采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究

魏大棟

（山西科興能源發(fā)展有限公司， 山西 高平 048400）

引言

滾筒采煤機(jī)為現(xiàn)代綜采工作面的關(guān)鍵綜采設(shè)備，其在很大程度上提升了工作面的采煤效率，降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作面的生產(chǎn)安全性。截割部為采煤機(jī)的關(guān)鍵部件，其是實(shí)現(xiàn)連續(xù)采煤的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)截割部以多級(jí)齒輪的長(zhǎng)鏈傳動(dòng)為主，在實(shí)際生產(chǎn)中的故障主要表現(xiàn)為滾筒轉(zhuǎn)速不可調(diào)、搖臂容易變形等[1]。本文將重點(diǎn)通過對(duì)采煤機(jī)截割部滾筒的負(fù)載進(jìn)行分析，并對(duì)其在穩(wěn)態(tài)、變載荷，以及突變、不同調(diào)速方案下傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。

1 采煤機(jī)截割滾筒負(fù)載分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，采煤機(jī)截割部滾筒將與正常煤層、夾矸煤層及斷巖煤層等情況相接觸。截割部滾筒上安裝有呈不同角度、一定數(shù)量的截齒，并配有螺旋葉片和其他部件，依靠截齒與煤層或巖層直接接觸實(shí)現(xiàn)截割功能，螺旋葉片主要實(shí)現(xiàn)裝煤功能。從理論上講，采煤機(jī)截割滾筒所承受的負(fù)載即為截齒與煤層或巖層接觸時(shí)所承受的截割力，截割力大小與本身所面臨煤層的截割阻抗、截齒工作部分的寬度、截齒對(duì)煤層的切削厚度、截齒的排列方式、截齒抗壓強(qiáng)度等參數(shù)相關(guān)。采煤機(jī)截割煤層的瞬時(shí)切削厚度hij的理論計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：vq為采煤機(jī)的牽引速度；n 為采煤機(jī)截割部滾筒的旋轉(zhuǎn)速度；aij為采煤機(jī)滾筒上第i 條截線上第j個(gè)截齒的圓心角；mi為采煤機(jī)滾筒上第i 條截線上截齒的數(shù)量；t 為采煤機(jī)截割部滾筒的工作時(shí)間。

總體來(lái)講，采煤機(jī)在連續(xù)工作中所面臨的工況是十分復(fù)雜的，其所承受的載荷情況頗多，包括截割正常煤層時(shí)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，截割?yuàn)A矸煤層或者斷巖煤層時(shí)的載荷突變工況。而且，采煤機(jī)截割部滾筒所承受的載荷不僅與滾筒的轉(zhuǎn)速相關(guān)，而且與工作面條件即煤層的截割阻抗相關(guān)，與采煤機(jī)的實(shí)時(shí)牽引速度相關(guān)[2]。因此，本文除了對(duì)穩(wěn)態(tài)工況和載荷突變工況下截割部傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析外，還對(duì)不同調(diào)速方式下傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。

2 不同工況下采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況和載荷突變工況下傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行分析。根據(jù)采煤機(jī)截割部滾筒、搖臂內(nèi)傳動(dòng)系統(tǒng)及截割電機(jī)的參數(shù)完成截割傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，并依據(jù)所建立的模型對(duì)其在不同工況下傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真對(duì)比研究。

2.1 穩(wěn)態(tài)工況

所謂穩(wěn)態(tài)工況指的是截割部截割的對(duì)象為全煤層，近似認(rèn)為一個(gè)全煤層的截割阻抗不變[3]，且此時(shí)采煤機(jī)截割部滾筒的旋轉(zhuǎn)速度為1480 r/min，滾筒所承受的載荷為恒定值，為70 kN·m。在上述條件下，對(duì)采煤機(jī)截割部傳動(dòng)系統(tǒng)中截割電機(jī)和行星輪系的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行分析。

2.1.1 截割電機(jī)

穩(wěn)態(tài)工況下，采煤機(jī)截割部電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖1 所示。

圖1 穩(wěn)態(tài)工況下電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

由圖1 可知，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下截割電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)矩為恒定值，其中截割電機(jī)轉(zhuǎn)速在1480 r/min左右穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)矩在484.1 N·m 上下波動(dòng)。

2.1.2 行星輪系

在穩(wěn)態(tài)工況下，采煤機(jī)行星輪系的振動(dòng)情況和輸出扭矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如下頁(yè)圖2 所示。

由圖2 可知，采煤機(jī)截割部在穩(wěn)態(tài)工況下行星輪系中行星輪的振動(dòng)加速度在±35 m/s2的范圍內(nèi)波動(dòng)，相對(duì)穩(wěn)定；此時(shí)，行星架的輸出扭矩近似于滾筒所承受的載荷，約為70 kN·m。

2.2 重載突變工況

所謂重載突變工況，指的是采煤機(jī)滾筒截割?yuàn)A矸煤層時(shí)的工況，該種工況最顯著的特點(diǎn)為滾筒所承受的載荷變化幅度較大[4]。此時(shí)采煤機(jī)截割部滾筒的旋轉(zhuǎn)速度為1480 r/min，滾筒所承受的載荷在7 s 的時(shí)刻點(diǎn)從70 kN·m 突變?cè)龃鬄?00 kN·m。

2.2.1 截割電機(jī)

重載突變工況下，采煤機(jī)截割部電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖3 所示。

圖3 重載突變工況下電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

由圖3 可知，在重載突變工況下，7 s 時(shí)刻截割電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降并緩慢逐漸恢復(fù)至額定轉(zhuǎn)速1480 r/min；截割電機(jī)轉(zhuǎn)矩在重載突變工況下在7 s 時(shí)刻迅速增大至滾筒所需克服的載荷。

2.2.2 行星輪系

在重載突變工況下，行星輪系行星架輸出扭矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖4 所示。

圖4 重載突變工況下行星架輸出扭矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

由圖4 可知，在重載突變工況下，由于7 s 時(shí)刻載荷發(fā)生突變，截割部傳動(dòng)系統(tǒng)行星輪系行星架輸出的扭矩迅速增大至100 kN·m，與滾筒所承受的載荷一致。

綜上，采煤機(jī)截割部傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況和重載突變工況具有較好的適應(yīng)性。

3 不同順序調(diào)速方案的傳統(tǒng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究

由于采煤機(jī)截割部滾筒所承受的載荷不僅與滾筒的轉(zhuǎn)速相關(guān)，而且與工作面條件即煤層的截割阻抗相關(guān)，與采煤機(jī)的實(shí)時(shí)牽引速度相關(guān)[5]。因此，本節(jié)對(duì)兩種不同順序調(diào)速方案對(duì)應(yīng)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。

設(shè)定調(diào)速對(duì)應(yīng)的工況為重載突變工況，即其截割部所承受的載荷從70 kN·m 增大至100 kN·m。

順序調(diào)速方案一：截割轉(zhuǎn)速在5.5 s 時(shí)刻且在1 s的時(shí)間內(nèi)從1150 r/min 增大至1460 r/min，牽引速度在后續(xù)1 s 的時(shí)間內(nèi)從5.4 m/min 降低為5 m/min，并且維持1 s 后牽引速度從5 m/min 增大為5.4 m/min。

順序調(diào)速方案二：牽引速度在5.5 s 時(shí)刻且在1 s的時(shí)間內(nèi)從5.4 m/min 降低為5 m/min，此狀態(tài)運(yùn)行1 s后牽引速度從5 m/min 增大為5.4 m/min；在6.5 s 時(shí)刻截割電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?150 r/min 增大至1460 r/min。

上述兩種調(diào)速方案對(duì)應(yīng)滾筒載荷的變化情況如圖5 所示。

圖5 不同調(diào)速方案對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性

由圖5 可知，調(diào)速方案一的控制在采煤機(jī)截割部滾筒比調(diào)速方案二少1 s 的情況下即可完成調(diào)整，即滾筒在高負(fù)載工作的時(shí)間小于1 s。由此說(shuō)明，順序調(diào)速方案一的響應(yīng)特性優(yōu)于順序調(diào)速方案二。因此，選擇順序調(diào)速方案一對(duì)采煤機(jī)截割部工作參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)控制。

4 結(jié)語(yǔ)

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，尤其是截割部為直接與煤層或巖層接觸的部件，其所承受的載荷與所接觸的介質(zhì)相關(guān)，分為穩(wěn)態(tài)工況和重載突變工況。為保證工作面的生產(chǎn)效率和安全性，保證采煤機(jī)截割部在不同工況下工作的適應(yīng)能力尤為重要。本文驗(yàn)證了基于行星傳動(dòng)輪系的截割部傳動(dòng)系統(tǒng)能夠完全適應(yīng)工作面的復(fù)雜工況；同時(shí)，采用先調(diào)整截割轉(zhuǎn)速后調(diào)整牽引速度的順序調(diào)速方案能夠獲得最佳控制效果，從而提高采煤機(jī)對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)能力。