輪角速度ωt變化可忽略不計，由此得出摩擦動片ω與鏈輪ωL角速度的關(guān)系為

(8)

1.2.2 鏈傳動系統(tǒng)沖擊度

鏈傳動系統(tǒng)中沖擊度主要是指刮板輸送機(jī)鏈輪由靜到動過程中角加速度的變化率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(9)

式(9)中：a為刮板輸送機(jī)鏈輪角加速度，m/s2。

2 可控啟動裝置系統(tǒng)仿真

2.1 系統(tǒng)仿真模型

AMESim可實現(xiàn)多物理場耦合仿真的功能，在液壓系統(tǒng)和機(jī)電液控制系統(tǒng)的動態(tài)特性模擬等方面得到廣泛應(yīng)用。利用AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真，建立可控啟動裝置系統(tǒng)模型如圖3所示。可控啟動裝置的液壓伺服系統(tǒng)的搭建運(yùn)用AMESim軟件完成，模糊PID控制器在MATLAB/Simulink中完成搭建。

圖3 可控啟動裝置仿真模型Fig.3 Simulation model of controllable starting transmission

在MATLAB/Simulink中搭建的模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示[14]，用S-Function模塊將AMESim中可控啟動裝置系統(tǒng)與Simulink完成的模糊PID控制器進(jìn)行聯(lián)合，完成機(jī)電液耦合仿真模型。

2.2 仿真參數(shù)的確定

可控啟動裝置液黏離合器通過閥控缸系統(tǒng)的輸出信號控制離合器壓力，產(chǎn)生液黏轉(zhuǎn)矩驅(qū)動負(fù)載運(yùn)行，實現(xiàn)刮板輸送機(jī)軟啟動；電液伺服控制系統(tǒng)中伺服閥按照MOOG系列中D631的參數(shù)進(jìn)行模型搭建；刮板輸送機(jī)采用集中質(zhì)量模型模擬煤料和刮板組件負(fù)載，通過設(shè)定摩擦系數(shù)模擬運(yùn)行阻力。控制系統(tǒng)中采用轉(zhuǎn)速反饋模糊PID閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，輸入信號為給定的S型啟動曲線，通過比較鏈輪轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速差，利用模糊PID控制器將滑差信號轉(zhuǎn)換為電流信號，控制伺服閥閥芯位移，給系統(tǒng)提供壓力，進(jìn)而使離合器傳遞轉(zhuǎn)矩。

刮板輸送機(jī)液黏離合器、齒輪傳動系統(tǒng)和負(fù)載相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

3 結(jié)果分析

由轉(zhuǎn)矩模型分析可知，在刮板輸送機(jī)軟啟動過程中液黏離合器輸出轉(zhuǎn)矩主要受刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的影響。在滿載工況下，刮板輸送機(jī)可控啟動裝置軟啟動時間直接影響鏈傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性，因此，有必要分析不同啟動速度下刮板輸送機(jī)鏈輪動態(tài)特性和液黏傳動轉(zhuǎn)矩壓力特性的影響規(guī)律，獲得最佳的啟動時間。

刮板輸送機(jī)軟啟動過程中，0～3 s為電機(jī)空載啟動，3～13 s為緊鏈和預(yù)啟動過程，13 s后為加速啟動過程。分別設(shè)置預(yù)啟動后加速啟動時間為1、3、5、7、9 s,如圖5所示，分析滿載工況下的啟動動態(tài)特性，從電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性、離合器壓力特性、負(fù)載沖擊度和功率損失等方面進(jìn)行比較，研究刮板輸送機(jī)滿載工況最佳的啟動時間。

圖5 不同啟動時間下刮板輸送機(jī)鏈條轉(zhuǎn)速Fig.5 Chain speed of scraper conveyor at different soft start-up time

3.1 軟啟動負(fù)載特性

刮板輸送機(jī)軟啟動通過可控啟動裝置將驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞給鏈輪，給定不同速度的啟動曲線，分析驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性和鏈輪的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，研究啟動時間對系統(tǒng)沖擊度的影響規(guī)律。

圖6所示為軟啟動過程驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線。0～3 s時間電機(jī)啟動完成；3～13 s預(yù)啟動過程中，電機(jī)輸出穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩；正式啟動過程中，隨著啟動時間的變化，輸出轉(zhuǎn)矩開始波動。隨著啟動時間的增大，轉(zhuǎn)矩波動減小。

圖7和圖8分別為軟啟動過程刮板輸送機(jī)鏈輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速曲線。電機(jī)空載啟動階段，離合器無壓力，鏈輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩為0。隨著離合器壓力的升高，鏈輪轉(zhuǎn)速增加，鏈輪達(dá)到恒定預(yù)啟動轉(zhuǎn)速，刮板輸送機(jī)克服靜摩擦力，輸出穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩完成預(yù)啟動。正式啟動過程中，隨著啟動時間的不同，鏈輪轉(zhuǎn)速分別以不同的速度達(dá)到滿速狀態(tài)。

圖6 驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨時間的變化Fig.6 Variation of driving motor torque with time

圖7 鏈輪轉(zhuǎn)矩隨時間的變化Fig.7 Variation of sprocket torque with time

圖8 鏈輪轉(zhuǎn)速隨時間的變化Fig.8 Variation of sprocket speed with time

由轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線可知：1 s啟動后轉(zhuǎn)速處于不穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩上下波動嚴(yán)重，不能滿足轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定；3 s和5 s啟動時，鏈輪轉(zhuǎn)速有不同程度的波動，最后都趨于穩(wěn)定值，同時二者轉(zhuǎn)矩均有超調(diào)，轉(zhuǎn)矩分別在10 s和7 s后趨于穩(wěn)定；7 s和9 s啟動時，鏈輪轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩的變化主要是克服負(fù)載慣性力矩，最終輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定。

3.2 液黏離合器特性

電液伺服閥為可控啟動裝置油缸提供壓力，減小液黏離合器摩擦副間隙和滑差，通過液黏轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩共同作用于行星傳動內(nèi)齒圈，為刮板輸送機(jī)鏈輪提供扭矩。

圖9和圖10所示分別為軟啟動過程液黏離合器壓力和滑差特性曲線。電機(jī)空載啟動階段，離合器無壓力，隨著輸入電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，摩擦副滑差增大。預(yù)啟動階段離合器壓力逐漸升高，在3～4 s階段克服離合器復(fù)位彈簧和潤滑油壓力，4 s之后滑差減小，開始刮板輸送機(jī)預(yù)啟動階段。在11 s時，鏈傳動鏈條被拉緊，為了克服刮板輸送機(jī)靜摩擦力矩，壓力出現(xiàn)峰值，達(dá)到負(fù)載啟動力矩。

正式啟動階段，1 s啟動的離合器壓力值突變，產(chǎn)生振蕩，滑差迅速減小，壓力和轉(zhuǎn)速一直處于波動狀態(tài)。3 s和5 s啟動時離合器壓力出現(xiàn)最高點，克服刮板輸送機(jī)啟動慣性力矩，壓力和滑差最后均趨于穩(wěn)定狀態(tài)。7 s和9 s啟動時，離合器滑差無波動，壓力值均為先增加后減小，最后達(dá)到穩(wěn)定。

圖9 離合器壓力隨時間的變化Fig.9 Variation of clutch pressure with time

圖10 離合器滑差隨時間的變化Fig.10 Variation of clutch sliding speed difference with time

3.3 沖擊度和滑摩功

刮板輸送機(jī)鏈傳動系統(tǒng)鏈輪轉(zhuǎn)矩的變化引起鏈輪角加速度變化，進(jìn)而對傳動系統(tǒng)沖擊度產(chǎn)生影響。不同的啟動速度下，鏈輪角加速度變化曲線如圖11所示。1 s和3 s啟動時產(chǎn)生的最大沖擊度達(dá)到5 rad/s3和3 rad/s3，對鏈傳動系統(tǒng)沖擊影響較大，容易發(fā)生斷鏈?zhǔn)鹿省ｋS著啟動時間的增加，沖擊度依次減小，使鏈輪轉(zhuǎn)速平穩(wěn)增加。

液黏離合器摩擦副在結(jié)合的過程中產(chǎn)生滑摩功，其功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量，通過潤滑油對摩擦副進(jìn)行散熱。滑摩功隨啟動時間變化曲線如圖12所示。隨著啟動時間的增大，摩擦副滑摩時間增加，滑動摩擦產(chǎn)生熱量增大，使工作油和紙基摩擦片溫度升高，影響液黏離合器輸出轉(zhuǎn)矩。

圖11 鏈輪角加速度隨時間的變化Fig.11 Variation of sprocket angular acceleration with time

圖12 摩擦副滑摩功Fig.12 Sliding power of friction pairs

根據(jù)鏈傳動系統(tǒng)沖擊度和離合器功率損耗分析可知，刮板輸送機(jī)軟啟動時間越長，鏈輪轉(zhuǎn)速上升更加平穩(wěn)，傳動系統(tǒng)沖擊度減小；但是摩擦片打滑時間長，摩擦引起功率損失較大，溫升較高。因此，確定重載工況下預(yù)啟動后啟動時間為5 s、總啟動時間為18 s時，可滿足液黏離合器和刮板輸送機(jī)的工作要求，達(dá)到刮板輸送機(jī)高效、快速和平穩(wěn)啟動的目的。

4 結(jié)論

以刮板輸送機(jī)液黏傳動為研究對象，建立了刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)矩模型，利用AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真，建立了刮板輸送機(jī)機(jī)電液耦合系統(tǒng)物理仿真模型，對重載工況下軟啟動時間進(jìn)行分析，研究不同啟動時間對液黏離合器和鏈傳動系統(tǒng)的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下。

(1)刮板輸送機(jī)軟啟動時間從小到大變化時，鏈輪沖擊度依次減小，液黏離合器所需的壓力和輸出最大轉(zhuǎn)矩減小，滑摩功增加，溫度升高。

(2)在1 s啟動時鏈輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩和離合器壓力產(chǎn)生振蕩，而啟動時間為7 s和9 s時，摩擦引起功率損失增大，影響液黏離合器輸出轉(zhuǎn)矩。

(3)滿載工況下軟啟動時間為5 s時，傳動系統(tǒng)沖擊度小且液黏離合器轉(zhuǎn)矩利用率高，增強(qiáng)刮板輸送機(jī)液黏傳動啟動性能。

(4)利用MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真構(gòu)建刮板輸送機(jī)多物理仿真模型，可以真實模擬可控啟動裝置的性能指標(biāo)和動態(tài)特性，為研究軟啟動控制特性提供一種有效方法。