采煤機(jī)牽引部的自動(dòng)調(diào)速機(jī)理與自動(dòng)控制系統(tǒng)分析

楊學(xué)志 楊東偉

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán) 機(jī)電管理部，寧夏 銀川750011）

0 引言

牽引部是采煤機(jī)的重要組成部分， 是采煤機(jī)的關(guān)鍵部件和易損件。 牽引部的結(jié)構(gòu)可靠性決定著采煤機(jī)的質(zhì)量和使用效果。 隨著煤田開(kāi)采條件日趨復(fù)雜，高產(chǎn)高效工作面對(duì)采煤機(jī)牽引速度和牽引力的要求不斷提高，為提高其可靠性和適應(yīng)性，需要對(duì)采煤機(jī)牽引部關(guān)鍵零件進(jìn)行研究與分析，以完善和提高牽引系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，采煤機(jī)在行走和截煤的過(guò)程中，牽引速度越快，生產(chǎn)效率越高，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也越重。如果牽引速度過(guò)高，就有可能使電動(dòng)機(jī)過(guò)載。生產(chǎn)中既要充分發(fā)揮采煤機(jī)的生產(chǎn)能力，又要保證電動(dòng)機(jī)的安全，使電動(dòng)機(jī)保持滿載而不過(guò)載，這就需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載情況隨時(shí)調(diào)節(jié)牽引速度，而牽引速度的大小又與牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速及輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)。 同時(shí)，牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化還會(huì)影響采煤機(jī)各零部件的受力情況。

1 采煤機(jī)牽引部的自動(dòng)調(diào)速機(jī)理

采煤機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中，一邊靠其自身的牽引系統(tǒng)沿著刮板輸送機(jī)行走，同時(shí)驅(qū)動(dòng)滾筒來(lái)完成落煤和向輸送機(jī)裝煤的任務(wù)。 為了提高采煤機(jī)的產(chǎn)量和工作效率，一方面要求增加采煤機(jī)的截割功率、牽引力和牽引速度，另一方面，采煤機(jī)應(yīng)有良好的自動(dòng)調(diào)節(jié)特性，以適應(yīng)在生產(chǎn)過(guò)程中各種不同工況的要求，充分發(fā)揮采煤機(jī)的生產(chǎn)能力。

由于采煤機(jī)司機(jī)很難預(yù)計(jì)工作面煤質(zhì)變化情況，而憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)速又有很大的盲目性，因此采煤機(jī)上都裝有牽引部自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。 使采煤機(jī)能自動(dòng)根據(jù)煤質(zhì)變化情況調(diào)節(jié)牽引速度，以保持功率和牽引力達(dá)到額定值。

采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)速是指隨著采煤機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率或牽引力變化而自動(dòng)調(diào)整牽引速度，以保證采煤機(jī)滿載運(yùn)行，避免過(guò)載并充分發(fā)揮采煤機(jī)的效能。

采煤機(jī)截割電機(jī)的負(fù)載大小與多種因素有關(guān)，如煤層硬度、煤層夾矸厚度、夾矸硬度、采高、截深以及牽引速度等。在諸多因素中，除了截深和牽引速度外，其他因素都是由自然條件決定的，不能人為控制。因此對(duì)于特定型號(hào)的采煤機(jī)型號(hào)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)牽引速度來(lái)補(bǔ)償其他因素對(duì)截割電機(jī)負(fù)載的影響。

理論分析和實(shí)際使用都證明，采煤機(jī)消耗的功率P 和牽引力F 都與牽引速度Vq成正比，即∶

P=P0+KVq，F(xiàn)=F0+RVq

式中∶P0為采煤機(jī)空載消耗功率，其值取決于截割機(jī)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)效率；K 為系數(shù)，取決于煤的性質(zhì)、壓酥程度、截割參數(shù)、截齒形狀及磨鈍程度；F0為引阻力的不變分量，取決于采煤機(jī)的重量、傾角、導(dǎo)向情況及摩擦系數(shù)；R 為系數(shù)，取決于煤的性質(zhì)、截齒形狀及磨鈍程度。

由于煤質(zhì)分布的隨機(jī)性， 當(dāng)采煤機(jī)以牽引速度Vq在中硬煤層中工作時(shí)，其功率和牽引力分別達(dá)到額定值Pn和Fn（圖1）；當(dāng)采煤機(jī)割到硬煤或軟煤時(shí)， 功率和牽引力相應(yīng)就增大到P1、F1或減小到P2、F2。前者超過(guò)了額定值，將會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)超載損壞；而后者欠載，會(huì)使電動(dòng)機(jī)效能得不到發(fā)揮。為此，必須根據(jù)煤質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整牽引速度∶遇到硬煤時(shí)Vq1，速度自動(dòng)降到，遇到軟煤時(shí)，速度自動(dòng)升到Vq2，從而保證電動(dòng)機(jī)滿載工作。 通常把采煤機(jī)的這種能力稱為恒功率調(diào)節(jié)特性。

圖1 牽引部自動(dòng)調(diào)速

2 采煤機(jī)恒功率自動(dòng)控制系統(tǒng)分析

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速，必須用傳感器將表征電動(dòng)機(jī)功率或牽引力大小的信號(hào)拾取出來(lái)， 并和額定值進(jìn)行比較， 然后將比較結(jié)果經(jīng)轉(zhuǎn)換、放大，輸送到牽引部控制系統(tǒng)，以進(jìn)行調(diào)速。采煤機(jī)牽引部恒功率控制自動(dòng)調(diào)速原理如圖2 所示。

圖2 恒功率控制原理圖

在電牽引采煤機(jī)恒功率控制過(guò)程中， 首先給控制器以參照功率，然后經(jīng)控制器計(jì)算分析，發(fā)出對(duì)變頻器的控制電壓信號(hào)，變頻器將控制電壓轉(zhuǎn)化為供給牽引電動(dòng)機(jī)的頻率，來(lái)控制牽引電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 當(dāng)煤壁的硬度變化時(shí)，負(fù)載傳感器把來(lái)自截割電機(jī)的負(fù)載電流信號(hào)經(jīng)過(guò)處理（放大、濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換等）傳輸給控制器并與給定的額定功率進(jìn)行比較后由控制器給出控制調(diào)節(jié)電壓。

圖3 功率閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

牽引部控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示， 該系統(tǒng)采用功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，功率調(diào)節(jié)器的給定值P*為截割電機(jī)的額定功率， 反饋值P 為截割電機(jī)的實(shí)際功率，通過(guò)截割電機(jī)的功率傳感器得到，由理論分析可知該值與牽引速度成正比例關(guān)系。速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)、磁鏈環(huán)以及逆變器構(gòu)成交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。 速度給定為n*，由截割電機(jī)的功率調(diào)節(jié)器APR的輸出量提供，改變速度給定值n*，可以改變交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。逆變器的直流電源由PWM 整流器提供，此整流器的能量流動(dòng)是雙向的。 因此，可以使交流電機(jī)工作在四個(gè)象限，以滿足采煤機(jī)在較大傾斜煤層條件下的電牽引工藝要求。

如圖3 所示，采煤機(jī)在中硬煤層工作時(shí)，實(shí)際功率P 等于額定功率。當(dāng)采煤機(jī)截割到軟煤時(shí)，滾筒受的截煤阻力F 減小，截割電機(jī)實(shí)際功率P 小于額定功率P*， 此時(shí)， 功率調(diào)節(jié)器會(huì)發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)使n*增加，并經(jīng)變頻調(diào)速系統(tǒng)，使?fàn)恳姍C(jī)轉(zhuǎn)速增加，再經(jīng)牽引部傳動(dòng)系統(tǒng)使采煤機(jī)牽引速度Vq增加，進(jìn)而增加截割電機(jī)的輸出功率P，直到實(shí)際功率等于額定功率；當(dāng)采煤機(jī)截割到軟煤時(shí)，截割電機(jī)的實(shí)際功率P大于額定功率，此時(shí)功率調(diào)節(jié)器會(huì)使n*減小，再經(jīng)變頻調(diào)速系統(tǒng)，使?fàn)恳姍C(jī)轉(zhuǎn)速下降，牽引速度降低，實(shí)際功率P 下降，直到等于額定功率。

在這一過(guò)程中，要求采煤機(jī)牽引電機(jī)具有良好的調(diào)速性能及快速的響應(yīng)時(shí)間，因此應(yīng)該重點(diǎn)對(duì)牽引電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。另一方面，在采煤機(jī)恒功率調(diào)速過(guò)程中，由于牽引速度和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化，會(huì)使?fàn)恳總鲃?dòng)系統(tǒng)各零部件所受的外載荷發(fā)生變化，而載荷的變化勢(shì)必會(huì)對(duì)零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源的使用量正在急劇加大，煤礦開(kāi)采的高產(chǎn)高效化是煤炭行業(yè)發(fā)展的必由之路，大規(guī)模綜采現(xiàn)已經(jīng)成為現(xiàn)代煤炭行業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，作為煤礦生產(chǎn)最為重要的設(shè)備之一，采煤機(jī)的發(fā)展將直接影響著煤礦開(kāi)采的產(chǎn)量及效率，決定著煤礦高產(chǎn)高效化的進(jìn)程。

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