采煤機永磁半直驅(qū)系統(tǒng)負載特性模擬試驗研究

姚學彬

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備有限公司， 山西 大同 037000）

引言

采煤機為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，鑒于相對惡劣的綜采工作面以及復(fù)雜、多變的煤層、頂板等地質(zhì)條件，采煤機在截割煤層過程中所承受的載荷為動態(tài)變化狀態(tài)，而且經(jīng)常會出現(xiàn)載荷異常的情況。滾筒為采煤機與煤層直接接觸的部件，其所承受的載荷具有非線性、時變性和強耦合性的特點，通過滾筒傳遞至截割部的載荷使得采煤機的穩(wěn)定性和工作性能面臨極大的挑戰(zhàn)[1]。本文深入開展采煤機永磁半直驅(qū)系統(tǒng)復(fù)雜特性的模擬試驗研究，研究成果旨在為后續(xù)采煤機結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工作性能的改善提供依據(jù)。

1 采煤機永磁半直驅(qū)負載特性模擬系統(tǒng)的設(shè)計

針對采煤機永磁半直驅(qū)負載特性的模擬試驗需專門為其設(shè)計一款負載特性模擬試驗系統(tǒng)。結(jié)合模擬試驗要求，該系統(tǒng)需具備加載、驅(qū)動、傳動、監(jiān)測以及計算機分析功能。本小節(jié)主要針對性地完成模擬試驗系統(tǒng)的設(shè)計，分別包括有加載測試程序、運行監(jiān)測程序、信號采集處理程序以及顯示程序的設(shè)計。

1.1 動態(tài)加載測試程序的設(shè)計

結(jié)合負載特性模擬試驗的要求，其對應(yīng)的加載測試程序結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

如圖1 所示，設(shè)備初始化模塊是保證模擬系統(tǒng)正常通信的基礎(chǔ)上，其能夠?qū)崿F(xiàn)儀器控制和數(shù)據(jù)采集功能；設(shè)備參數(shù)設(shè)置模塊根據(jù)模擬試驗的需求對被測對象的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率等參數(shù)進行設(shè)置，并實現(xiàn)對待測設(shè)備的過載保護；加載波形生成模塊根據(jù)模擬試驗要求針對性地提供并加載點典型波形；數(shù)據(jù)讀寫模塊主要是完成相關(guān)控制指令的寫入和加載；PID 參數(shù)設(shè)置模塊的主要作用是通過對PID 參數(shù)進行調(diào)整，盡可能減少加載測試系統(tǒng)的振動，保證輸入、輸出波形不失真；實時顯示模塊是對被測對象運行狀態(tài)的實時顯示。

圖1 動態(tài)加載測試程序結(jié)構(gòu)圖

1.2 永磁電機運行監(jiān)測程序設(shè)計

永磁電機運行監(jiān)測程序的目的是對采煤機永磁同步電動機的運行參數(shù)進行實時監(jiān)測，為了獲取更加精確的模擬試驗結(jié)果，要求監(jiān)測程序具有較高的精度和速度。永磁電機運行監(jiān)測系統(tǒng)的核心為RDI100 系列變頻器和DSP 控制器，其主要結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 永磁電動機監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖2 所示，永磁電動機監(jiān)測系統(tǒng)主要分為主電路、控制部分和上位機部分，基于主電路和控制部分對永磁同步電機的電壓、電流以及轉(zhuǎn)速等信號進行整流、濾波、逆變等分析處理后，通過RS485 通信總線上傳至上位機實時顯示并存儲，以便模擬試驗過程可實時掌握永磁電動機的運行狀態(tài)[2]。

1.3 數(shù)據(jù)采集和顯示程序的實現(xiàn)

針對模擬試驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能在常規(guī)數(shù)據(jù)程序的基礎(chǔ)上采用TQ-660 扭矩傳感器和研華PCIE-1816 數(shù)據(jù)采集卡等關(guān)鍵硬件設(shè)備對試驗過程中相關(guān)參數(shù)進行采集，分析、存儲和顯示。在上位機的基礎(chǔ)上，通過USB 數(shù)據(jù)線實現(xiàn)二者之間的通信，并對永磁同步電機電流、電壓等參數(shù)進行實時顯示于存儲。

為了驗證所設(shè)計模擬試驗系統(tǒng)軟件的性能，在實際模擬試驗之前對試驗系統(tǒng)的性能進行測試，包括單向三角波、單向正弦波以及導(dǎo)入波形等進行測試[3]。經(jīng)測試可得：試驗系統(tǒng)可穩(wěn)定運行，并能夠根據(jù)試驗要求完成相應(yīng)的控制功能和通信功能，可直接應(yīng)用于對采煤機永磁半直驅(qū)系統(tǒng)負載特性的模擬試驗。

2 采煤機永磁半直驅(qū)系統(tǒng)負載特性模擬試驗

結(jié)合采煤機在實際生產(chǎn)中的工況，本次負載特性模擬試驗分別對正常工況、突變工況以及調(diào)速工況下采煤機永磁半直驅(qū)系統(tǒng)的負載特性進行仿真分析。

2.1 正常工況負載特性模擬試驗

所謂正常工況指的是，采煤機截割對象僅為煤層，分別對煤層為軟煤層和硬煤層的情況進行對比研究。本次仿真設(shè)定采煤機滾筒的旋轉(zhuǎn)速度為34 r/min，對應(yīng)的采煤機的牽引速度為6 m/min，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 正常工況下系統(tǒng)負載特性仿真結(jié)果

如圖3 所示，在正常工況下采煤機永磁半直驅(qū)系統(tǒng)截割軟煤層和硬煤層時對應(yīng)指令信號、加載轉(zhuǎn)矩以及電機轉(zhuǎn)矩的變化趨勢一致；區(qū)別在于：當截割硬煤層時，由于煤層的截割阻抗較大，導(dǎo)致半直驅(qū)系統(tǒng)所承受的轉(zhuǎn)矩增加，電機電流也相應(yīng)增加。

2.2 突變工況負載特性模擬試驗

所謂突變工況指的是采煤機截割對象僅為有煤炭、矸石以及包裹體組成的復(fù)雜煤層。本次仿真設(shè)定采煤機滾筒的旋轉(zhuǎn)速度為34 r/min，對應(yīng)采煤機的牽引速度為6 m/min，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 突變工況下系統(tǒng)負載特性仿真結(jié)果

如圖4 所示，指令信號與加載轉(zhuǎn)矩的曲線幾乎一致。與圖3 對比可知，當在截割硬煤層或者軟煤層時對應(yīng)轉(zhuǎn)矩維持在250 N·m 和125 N·m 之間；而在突變工況下截割復(fù)雜煤層時負載轉(zhuǎn)矩突變至650 N·m。而且，從截割電機轉(zhuǎn)速層面分析，在正常工況下截割電機轉(zhuǎn)速幾乎恒定在270 r/min 運轉(zhuǎn)；而在突變工況下，電機轉(zhuǎn)速隨著負載的增加而減小，隨著負載的減小而相應(yīng)增加，處于動態(tài)變化狀態(tài)，且最大突變量可達7.5 r/min。

2.3 調(diào)速工況負載特性模擬試驗

所謂調(diào)速工況指的是，在采煤機截割對象一致的前提下，截割部滾筒旋轉(zhuǎn)速度為34 r/min，分別對牽引速度為3 m/min 和6 m/min 的負載特性進行研究。本小節(jié)對調(diào)速工況下不同牽引速度下的負載特性進行研究，仿真結(jié)果如圖5 所示。

如圖5 所示，在調(diào)速工況下采煤機永磁半直驅(qū)系統(tǒng)的負載特性變化趨勢一直；區(qū)別在于：隨著牽引速度的增加，采煤機永磁半直驅(qū)系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)矩、負載轉(zhuǎn)矩等均相應(yīng)增加。

圖5 調(diào)速工況下不同牽引速度對應(yīng)系統(tǒng)負載特性仿真結(jié)果

3 結(jié)論

采煤機作為綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，由于工作面煤層、地質(zhì)條件相對負載導(dǎo)致其所承受的負載處于動態(tài)變化狀態(tài)。本文針對采煤機永磁同步半直驅(qū)系統(tǒng)為例開展研究，在建立模式試驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上分別對正常、突變以及調(diào)速工況下負載特性進行仿真分析，并總結(jié)如下：

1）在正常工況下當截割硬煤層時，由于煤層的截割阻抗較大導(dǎo)致半直驅(qū)系統(tǒng)所承受的轉(zhuǎn)矩增加，電機電流也相應(yīng)增加。

2）在突變工況下，在突變工況下截割復(fù)雜煤層時負載轉(zhuǎn)矩突變至650 N·m，電機轉(zhuǎn)速隨著負載的增加而減小，隨著負載的減小而增加，處于動態(tài)變化狀態(tài)，且最大突變量可達7.5 r/min。

3）在調(diào)速工況下，隨著牽引速度的增加，采煤機永磁半直驅(qū)系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)矩、負載轉(zhuǎn)矩等均相應(yīng)增加。