采煤機傳動系統變負載工況下的截割響應特性分析

張慧勇

（晉能控股煤業集團鐵峰煤業有限公司南陽坡礦綜采二隊， 山西 朔州 037200）

引言

近幾年，隨著煤礦開采深度的逐年加深，煤礦巷道的地理條件越來越變得復雜，煤礦開采過程中首先需要解決的就是巷道工程問題，巷道這不僅僅是煤礦開采生產的重要的交通運輸的通道，同樣也是煤礦安全運行的關鍵，直接關系到很多人的生命安全。截割部是作為采煤機的一個重要的工作部件，主要位于采煤機機身的兩端，在實際工作過程中是參與裝煤的，能耗占到總的功耗的80%～90%[1]，采煤機傳動系統主要包括行星齒輪傳動，用來傳遞截割工作的轉矩，自身的性能對于采煤機的工作性能影響非常大，自身受載荷比較復雜，截割響應特性也比較復雜，為此研究采煤機傳動系統變負載工況下的截割響應具有重要的研究意義和研究價值。

1 動力學模型建立

根據采煤機在實際井下的工作情況，如圖1 所示，截割部電動機和傳動系統之間是采用彈性軸進行連接，傳動系統具體包括了多級平行軸齒輪和一級行星齒輪。

圖1 采煤機截割部結構組成圖

根據采煤機截割部電動機傳動系統的主要特點可以假定各級行星齒輪相同的物理和幾何參數，建立如圖2 所示的采煤機截割部傳動系統動力學數學模型，采用的主要方法是集中參數法。在圖2 中：1～8表示平行軸傳動齒輪副；pi為第i 個行星輪；c 為行星架；s 為太陽輪；r 代表齒圈，在實際進行運轉過程中各個齒輪之間處于嚙合狀態，齒輪的嚙合存在著傳動誤差e、嚙合剛度k、嚙合阻尼c，各個阻尼的下標表示各個嚙合的齒輪對；Tin為截割電動機的輸入轉矩值；Tout為輸出轉矩值。在整個輸出和輸入過程中，由于齒輪傳動具有一定的效率，必然會產生功率損耗。

圖2 采煤機截割部傳動系統動力學數學模型

在實際進行傳動過程中，平行軸傳動的各個齒輪副為外嚙合齒輪傳動，傳動原理和建模的實際方法和之前相同。通過對齒輪傳動系統進行計算和求解可以得到齒輪傳動系統在不同負載工況下的動態響應。見下頁表1 為采煤機截割傳動系統的主要參數。

表1 采煤機截割傳動系統主要參數

2 變負載工況與傳動系統響應分析

煤層本身屬于一種非均質，各向異性的脆性材料，在地底下形成過程中在煤層中往往夾雜著很多的硬質石頭以及其他雜質，所以采煤機在進行截割的過程中，往往會伴隨著負載的突變，具有一定的波動沖擊性。負載的沖擊對于系統的影響將會導致傳動系統的振動，不利于齒輪的嚙合。為此，研究外部負載變化的工況下，截割傳動系統的實際響應具有重要的研究意義。

采煤機截割部在實際進行傳動過程中，一方面側頂煤會對截割頭產生一定的沖擊，尤其是當在實際工作過程中會遇到嵌入到圍巖中堅硬的石頭同樣會產生一定的沖擊載荷，在不同的工況下會受到不同的載荷作用，主要可以分為三種類型的載荷，第一種是突變載荷，在突變載荷作用下傳動系統中的各個齒輪副的扭轉振動會受到負載轉矩的影響比較大，負載轉矩的突變會導致扭轉振動加強此時嚙合力的沖擊比較大[2]。第二種是在重載工況下，傳動系統自身承受的載荷比較大，齒輪之間的嚙合力比較強，動力特性比較復雜。第三種是平穩運行狀態，作為系統平穩運行狀態下系統的受力比較穩定，傳動系統傳遞的速度和動力是恒定值。

3 截割響應特性分析

3.1 突變工況下采煤機傳動系統響應特性分析

在采煤機截割部處于突變工況時，會受到外部環境給截割頭的沖擊載荷，在沖擊載荷作用下滾筒的載荷可以使用脈沖載荷進行模擬，在實際進行模擬分析時，需要在滾筒的端部施加脈沖載荷。在滾筒端部施加脈沖載荷后，滾筒的載荷從最初2.4 s 時的穩定態直接突變為100 kN·m，這已經達到了穩定載荷的1.67 倍，在2.7 s 時載荷恢復為原始狀態，僅僅持續時間為0.3 s，為了研究突變工況對截割頭傳動系統響應特性，首先對所有的齒輪副進行編號。

隨后就突變工況下截割響應特性進行模擬分析，實驗得出在齒輪傳動系統中，以高速齒輪的動態響應作為分析的目標，首先處于穩定負載下，齒輪副1 的動態嚙合力比較平穩，最大值達到了36.5 kN，在處于2.4 s 時負載發生突變，此時的滾筒載荷從最初的60 kN·m 升高到100 kN·m，齒輪副1 的動態響應出現振蕩，幅值最大達到了82.9 kN。齒輪副5 和齒輪副7 的振動特性，首先在2.3 s 時開始有劇烈振動，到2.8 s 時表現為振動的衰減，其中延遲的時間僅僅有0.5 s 左右，對于齒輪副5 而言，振動幅度最終保持在0.8 N 左右，齒輪副7 的振幅保持在0.6 N，從以上的負載突變工況下傳動系統的響應特性可以看出，在采煤機傳動系統中齒輪副1 的動態響應是最好的，振動幅度小，抵抗外部負載的能力比較大。

3.2 重載突變工況時采煤機傳動系統響應分析

在采煤機正常工作過程中，齒輪傳動系統不僅會受到突變載荷的作用，同時還會受到外部負載作用，在啟動后某一時刻截割阻抗會發生突變，模擬的時間設定為4 s。在啟動后的1 s 時間內處于恒定空載啟動階段，齒輪傳動系統開始提供驅動力，作為正式截割前的準備，隨后在2 s 時開始接觸煤層，傳動系統搭建截割阻抗快速實現回升，并且穩定在額定工況下，當遇到突變載荷時會發生截割阻抗的突變，維持時間大約為0.3 s[3]。

3.3 平穩運行工況下采煤機截割傳動系統的響應分析

采煤機在實際運行過程中，不僅偶爾會受到來自于外部負載的突然變化遇到突變工況，或者重載突變工況，很多情況下都是處于穩定運行工況。為了研究采煤機在正常工作狀態下傳動系統的振動特性，首先設定仿真參數，電動機的實際轉轉矩為1.8 kN·m，滾筒的負載轉矩為50 kN·m，初步設定仿真時間為2 s，分析傳動系統齒輪振動動力學響應特性，仿真結果如圖3 所示。

圖3 動力學響應分析

從上頁圖3 可以看出，負載轉矩穩定運行工況下，齒輪傳動系統的位移變化在某一個恒定值附近波動，高速級的齒輪副響應特性非常明顯，齒輪副的振動逐漸衰減，總的均值比較小，低速級齒輪與外部負載直接接觸，受到外部負載的直接作用，振動幅度比較大，振動呈現出無規律變化，波動的原因是負載轉矩對傳動系統的擾動。

4 結論

本文以采煤機截割部傳動系統為研究對象，研究了采煤機截割部傳動系統在變負載工況下的截割響應特性，通過建立采煤機截割部傳動系統分析模型，分析了在突變工況、重載工況和平穩運行工況下的采煤機截割部傳動系統的動態響應，可以得出，在重載工況下傳動系統的動態特性不太平穩，受到外部負載作用時齒輪副動力特性比較復雜，在突變重載工況時，齒輪副嚙合沖擊振動較大，在平穩運行工況時仍然存在微小的振動。為此，在實際進行截割部傳動系統設計時，需要對傳動系統的截割響應進行多次實驗并進行結構的優化，從而保證具有良好的截割響應特性。