基于MATLAB的刮板輸送機軟啟動仿真研究

朱文清

（潞安集團五陽煤礦，山西 長治 046205）

刮板輸送機是煤礦井下綜采作業的核心設備。隨著井下綜采作業效率的不斷提升，對刮板輸送機功率的需求越來越大，重型刮板輸送機在工作時的啟動主要是通過驅動電機、液力耦合器、減速器等共同組成的軟啟動系統來實現柔性啟動，但其在啟動過程中仍然存在著滿載工況或者帶負載啟動時振動沖擊大，對鏈條傳動系統造成了嚴重的影響，導致鏈條斷裂、輪齒受力變形等；同時啟動時的電流沖擊極大，嚴重影響了煤礦井下供電系統的供電安全性，給刮板輸送機的安全運行造成了極大的隱患。因此，迫切需要對刮板輸送機的軟啟動過程進行仿真分析，探索各裝置對其軟啟動特性的影響，為優化刮板輸送機軟啟動系統、提升啟動過程穩定性提供依據。本文采用了先構建傳動系統動力學模型然后利用MATLAB 仿真分析軟件進行仿真的方案對其啟動特性進行研究，具有較強的應用參考價值。

1 傳動系統動力學模型的建立

為了對刮板輸送機傳動系統構建適宜的動力學分析模型，本文采用隔離分析法分別構建傳動系統各結構的動力學模型，刮板輸送機傳動系統的動力學模型結構見圖1[1]。

圖1 刮板輸送機傳動系統動力學結構

刮板輸送機驅動電機的動力學模型在建立時可采用適當化簡的方案，以一條直線來表征其工作時的機械特性，即：

式中：Td為刮板輸送機驅動電機工作時的實際輸出力矩；Te為驅動電機的額定輸出力矩；vd為驅動電機工作時的實際轉速；v0為驅動電機的同步輸出轉速；ve為驅動電機的額定輸出轉速。

假設刮板輸送機的液力耦合器在工作時不存在特性跌落，因此可利用該特性構造出一個與液力耦合器的工作外特性曲線符合的分析函數，以此構造的分析函數為基礎，來對刮板輸送機液力耦合器工作時的特性進行研究。液力耦合器在充液過程中的特性方程可表示為[2]：

式中：Tc為液力耦合器的傳遞力矩；μ，δ 為常數，本文取μ=2.5，δ=8.72；ρ 為液力耦合器的實際充液量；ρ0為液力耦合器的理論充液量；Vc為液力耦合器泵輪的理論轉速；Vw為液力耦合器泵輪的實際輸出轉速，j 為減速器的傳動比，j=Vw/Vd。

鏈傳動系統是刮板輸送機的動力源，刮板輸送機在啟動的時候鏈條只承受拉力，為了確保鏈傳動系統的正常運行，需要對鏈條進行一定的預緊，確保在啟動過程中不會出現過大的松弛。因此在對鏈傳動系統進行分析時可假設鏈傳動為線性結構，其工作時的彈性振動可用波動方程進行表述，因此本文結合實際分析，采用有限段單元法對刮板輸送機系統的鏈傳動模型進行分析，其鏈傳動系統的動力學微分方程可表示為[3]：

式中：M 為各質量單元構成的質量矩陣；C 為各質量單元阻尼所構成的阻尼矩陣；K 為各質量單元剛度所構成的剛度矩陣；FX為各質量單元在外力下構成的列陣；X"為系統的加速度陣列；X′為系統的速度陣列；X 為系統的位移陣列。

2 MATLAB仿真分析研究

利用MATLAB 仿真分析軟件[4]創立刮板輸送機驅動系統的數學仿真分析模型。由于刮板輸送機在啟動過程中需要較大的啟動力矩，因此，為了獲得較大的可應用啟動力矩，應該合理的選擇液力耦合器工作時的充液流量。充液流量Q 能夠有效的反應出其工作時的充液速度，通過對液力耦合器工作時充液情況下刮板輸送機驅動電機力矩和鏈傳動系統鏈條速度變化的仿真，即可分析出液力耦合器在不同充液流量下對刮板輸送機啟動過程的影響。

不同流量下電機輸出力矩的變化曲線見圖2，鏈條速度的變化曲線見圖3。

圖2 不同流量下電機輸出力矩的變化曲線

圖3 不同流量下鏈條的速度變化曲線

由仿真分析結果可知，在當耦合器的充液流量為150 L/min 時其啟動過程中電機的最大力矩值約為7 700 N·m，當耦合器的充液流量為100 L/min 時其啟動過程中電機的最大力矩值約為7 100 N·m；因此，通過增加耦合器的充液流量能夠有效的提升耦合器啟動時的力矩值。當耦合器的充液流量降低時不但會導致啟動時的力矩值降低，而且將導致鏈條工作時的蠕動時間增加，使液力耦合器發熱嚴重，故在實際工作時應該根據刮板輸送機的實際工作情況合理的設定耦合器的充液流量，以提升刮板輸送機工作時的穩定性和可靠性。

鏈傳動系統鏈條阻尼對刮板輸送機啟動過程的影響見圖4。

圖4 不同阻尼情況下刮板輸送機鏈條速度的變化曲線

由仿真分析結果可知，刮板輸送機鏈傳動系統上鏈條工作時的阻尼直接決定了刮板輸送機工作時鏈條速度震蕩的衰減速度，其阻尼系數越大鏈條速度震蕩越小，工作時的穩定性就越高。

3 結語

本文通過建立刮板輸送機傳動系統的動力學分析模型，利用MATLAB仿真分析軟件對其工作過程中不同充液流量及鏈條阻尼對軟啟動過程的影響進行了研究，結果表明：

1）通過增加耦合器的充液流量能夠有效的提升耦合器啟動時的力矩值，當耦合器的充液流量降低時不但會導致啟動時的力矩值降低，而且將導致鏈條工作時的蠕動時間增加，使液力耦合器發熱嚴重。

2）刮板輸送機鏈傳動系統上鏈條工作時的阻尼直接決定了刮板輸送機工作時鏈條速度震蕩的衰減速度，其阻尼系數越大鏈條速度震蕩越小，工作時的穩定性就越高。