混合動力系統在掘進機中的應用設計

呂奇峰

（山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司， 山西 晉中 045300）

引言

對我國能源類型及儲量來看，煤炭在未來很長一段時間內將占據我國能源結構的主導地位。從大方面來看，煤炭生產包括掘進工作面的掘進和綜采工作面煤炭開采兩大內容。其中，懸臂式掘進機作為掘進工作面的主要設備，由于我國煤層埋藏情況相對復雜，在實際掘進過程中由于煤層、巖層不確定性，導致掘進機突變工況增多，以往的傳動系統對重載突變工況下的沖擊吸收有限，從而造成對掘進機零部件的損壞，降低設備的使用壽命；此外，目前掘進機設備配置的電機類型為雙功率雙速水冷電機，該電機功率大，在實際生產中僅遇到軟質煤巖時大功率才得以利用，而在普通工況下容易造成能源浪費[1]。因此，需結合當前掘進機的液壓系統設計混合動力傳動系統，以提高掘進機適應突變工況的能力。

1 掘進機混合動力系統的設計

1.1 傳動方案的設計思路

一套掘進機系統主要包含有行駛系統、截割系統以及調高系統等多個系統，在實際生產中各個分系統的動力均是相對獨立的。在實際生產中行駛系統、截割系統之間存在一定的間隙。因此，可將行駛系統的動力源供向截割系統，一方面可提高行駛系統動力源的利用率，另一面可以減少截割電機的負荷[2]。為此設計如圖1 所示的傳動方案。

圖1-1 的傳動方案思路為行駛系統和截割系統的動力源分別通過一級行星減速器實現轉速的耦合，將動力傳送至截割頭；圖1-2 傳動方案思路為行駛系統和截割系統通過普通轉速器實現轉矩耦合，然后通過二級行星齒輪減速器將動力傳送至截割頭。基于圖1-1 傳動方案思路實現對截割頭的變轉速控制；基于圖1-2 傳動方案思路確保截割頭能夠在額定工作點運行，能夠間接提高掘進機的使用壽命。

圖1 優化傳動方案思路

1.2 傳動方案的選型

基于圖1-1 傳動方案思路雖然在扭矩上能夠滿足實際生產的需求，但是此種傳動方案的傳動較大，在同等截割頭轉速下液壓馬達的轉速較低，無法充分發揮液壓馬達的工作效率。而對于圖1-2 方案思路而言，此傳動方式是基于轉矩耦合機構實現的，當設備遇到軟煤層時可控制截割頭處于低轉矩狀態下工作；當設備遇到硬煤層時可控制截割頭處于高轉矩、低轉速狀態下工作，能夠滿足實際掘進中煤巖層情況復雜的特點[3]。

綜上所述，選擇圖1-2 傳動方案思路，基于該傳動思路設計如下頁圖2 所示的傳動方案。

2 混合動力系統截割部參數的設計

2.1 液壓系統參數的確定

本文所設計的傳動系統的載體為EBZ260 掘進機，基于該型號掘進機對1.2 所設計的混合動力傳動系統中的液壓馬達和蓄能器兩大關鍵液壓元件進行選型設計。

基于EBZ260 型掘進機的額定工作壓力以及其他相關參數得出，當液壓馬達的效率保持在90%以上時，應將馬達的轉速控制在600～1 600 r/min 左右。綜合考慮馬達排量與成本及工作壓力等因素，設定馬達的轉速為1 500 r/min。根據式（1）計算得出馬達的排量：

圖2 傳動方案

式中：P為馬達的輸入功率，取2×35 kW；p1為馬達的輸入壓力，取260 MPa；n為馬達的轉速，取1 500 r/min。經計算得出，馬達的排量為107 mL/r。經調研可選馬達的型號為力士樂A2FM系列。

2.2 機械系統參數的確定

轉矩耦合齒輪作為混合動力傳動系統的關鍵機械系統，該齒輪的參數計算如下：所設計的混合動力傳動系統是基于轉矩耦合的思路實現的。根據液壓馬達的轉速為1 500 r/min，掘進機截割電機的轉速為990 r/min，得出轉矩耦合齒輪的傳動比為1 500/990=1.5。經計算得出轉矩耦合齒輪的關鍵參數如表1 所示。

表1 轉矩耦合齒輪參數

3 混合動力系統性能的分析

本文所設計的混合動力系統主要應用掘進機解決其在重載荷突變的情況下對系統本身造成沖擊，進而降低掘進機設備的使用壽命[4]。故，本節將基于AMESim 軟件對所設計的混合動力系統吸收沖擊載荷的性能進行仿真研究。

為得到準確的仿真結果，本文采用AMESim 和MATLAB 軟件聯合對混合動力系統在煤巖突變的情況下的性能進行研究，設定在仿真時間為4 s 時，巖層的硬度由10 突變為12[5]。設定掘進機截割頭的轉速為34.8 r/min，掘進機升降油缸的推進速度為2.19 r/min，水平回轉油缸的推進速度為2.19 r/min，設定仿真市場為10 s。

3.1 截割頭轉速變化

掘進機遇到煤巖突變情況時，掘進機截割頭轉速的變化情況如圖3 所示。

圖3 截割頭轉速的變化情況

如圖3 所示，當仿真時間為4 s 時，煤巖硬度發生突變，截割頭的轉速在同時刻發生突變，且波動范圍維持在34～35.6 r/min 之間，并在大約1 s 后截割頭轉速恢復正常。

3.2 液壓馬達與電機扭矩變化情況

掘進機遇到煤巖突變情況時，液壓馬達與電機扭矩變化情況如圖4 所示。

圖4 液壓馬達與截割電機扭矩變化情況

如圖4 所示，當掘進機在掘進過程中煤巖硬度發生突變時，截割電機和液壓馬達的輸出扭矩在4 s時發生突變。其中，截割電機的輸出扭矩在突變1 s后逐漸趨于穩定，并最終保持與在1 850 N·m；液壓馬達的輸出扭矩在煤巖突變后瞬間趨于穩定，并最終由突變前的200 N·m 增大為500 N·m。

綜上所述，當掘進機在掘進過程中截割頭所遇煤巖硬度發生突變時，截割電機的輸出扭矩及截割頭的輸出轉速維持在原有功率及轉速下運行。

4 結語

懸臂式掘進機作為巷道掘進的主要設備，在實際掘進過程中存在煤巖硬度突變的情況，導致重載荷突變進而對掘進機截割頭造成沖擊，進而對其余部件造成沖擊，影響掘進機的使用壽命。為此，本文基于扭矩耦合系統設計的混合動力系統，并基于AMESim 和MATLAB 軟件對其性能進行仿真分析得出：掘進機的混合動力系統能夠解決其在重載荷突變的工況下保持恒功率的運行狀態，減小對系統造成的沖擊。