采煤機負載突變工況下驅動系統的穩態特性研究

李亞賓

（中天合創煤炭分公司門克慶煤礦， 內蒙古 鄂爾多斯 017000）

引言

采煤機是煤礦井下“三機”中最重要的設備，其運行穩定性直接關系到煤礦井下的綜采作業效率和綜采作業的安全性。由于煤礦井下地質條件復雜，同一煤層不同區域的煤層硬度差異較大，導致在綜采作業時作用在采煤機截割機構上的截割阻力變化較大，頻繁出現負載突變的工況，使采煤機的驅動機構受到極大的振動、沖擊，嚴重影響了采煤機運行的穩定性[1]。為了提升采煤機在負載突變工況下驅動系統的運行穩定性，本文利用MATLAB 仿真分析軟件對采煤機在負載突變工況下的穩態特性進行研究，獲取了影響其運行穩定性的因素，為優化采煤機驅動系統結構，提升工作穩定性奠定基礎。

1 采煤機驅動系統動力學模型

本文以某型采煤機的驅動系統為分析對象，建立如圖1 所示的采煤機驅動系統動力學模型，其驅動系統主要包括進給驅動系統和截割驅動系統，采煤機在進行截割作業時通過驅動電機帶動驅動系統控制截割機構和進給機構的運行，實際工作的過程中采煤機截割作業時的截割阻力是由截割時的進給速度[2]和截割機構的轉速共同決定的，截割阻力的變化又反過來會對采煤機驅動系統工作時驅動系統的齒輪機構的嚙合沖擊和齒側間隙產生影響，進而影響采煤機運行時的穩態特性，因此在進行動力學分析時應充分考慮采煤機截割作業時的阻抗變化、驅動系統工作時輪齒嚙合沖擊及齒輪組的齒側間隙[3]的影響。根據采煤機在煤礦井下的實際工作，對其截割作業過程中的負載突變情況進行監測，表明采煤機以正常的進給速度（約為3.15 m/s）執行截割作業時的正常阻抗約為219 kN/m，最大截割阻抗約為347 kN/m，當采煤機遇到硬煤層時，其截割阻抗將在約0.4 s 內從正常水平上升到最大截割阻抗，因此在進行仿真分析時，結合實際監測結果，將激勵信號在0.4 s 內由正常水平上升到最大值，模擬采煤機截割作業時的載荷突變情況[2-3]。

圖1 采煤機驅動系統簡圖

2 采煤機負載突變工況下的仿真分析結果

本文以某型采煤機為對象，其結構驅動機構的電機額定功率為290 kW，進給驅動機構電機的額定功率為38 kW，截割驅動機構電機工作時的額定轉速約為1 140 r/min，進給驅動機構電機工作時的額定轉速約為2 220 r/min，截割驅動機構的傳動比約為46.7，進給驅動機構的傳動比約為351.2。

如下頁圖2 所示的仿真分析結果可知：當采煤機在負載突變的工況下截割驅動電機的工作電流從正常的189.44 A 增加到了突變工況下的286.30 A，電流的增幅達到了51.12%，進給驅動電機的工作電流從正常的68.4 A 增加到81.21 A，電流的增幅達到了12.81%。分析表明，當采煤機受到負載突變工況影響的情況下，采煤機截割驅動電機的負載增加量要大于采煤機進給電機的負載增加量，這主要是由于采煤機截割機構的負載變化直接受煤層截割阻抗的影響，而采煤機的進給機構所承擔的負載除了包含截割阻力外還有采煤機整個機身的重量，因此當負載發生突變時其抗負載干擾的能力較強。為了確保采煤機在工作過程中的穩態特性和經濟性，應重點加強采煤機截割機構的使用系數，增強其抗負載突變干擾的能力，提高其工作時的穩態特性。

圖2 負載突變情況下的電流變化曲線

3 采煤機的應用實踐

根據仿真分析結果，針對性地提高了采煤機的截割機構使用系數[4]，使其使用系數在原來的基礎上增加了1.5 倍，增強了采煤機的抗負載突變干擾能力，為了驗證該技術方案的準確性，本文在井下綜采作業面的MG450/100-WD 型采煤機的截割驅動電機和進給驅動電機的端蓋位置設置了一組加速度傳感器，同時對各驅動電機工作時的電流變化情況進行實時監測，采煤機井下實際應用現狀如圖3 所示。

對采煤機在截割作業過程中負載突變情況下各驅動電機的電流變化情況進行監測，在采煤機綜采作業過程中各驅動電流的變化曲線如圖4 所示。

由實際監測結果可知，優化后采煤機在實際運行過程中，當遇到載荷突變時，采煤機的截割驅動電機的電流由正常工作時的59 A 增加到76.4 A，增幅為25.5%，采煤機的進給驅動電機的電流由正常情況下的48.2 A 增加到53.6 A，增幅為11.2%，由此可見，優化后采煤機在負載突變工況下的穩態特性得到了明顯提高，目前該方案已在該礦得到了全面的推廣，極大提升了采煤機綜采作業的穩定性。

4 結論

根據優化后對采煤機運行情況的監測表明：

圖3 井下采煤機監測傳感器設置示意圖

圖4 采煤機負載突變時各驅動電機電流變化曲線

1）當采煤機受到負載突變工況影響的情況下，采煤機截割驅動電機的負載增加量要大于采煤機進給電機的負載增加量，為了確保采煤機在工作過程中的穩態特性和經濟性，應重點加強采煤機截割機構的使用系數，增強其抗負載突變干擾的能力，提高其工作時的穩態特性。

2）當采煤機在運行過程遇到載荷突變時，優化后的采煤機截割驅動電機的電流增幅顯著降低，由此可見優化后采煤機在負載突變工況下的穩態特性得到了明顯的提高。