多源驅(qū)動采煤機(jī)截割傳動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

路 鑫

（山西焦煤西山煤電古交煤焦公司， 山西 古交 030200）

引言

采煤機(jī)為煤礦現(xiàn)代綜采裝備，其應(yīng)用直接提升了煤礦工作面的綜采效率，降低現(xiàn)場作業(yè)人員勞動強(qiáng)度并保證了人員、設(shè)備的安全性。采煤機(jī)截割部為直接與煤層接觸的部件，其性能直接決定截割效率和截割成本。傳統(tǒng)采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)主要以多級傳動齒輪為主，在實(shí)際生產(chǎn)中主要表現(xiàn)為搖臂容易變形、傳動鏈過長以及滾筒轉(zhuǎn)速不可調(diào)的問題[1]。

為提升采煤機(jī)對綜采工作面的適應(yīng)性和可靠性，本文重點(diǎn)開展多源驅(qū)動采煤機(jī)截割傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性和調(diào)速降載方案研究，并建立實(shí)驗(yàn)平臺對研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型

采煤機(jī)截割部為直接與煤層、巖層接觸的部件，由于煤層、巖層條件不均勻?qū)е陆馗畈克惺艿妮d荷處于動態(tài)變化狀態(tài)；加之采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致其傳動鏈過長。總之，采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中主要問題表現(xiàn)為截割轉(zhuǎn)速不可調(diào)，對工況適應(yīng)性差[2]。本節(jié)以MG300/700-WD 采煤機(jī)為研究對象，重點(diǎn)建立截割部傳動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，該型采煤機(jī)的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 MG300/700-WD 采煤機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

該型采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)主要由截割電機(jī)、耦合輪系（直齒圓柱齒輪輪系）、行星輪系和截割滾筒組成。由直齒圓柱齒輪輪系與行星輪系相結(jié)合的傳動核心可極大縮減采煤機(jī)截割傳動鏈，對于提升采煤機(jī)自適應(yīng)生產(chǎn)能力具有重要意義。

基于MG300/700-WD 采煤機(jī)的相關(guān)參數(shù)，分別建立截割部截割電機(jī)、直齒圓柱齒輪輪系、人字齒行星輪系、滾筒以及各連接軸的動力學(xué)模型，并根據(jù)各動力學(xué)模型的相互關(guān)系建立采煤機(jī)的截割部傳動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型

2 采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

鑒于采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中其截割部所承受的載荷處于動態(tài)變化狀態(tài)，為保證采煤機(jī)在不同工況下均可保持高效、安全的運(yùn)行狀態(tài)，需為其配置合理的調(diào)速方案實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)截割部滾筒轉(zhuǎn)速、牽引速度的控制[3]。可采用的控制方案包括有僅調(diào)整牽引速度、僅調(diào)整滾筒截割速度、同時對牽引速度和截割速度進(jìn)行聯(lián)合控制、順序控制。本文將對上述四種調(diào)速方案下對應(yīng)整個系統(tǒng)的相應(yīng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

根據(jù)采煤機(jī)截割傳動系統(tǒng)動態(tài)特性研究內(nèi)容，設(shè)計(jì)如下頁圖2 所示的試驗(yàn)平臺。

如圖2 所示，所建立的實(shí)驗(yàn)平臺包括有測功機(jī)、液壓制動器、升速箱、5 套轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、飛輪、人字齒行星輪系、轉(zhuǎn)矩耦合輪系以及驅(qū)動電機(jī)。測功機(jī)主要作用是對本次實(shí)驗(yàn)平臺所添加的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行檢測，保證所添加的負(fù)載與設(shè)定值一致。

圖2 采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)動態(tài)性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于如圖2 所示的實(shí)驗(yàn)平臺對不同調(diào)速方案下系統(tǒng)的響應(yīng)特性進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體分析如下：

2.2.1 調(diào)整牽引速度時系統(tǒng)的響應(yīng)特性

設(shè)定的實(shí)驗(yàn)背景如下：當(dāng)采煤機(jī)截割部所承受的負(fù)載由180 kN·m 增大至210 kN·m，截割部電機(jī)轉(zhuǎn)速不變并保持在1 150 r/min。通過對牽引速度進(jìn)行調(diào)整保證其具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，對應(yīng)牽引速度從5.4 m/min 減小為4.6 m/min。

截割阻抗增大的時間點(diǎn)為17 s。通過對采煤機(jī)截割部滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒負(fù)載的變化情況反映截割部傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，如圖3 所示。

圖3 牽引調(diào)速時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性

如圖3 所示，當(dāng)截割部滾筒所承受的負(fù)載增大時，基于直接轉(zhuǎn)矩控制方式下對應(yīng)滾筒轉(zhuǎn)速先降低后穩(wěn)定在給定值；同時，當(dāng)截割部滾筒負(fù)載增大時，在牽引調(diào)速的控制作用下，最終截割部負(fù)載穩(wěn)定在突變前的值，耗時約4 s，從而達(dá)到調(diào)速降載的控制效果。

2.2.2 調(diào)整截割速度時系統(tǒng)的響應(yīng)特性

設(shè)定的實(shí)驗(yàn)背景如下：當(dāng)采煤機(jī)截割部所承受的負(fù)載由180 kN·m 增大至210 kN·m，牽引部電機(jī)轉(zhuǎn)速不變并保持在5.4 m/min。通過對截割速度進(jìn)行調(diào)整保證其具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，對應(yīng)截割速度從1 150 r/min 增大至1 400 r/min，調(diào)整時長為2 s。

截割阻抗增大的時間點(diǎn)為17 s。通過對采煤機(jī)截割部滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒負(fù)載的變化情況反映截割部傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，如圖4 所示。

圖4 截割調(diào)速時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性

如圖4 所示，當(dāng)截割部滾筒負(fù)載增大時，在截割調(diào)速的控制作用下，最終截割部負(fù)載穩(wěn)定在突變前的值，耗時約2.5 s，從而達(dá)到調(diào)速降載的控制效果。

2.2.3 牽引- 截割聯(lián)合調(diào)速時的響應(yīng)特性

設(shè)定的實(shí)驗(yàn)背景如下：當(dāng)采煤機(jī)截割部所承受的負(fù)載由180 kN·m 增大至210 kN·m，牽引部電機(jī)轉(zhuǎn)速從5.4 m/min 將為4.7 m/min，對應(yīng)截割速度從1 150 r/min 增大至1 400 r/min，調(diào)整時長為2 s。

截割阻抗增大的時間點(diǎn)為17 s。通過對采煤機(jī)截割部滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒負(fù)載的變化情況反映截割部傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，如下頁圖5 所示。

如圖5 所示，采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速與截割電機(jī)變化趨勢一致。截割部滾筒負(fù)載增大時，在截割牽引聯(lián)合調(diào)速的控制作用下，最終截割部負(fù)載穩(wěn)定在突變前的值，耗時約1 s，從而達(dá)到調(diào)速降載的控制效果。

圖5 截割牽引聯(lián)合調(diào)速時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性

2.2.4 順序調(diào)速時系統(tǒng)的響應(yīng)特性

設(shè)定的實(shí)驗(yàn)背景如下：當(dāng)采煤機(jī)截割部所承受的負(fù)載由180 kN·m 增大至210 kN·m，牽引部電機(jī)轉(zhuǎn)速從5.4 m/min 降為5.2 m/min 后，截割速度從1 150 r/min 增大至1 460 r/min，牽引速度從5.2 m/min 增大為5.4 m/min。

截割阻抗增大的時間點(diǎn)為17 s。通過對采煤機(jī)截割部滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒負(fù)載的變化情況反映截割部傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，如下頁圖6 所示。

如圖6 所示，采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速與截割電機(jī)變化趨勢一致。截割部滾筒負(fù)載增大時，在順序調(diào)速的控制作用下，最終截割部負(fù)載穩(wěn)定在突變前的值，耗時約2.5 s，但是該種調(diào)速方式存在一定的滯后性，從而達(dá)到調(diào)速降載的控制效果。

圖6 順序調(diào)速時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性

3 結(jié)論

1）當(dāng)截割部滾筒負(fù)載增大時，在牽引調(diào)速的控制作用下，最終截割部負(fù)載穩(wěn)定在突變前的值，耗時約為4 s；

2）當(dāng)截割部滾筒負(fù)載增大時，在截割調(diào)速的控制作用下，最終截割部負(fù)載穩(wěn)定在突變前的值，耗時約為2.5 s；

3）截割部滾筒負(fù)載增大時，在截割牽引聯(lián)合調(diào)速的控制作用下，最終截割部負(fù)載穩(wěn)定在突變前的值，耗時約1 s；

4）截割部滾筒負(fù)載增大時，在順序調(diào)速的控制作用下，最終截割部負(fù)載穩(wěn)定在突變前的值，耗時約2.5 s，但是該種調(diào)速方式存在一定的滯后性。