永磁半直驅傳動系統的性能實驗與仿真分析

畢志軍

（山西科興能源發展有限公司， 山西 高平 048400）

引言

采煤機為綜采工作面的截割設備，截割部為直接與煤層或巖層接觸的部件，其功耗占據整機功耗的90%；而且，工作面頂板煤層、巖層的不均勻性導致截割部所承受的載荷波動較大、沖擊力強，這也是造成截割部故障率最高的主要原因[1]。傳統采煤機截割部傳動系統由行星傳動齒輪和直齒圓柱齒輪組成，由于其結構復雜且故障率，本文將采用永磁同步電機+三級齒輪替代傳統異步電機和行星齒輪的傳動系統，對新型截割部傳動系統關鍵零部件的動載荷進行分析，并對傳動系統瞬態動力學進行仿真分析，為后續改進采煤機截割部傳動系統奠定基礎。

1 永磁半直驅傳動系統設計

針對傳統采煤機截割部傳動系統三相異步電動機傳動效率低、輸出扭矩低以及行星傳動輪系故障率高的問題，采用永磁半直驅電動機替代傳動三相異步電動機，并將行星傳動輪系的結構去除。基于永磁半直驅電動機的傳動系統結構如圖1 所示。

如圖1 所示，新型截割部傳動系統主要包括由永磁同步電機、截割滾筒和三級直齒輪傳動組成。其中，永磁同步電機為本次改進的重點，該型電機可提供低速、大扭矩的輸出轉矩且功耗也較低；在實際生產中可采用變頻器對永磁半直驅電動機啟動和停止進行控制；永磁半直驅電動機擁有更寬的變速范圍。三級直齒輪傳動輪系為本傳動系統的直接傳動機構，由于綜采工作面工作環境相對惡劣且齒輪轉速較高，導致齒輪齒面由于摩擦所產生的溫度上升較快。因此，對新型采煤機截割部傳動系統齒輪振動測試和齒輪傳動副的瞬態動力學仿真分析是十分有必要的。對于三級直齒齒輪傳動輪系中的輸入端齒輪的轉速最高，其所面臨的威脅最大。三級直齒輪輪系各級齒輪的結構參數如表1 所示。

圖1 永磁半直驅電動機傳動系統結構示意圖

表1 三級直齒輪傳動齒輪結構參數

2 齒輪傳動系統實驗與仿真分析

本節將結合采煤機在實際工況對采煤機的負載突變工況進行模擬，并重點對齒輪的加載振動和瞬態動力學進行仿真分析。

為了充分驗證本文所改進的永磁半直驅截割傳動系統在實踐應用的效果，考慮到在實際生產驗證的難度較大，而且成本較高。因此，本節將構建一套試驗系統對永磁半直驅采煤機在不同工況下截割部傳動系統的性能進行實驗驗證。所構建的實驗平臺實物如圖2 所示。

圖2 齒輪傳動系統實驗平臺實物圖

2.1 負載突變工況模式模擬實驗

采煤機在實際生產中，由于其截割部滾筒直接接觸的煤層或巖層處于不均勻的狀態，導致其經常會遇到負載突變的工況，滾筒所承受的載荷通過傳動系統傳遞至機身[3]。負載突變最為惡劣的工況為截割全煤層至全巖層的突變，設定采煤機截割純煤層時滾筒所承受的載荷最高為20 kN·m，采煤機截割純巖層時滾筒所承受的載荷最高為35 kN·m。在負載突變工況下，永磁半直驅電機轉速的變化將直接反應傳動系統能否根據所承受的載荷對變頻器進行及時控制，從而保證電機輸出轉矩滿足實際生產的需求。在負載突變工況下，永磁半直驅電機轉速的變化情況如圖3 所示。

圖3 永磁半直驅電機在負載突變工況轉速的變化情況

如圖3 所示，當采煤機滾筒所承受的載荷從20 kN·m 突變為35 kN·m 時，對應永磁半直驅電機的轉速會相應下降，在輸出功率恒定的基礎上，此時電機的輸出扭矩會增加，從而滿足實際工況的需求。從圖3 中可以看出，電機轉速在很短的時間內實現調整，說明該傳動系統具有較好的時間跟隨性；而且在穩定運行狀態，永磁半直驅電機的轉速恒定在270 r/min。

2.2 齒輪振動測試

在傳動過程中，各級齒輪副之間的嚙合力和位移誤差存在一定的正相關關系，從而導致永磁半直驅傳動系統的齒輪副出現一定的振動現象[4]。由于無法直接在齒輪上安裝傳感器對其振動量進行測試。因此，本項目通過對齒輪箱振動參數的測定間接反應齒輪的振動情況。

振動測試參數設置：設定齒輪輸入軸的轉速為225 r/min；分別對齒輪輸出端負載為0、300 N·m 和500 N·m 三種情況下齒輪箱的振動情況進行測定，測試結果如表2 所示。

表2 齒輪箱振動情況測定

如表2 所示，隨著齒輪輸出端負載的增加，即滾筒所承受的載荷的增加，對應齒輪箱的振動加速度和振動幅度均明顯增加；但是，齒輪箱的振動主頻率不變，該項參數與齒輪振動箱的結構及材質相關。

2.3 齒輪副瞬態動態仿真

針對永磁半直驅傳動系統的可靠性，由于齒輪為傳動系統的核心，而且齒輪齒根的疲勞可靠性是保證整個傳動系統可靠性的關鍵，具體表現為齒輪應力和齒輪強度。其中，齒輪強度主要與齒輪的材料本身的固有屬性相關[5]。因此，本節重點對齒輪應力進行仿真分析。

考慮到傳動系統的齒輪數量較多，對應的仿真計算數據量大且耗時較長；同時，三級直齒輪輸入端的轉速快，在單位時間內嚙合次數較多，對應的計算量和網格數量較多。因此，本節選取齒輪末端兩個齒輪副為研究對象，根據表1 中齒輪6 和齒輪7 的參數建立有限元仿真模型，并完成網格劃分，并結合齒輪材料20CrMnTi 材料的屬性對模型進行設置，根據齒輪6 的轉速設定本次仿真模型輸入端的轉速為82.8 r/min，得出齒輪副的嚙合應力云圖如圖4 所示。

圖4 齒輪副嚙合應力云圖

如圖4 所示，齒輪副嚙合應力的最大值位于兩齒輪剛接觸的位置，且最大應力僅為250 MPa，小于20CrMnTi 材料的許用應力，說明該齒輪傳動系統的可靠性滿足要求。

3 結語

采煤機作為綜采工作面的關鍵設備，其在實際生產中截割部滾筒所承受的載荷處于動態變化狀態。為解決傳統采煤機截割部傳動系統中三相異步電動機轉矩小且行星傳動輪系故障率高的問題，本文采用永磁半直驅電機為核心設計新型截割部傳動系統，并對所設計的傳動系統的可靠性進行驗證，得出如下結論：

1）在載荷突變工況下，電機轉速在很短的時間內實現調整，說明該傳動系統具有較好的時間跟隨性；

2）隨著滾筒負載的增加，對應齒輪的振動加速度和振動幅度均增加，但振動主頻率不變；

3）三級直齒輪系的最大嚙合應力位于兩齒輪剛接觸的位置，且最大應力值低于20CrMnTi 材料的許用應力。