采煤機雙電機協調控制系統的應用研究

李躍

（山西晉神能源有限公司，山西 沂州 036500）

1 概 況

采煤機是綜采工作面的主要設備，由于煤礦地質條件、煤層負載等原因，MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機承受的載荷處于動態變化狀態，加上采煤機設備本身質量較大，在行走過程中齒輪容易折斷，若工作面煤層傾角較大，行走機構中的銷輪、銷軌等零部件的塑性變形和表面磨損情況就會比較嚴重。采煤機在牽引行走過程中，理論上2個行走輪的轉速是一致的，但在實際牽引時由于其中一個行走輪和銷軌之間并未瞬間接觸，導致另外一個行走輪的齒輪和銷軌所承受的載荷為雙倍驅動載荷。

MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機牽引系統由2臺等功率的電機驅動，由于現場工況復雜且工況處于動態變化狀態，導致采煤機的2臺牽引電機經常出現偏載情況，導致其中一臺電機長期過載運行，而另一臺電機載荷不足。

本文重點研究MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機牽引系統的雙電機協調控制系統，實現雙電機等功率平衡運行。

2 采煤機牽引系統的參數匹配

通過數值模擬方式對MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機牽引系統進行建模，對協調控制系統進行仿真分析，對相關參數進行匹配設計。

2.1 采煤機牽引部工作原理

采煤機牽引部主要由調速系統、動力傳動箱、行走箱等組成。調速系統主要包括電機控制器以及變頻調速裝置等；動力傳動箱包括牽引電機和其他傳動部件；行走箱包括傳動相關的零部件，如驅動輪和銷輪。

當采煤機牽引電機得到控制器的信號后，通過逆變器對驅動電機進行控制，在左右牽引箱結構作用下將動力傳送至銷輪，在銷輪和銷軌的嚙合作用下實現采煤機沿著工作面的左右往復行走。采煤機單側牽引部的傳動如圖1所示。

圖1 采煤機單側牽引部傳動示意圖Fig.1 Transmission schematic diagram of unilateral traction part of shearer

采煤機牽引部的傳動屬于四級傳動，其中前三級傳動為圓柱齒輪傳動，最后一級傳動為行星傳動。采煤機的工作載荷較大，所需的牽引力也較大，對應的采煤機傳動比要求也很大。MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機牽引部的行星輪系為2K-H。

2.2 采煤機傳動參數的匹配設計

2.2.1 牽引部傳動系統參數

采煤機牽引部傳動系統參數的匹配需結合采煤機機電系統的主要參數，MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機機電系統的主要參數如下：

截割電機額定功率/kW 300

截割電機額定轉速/（r·min-1） 1 475

牽引電機額定功率/kW 37.3

牽引電機額定轉速/（r·min-1） 1 500

牽引傳動系統總傳動比 237.643

當前采煤機牽引部的總傳動比為237.643，查閱相關資料和經驗值，最終確定一級傳動系統傳動比為2.38，二級傳動系統傳動比為3.82，三級傳動系統傳動比為4.61，四級傳動系統傳動比為5.67。結合已知參數和相關理論計算，初步確定一級傳動系統中齒輪1的分度圓直徑為67 mm，并依次完成齒輪齒數、中心距、齒寬等尺寸的初步確定。對初步確定尺寸齒輪的齒面接觸疲勞強度、齒根彎曲疲勞強度進行驗算，最終得出一級傳動齒輪的最終尺寸。

按照上述思路分別得出四級傳統齒輪的齒數、模數以及齒寬等參數，見表1。

表1 采煤機牽引部各級傳動齒輪主要參數Table 1 Main Parameters of Traction Gears of Shearer

2.2.2 行走機構銷輪與銷齒嚙合參數

為避免非共軛嚙合引起的問題，采用漸開線牽引齒輪齒廓推算共軛銷軌齒廓。從理論上講，可以通過增加銷軌之間的節距提升采煤機牽引部的性能。因此，結合采煤機牽引部現有銷軌節距尺寸，選取最大標準值147 mm，與之匹配的銷輪模數為43.79 mm，銷輪齒數為11，銷輪壓力角為常規的20°。

為了進一步提升銷軌和銷輪嚙合時的耐磨損能力和抗彎曲能力，銷軌與銷輪采用正變位傳動方式，減少銷輪齒根部的摩擦力，降低銷輪磨損。但正變位傳動方式對應的銷軌與銷輪之間的重合度會降低，須采用較小的變位系數解決嚙合線過短的問題。最終確定銷軌與銷輪嚙合的變位系數為0.4，銷輪與銷軌的參數如下：

銷軌齒頂高/mm 46.79

銷軌齒根高/mm 58.49

銷軌齒高/mm 105.28

銷軌齒間距/mm 147

銷軌長度/mm 107

銷輪分度圓直徑/mm 514.69

銷輪齒頂高/mm 65.51

銷輪齒根高/mm 39.77

銷輪齒高/mm 105.28

銷輪齒寬/mm 82

3 采煤雙電機協調控制的仿真分析

3.1 傳統采煤機雙電機控制系統現狀分析

根據采煤機牽引部傳動系統和銷輪與銷齒參數的匹配結果，基于UG建立采煤機牽引系統的三維模型，導入ADAMS軟件，根據牽引部的各零部件之間的約束關系在模型中添加對應的約束。

在此基礎上，為解決傳統采煤機單電機驅動功率不足和雙電機驅動時所采用的主從同步控制方式存在的左右牽引電機控制精度不一致且運行參數存在差異的問題，提出一套適用于雙電機的協調控制方式，保證2電機的運行功率處于相對平衡狀態。

MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機采用主從控制方式對牽引部的左右電機進行控制。從實際應用效果來看，左右牽引電機的同步精度不夠，機械裝置受到沖擊磨損嚴重或損壞。經仿真分析可知，當工況要求采煤機牽引速度調整時，主從矢量控制方式下兩電機信號出現延遲，無法實現2電機的同步；當左右牽引電機的負載存在差異時，尤其是電機負載發生較大波動時，無法保證2電機同步運行。

3.2 基于耦合控制實現雙電機的協調控制

采用并行矢量控制方式對左右牽引電機進行控制，即同時通過控制器對左右牽引電機提供信號，解決電機延遲的問題。設定仿真時長為9 s，并在仿真時刻為5 s時給予一個速度的波動信號，信號波動由60 rad/s上升至90 rad/s。主從控制和并行控制的效果對比如圖2所示。

圖2 主從控制和并行控制效果對比Fig.2 Comparison of master-slave control and parallel control effect

當采煤機牽引速度發生波動時，采用并行控制方式左右牽引電機的轉速偏差始終控制在0左右；而主從控制方式在變速過程中，左右牽引電機的速度偏差最大可達9.8 r/min，且持續時間較長，約2 s后才能完成同步調整。因此，采用并行控制方式實現對采煤機左右牽引電機的協調控制是可行的。

但單一的采用并行控制方式還存在一個較大的缺陷，當左右牽引的某個電機受到擾動時，左右牽引電機會存在較大的速度偏差。經仿真分析可知，當其中一臺電機受到干擾時，2臺電機的最大轉速偏差可達8 r/min。造成上述問題的主要原因是并行控制為開環控制，其中一臺電機受到擾動并不能夠反饋至另一臺電機。

為解決這一問題，采用雙電機交叉耦合控制器將二者的轉速偏差作為附加信號傳輸至2電機的轉速調節器中，消除兩電機的速度偏差。設定仿真時長為9 s，并在仿真時刻為5 s時給予一個速度的波動信號，信號波動由60 rad/s上升至90 rad/s，分別對主從控制、并行控制以及交叉耦合并行控制下電機1在5 s時刻受到擾動時速度偏差進行仿真分析，仿真結果如圖3所示。

圖3 交叉耦合控制、主從控制和并行控制效果對比Fig.3 Cross-coupling control,master-slave control and parallel control effect comparison

基于交叉耦合控制時，當電機1受到擾動時左右牽引電機的轉速偏差可以控制在0；基于主從控制雙電機的最大轉速偏差（6.3 r/min）大于并行控制的轉速偏差（2.5 r/min）。

綜上所述，采用交叉耦合控制方式對采煤機左右牽引電機實現協調控制。

4 采煤機雙電機協調控制系統的應用研究

對采用交叉耦合控制的雙電機協調控制系統在正常工況和典型惡劣工況下的運行狀態進行研究。

4.1 正常工況

重點對交叉耦合控制、并行控制和主從控制方式在正常工況下銷軌與銷輪之間的嚙合力進行仿真分析，仿真結果如圖4所示。

圖4 正常工況下銷軌與銷輪嚙合力對比Fig.4 Comparison of meshing force between pin rail and pin wheel under normal working conditions

主從控制方式對應左右牽引電機的同步精度較差，導致左銷輪與銷軌之間的嚙合力大于右銷輪。在正常工況、電機不受擾動的情況下，并行控制和交叉耦合控制左右銷輪與銷軌之間的嚙合力均為45 kN，左右兩側的負荷的偏差為0.4%。

主從控制方式對應左右牽引電機的同步精度較差，導致左銷輪與銷軌之間的嚙合力大于右銷輪。在正常工況、電機不受擾動的情況下，并行控制和交叉耦合控制左右銷輪與銷軌之間的嚙合力均為45 kN，左右兩側的負荷的偏差為0.4%。

4.2 惡劣工況

重點對交叉耦合控制、并行控制方式在惡劣工況下（單個電機受到擾動時）銷軌與銷輪之間的嚙合力進行仿真分析（4 s時刻其中一個電機受到擾動），仿真結果如圖5所示。

圖5 惡劣工況下銷軌與銷輪嚙合力對比Fig.5 Comparison of meshing force between pin rail and pin wheel under harsh working conditions

通過仿真分析可知，當右牽引電機受到擾動時，并行控制方式下左右兩側受力不均衡，出現偏載現象；交叉耦合控制下，左右銷輪與銷軌之間的嚙合力均衡，抗干擾能力強。

5 結 論

MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機牽引系統采用主從控制方式，存在左右牽引電機同步精度差，采煤機牽引系統銷輪、銷軌磨損嚴重等問題。為此，開展采煤機雙電機協調控制系統研究。

（1）MG300/700-WD采煤機牽引部的總傳動比為237.643，采煤機牽引部現有的銷軌節距尺寸為147 mm，確定銷軌與銷輪嚙合的變位系數為0.4。

（2）主從矢量控制方式是導致左右牽引電機存在一定滯后性的主要原因。雖然采用并行控制方式能夠保證左右牽引電機的同步性，但當其中一個電機受到擾動時，無法快速實現兩電機的同步運行，為此提出將2電機轉速偏差列為電機轉速控制器的附加輸入信息，即采用交叉耦合控制。

（3）實踐表明，在正常工況下主從控制方式牽引電機左右負荷分配不均衡，并行控制和交叉耦合控制可實現左右牽引電機的同步運行；在惡劣工況下，交叉耦合控制的抗干擾能力優于并行控制方式。