刮板輸送機永磁電機半直驅動傳動系統(tǒng)機電耦合模型研究

賈小軍

（山西西山礦業(yè)管理有限公司，山西 太原 030053）

引言

刮板輸送機作為煤礦綜采工作面重要的運輸設備，其性能的好壞直接影響綜采工作面的采掘效率，針對傳統(tǒng)驅動方式的刮板輸送機調(diào)控精度差、扭矩低、運輸效率低，且易發(fā)生故障的問題，本文設計了永磁電機半直驅作為刮板輸送機的驅動裝置，通過對運行負載信號的監(jiān)測，動態(tài)精準且可調(diào)控，有效提高了綜采工作面的工作效率。

1 刮板輸送機機電耦合模型的構建

刮板輸送機永磁電機半直驅動系統(tǒng)是將電磁力、傳動力和摩擦力相互耦合的復雜驅動系統(tǒng)，變頻驅動刮板輸送機主要是通過變頻器控制鏈輪的驅動力，實現(xiàn)對輸送機運行速度的調(diào)控，永磁電機半直驅動系統(tǒng)則是根據(jù)輸送機負載狀態(tài)，通過負載信號實現(xiàn)對電機的矢量控制，閉環(huán)控制的過程中實現(xiàn)了機械能和電磁能之間的轉化。針對機電耦合狀態(tài)，眾多學者針對負載調(diào)控進行了研究，但對于機電耦合系統(tǒng)的研究卻頗少[1-2]。

永磁電機半直驅動系統(tǒng)由電機、齒輪和刮板輸送機構成。其中，電機產(chǎn)生的電磁力、齒輪產(chǎn)生的傳動力以及管板輸送機運行過程中產(chǎn)生的摩擦力之間相互耦合構成了半直驅動系統(tǒng)[3]。本文以刮板輸送機為主，對系統(tǒng)機電模型進行分析研究。

不同于傳統(tǒng)的電機，永磁電機磁場的產(chǎn)生主要依賴于永磁體，輸入的三相電流經(jīng)過定子繞組形成了磁場，磁場的形成將電能轉化為磁場勢能，同時實現(xiàn)了電機轉子的同步運動。

為了簡化刮板輸送機機電耦合模型，將電機軸和齒輪傳動軸設計為一個整體，刮板輸送機機電耦合模型圖如圖1所示。其中，ωe為電機轉子的角速度；ω'e為經(jīng)過齒輪的傳速，電機轉子的輸出角速度；kw，cw分別為輸送機的剛度系數(shù)以及阻尼系數(shù)；ω'm為機械傳動角速度。

2 永磁電機半直驅模擬應用分析

永磁電機半直驅動系統(tǒng)主要由：電機系統(tǒng)與刮板輸送機系統(tǒng)組成。圖2為永磁電機半直驅電機系統(tǒng)圖，在系統(tǒng)圖中，選用TYVZ-3800-280M-16型的永磁電機，電機的額定功率為37 kW，額定電流為73.2 A，額定電壓為380 V，定子電阻為0.136Ω，反電勢常數(shù)為1 060 V，轉動慣量為1.98 kg·m2。為了更加真實地反映刮板輸送機運行過程中載荷的波動，利用磁粉式測功機系統(tǒng)模擬輸送機載荷波動狀況。為了充分研究不同工況下系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對空載運行、穩(wěn)定承載運行和隨機承載運行狀態(tài)進行研究。

圖2 永磁電機半直驅電機系統(tǒng)圖

2.1 空載運行工況研究

刮板輸送機空載運行狀態(tài)下系統(tǒng)工況曲線圖如下頁圖3所示。由圖3-1分析可知，在空載運行狀態(tài)下，電機在運行初期轉矩最大達到1.09×104N·m，隨后開始快速降低，在運行約2 s左右，轉矩值穩(wěn)定在0.34×104N·m，分析其原因，為了克服鏈條及刮板的工作阻力，電機產(chǎn)生電磁轉矩，而在電機運行初期，會產(chǎn)生較大的電流，在電流的驅動作用下，電磁轉矩產(chǎn)生，且電磁轉矩的波動與電流波動規(guī)律一致。從圖3-2可以看出，在電機啟動初期，依靠鏈輪鏈條的嚙合作用進行運行，因此鏈輪鏈條嚙合處速度最大，在嚙合傳遞的作用下，距離電機較遠的位置（如圖3-2中x=250 m）速度最低，且承載段和非承載段速度變化趨勢相同。但是不同關鍵段內(nèi)速度變化趨勢有差別，在靠近機頭（x=100m）機尾（x=250m）處速度波動較大，但是在電機啟動2 s左右的時間，速度值最終穩(wěn)定在1.8 m/s左右，在電機啟動的短時間內(nèi)，承載段和非承載段加速度會出現(xiàn)波動的狀況，一定張緊力的皮帶在運行過程中會受到?jīng)_擊力作用，使得鏈條速度加快。根據(jù)速度—時間公式計算得到加速度，此時加速度值最大，達到24.25 m2/s，這一現(xiàn)象在機頭機尾兩側最為明顯。隨著空載運行的持續(xù)進行，沖擊力作用逐漸減小，因此加速度值也隨之減小，在2 s左右后，加速度值較為穩(wěn)定，值為0。

圖3 空載運行狀態(tài)下系統(tǒng)工況曲線

2.2 穩(wěn)定承載運行工況研究

在空載運行3 s后，系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行階段，由圖4-1可知，在穩(wěn)定運行階段前3 s內(nèi)，電機速度有一定范圍的波動，3 s后速度逐漸趨于穩(wěn)定。對兩臺電機的轉速進行測試，發(fā)現(xiàn)n1、n2變化趨勢相同，但是n1的變化幅度大于n2，在2 s左右達到755 r/min，在120 s后穩(wěn)定在750 r/min左右。從圖4-2可以看出，在穩(wěn)定承載階段，輸送機的運行速度經(jīng)過兩次大的波動，兩次波動有差異，第一次波動輸送機承載段和非承載段都有明顯的波動，第二次波動非承載段現(xiàn)象大于承載段的波動，分析其原因為在輸送機運行過程中，鏈條受到?jīng)_擊力作用，此沖擊力會被鏈條以及運輸物料吸收，造成了承載段與非承載段張力的差距，關鍵段內(nèi)電機波動的最大速度為3.6 m/s，在運行15 s后穩(wěn)定在1.8 m/s左右。從速度曲線可以看出，在運行的前1 s時和4 s時，因為鏈條鏈輪的嚙合作用，鏈條運行速度波動較大，12 s左右時間開始逐漸穩(wěn)定，在15 s時完全穩(wěn)定下來。

圖4 穩(wěn)定承載運行狀態(tài)下系統(tǒng)工況曲線

2.3 隨機承載運行工況研究

刮板輸送機隨機承載運行狀態(tài)下系統(tǒng)工況曲線如下頁圖5所示。由圖5-1可知，在隨機承載階段，電機轉速沒有大范圍的波動，20 s左右受到載荷作用，電機轉速開始出現(xiàn)波動，且持續(xù)一段時間，分析其原因，在長距離長時間的運輸過程中，刮板輸送機上的物料會出現(xiàn)堆積，隨著堆積物的增加，電機運行速度也會出現(xiàn)波動，機頭電機波動范圍大于機尾電機波動范圍。從圖5-2可以看出，在20 s開始，隨著負載的增加，鏈條運行速度開始波動，處于承載段的鏈條速度呈現(xiàn)下降的趨勢，非承載段的鏈條速度則呈現(xiàn)增大的趨勢。23 s時，鏈條運行速度達到最大，值為2.8 m/s，在刮板輸送機長距離運輸?shù)臈l件下，鏈條速度的增加對鏈條沖擊較大，離刮板輸送機端頭550 m的位置，速度波動較為平緩，在250 m的位置，速度波動最大。根據(jù)速度曲線分析鏈條運行過程中加速度的變化，當刮板輸送機鏈條運行速度波動較大時，鏈條的加速度會出現(xiàn)明顯波動。離刮板輸送機端頭550 m的位置計算得出加速度值，其數(shù)值接近0，在250 m的位置，加速度波動最大。

圖5 隨機承載運行狀態(tài)下系統(tǒng)工況曲線

從不同工況下系統(tǒng)的運行狀態(tài)分析可以看出，無論刮板輸送機處于何種工況，永磁電機半直驅電機都有良好的動態(tài)響應，且可以根據(jù)負載信號的不同進行自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后電機及鏈條運行速度有波動，但是減少了傳統(tǒng)刮板輸送機大轉速小運輸?shù)膯栴}，由此可見，永磁電機半直驅刮板輸送機具有良好的動態(tài)響應，有效提升了刮板輸送機的運行穩(wěn)定性。

3 結論

基于永磁電機半直驅刮板輸送機系統(tǒng)機電耦合動態(tài)特性研究，對空載運行、穩(wěn)定承載運行和隨機承載三種運行工況進行模擬分析。實驗證明，永磁電機半直驅電機在復雜工況下可根據(jù)負載信號迅速做出動態(tài)響應，降低設備的故障率，提高刮板輸送機的調(diào)控精度和運行可靠性，可大幅提升綜采工作面的采掘工作效率。