采煤機(jī)液壓混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

楊陽　馬鵬程　秦大同　崔維隆

(重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044)

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采煤機(jī)液壓混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

楊陽馬鵬程秦大同崔維隆

(重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044)

摘要：基于差動(dòng)行星齒輪調(diào)速原理,設(shè)計(jì)了一種截割轉(zhuǎn)速可調(diào)的采煤機(jī)液壓混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng).根據(jù)系統(tǒng)組成,建立了關(guān)鍵元件的數(shù)學(xué)模型及控制方法.以AMESim軟件為平臺(tái),分析了液壓馬達(dá)和滾筒的動(dòng)態(tài)特性以及液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)的緩沖性能.結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的液壓混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)采煤機(jī)的截割轉(zhuǎn)速,在復(fù)雜煤層下比傳統(tǒng)恒速截割采煤機(jī)具有更好的截割性能;液壓馬達(dá)及滾筒響應(yīng)速度快且能夠準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速,液壓系統(tǒng)可以緩和突變負(fù)載產(chǎn)生的沖擊.

關(guān)鍵詞：采煤機(jī);混合動(dòng)力系統(tǒng);行星齒輪;AMESim

我國煤層自然賦存條件復(fù)雜多變,采煤機(jī)常工作于重載突變工況,滾筒載荷具有大沖擊和強(qiáng)振動(dòng)等特點(diǎn)[1].隨著煤層開采深度的增加及對(duì)工作面少人、無人的需求,對(duì)采煤機(jī)可靠性、自適應(yīng)性的要求也不斷提高[2].目前所使用的采煤機(jī)都只能恒速截割煤壁,無法充分發(fā)揮采煤機(jī)的截割性能,導(dǎo)致塊煤率低、粉塵大等問題;而且當(dāng)采煤機(jī)遇到夾矸煤層時(shí),通常采用強(qiáng)力截割或降低牽引速度的方法通過該區(qū)域,強(qiáng)力截割易導(dǎo)致截割電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)及軸承過載而破壞,降低牽引速度使得生產(chǎn)率下降,且粉塵增多,生產(chǎn)環(huán)境變惡劣[3-8].

調(diào)節(jié)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速既能降低截割阻力,又能保證采煤生產(chǎn)率,還能通過控制來降低截割比能耗.因此,為增強(qiáng)采煤機(jī)在復(fù)雜煤層下的工況適應(yīng)性,發(fā)揮變速截割的優(yōu)點(diǎn),滾筒轉(zhuǎn)速可調(diào)是十分必要的.基于差動(dòng)行星機(jī)構(gòu)調(diào)速原理,文中設(shè)計(jì)了一種采煤機(jī)液壓混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)變速截割;并以AMESim軟件為平臺(tái),分析了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及液壓系統(tǒng)的緩沖性能,以期為該型樣機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考.

1基于機(jī)-液耦合的截割傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用變頻電機(jī)、永磁電機(jī)可以調(diào)速[9-10],但受限于采煤機(jī)機(jī)身空間、大功率變頻器成本及工作環(huán)境等因素,尚未見這類產(chǎn)品;采用液壓系統(tǒng)可以方便地調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速,但液壓系統(tǒng)復(fù)雜、傳動(dòng)效率低及可靠性差.因此,綜合考慮機(jī)械傳動(dòng)的高效率、高可靠性和液壓系統(tǒng)調(diào)速方便的優(yōu)點(diǎn),文中設(shè)計(jì)了基于機(jī)-液耦合的采煤機(jī)液壓混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng).

1.1　設(shè)計(jì)思路

分析采煤機(jī)的工作過程可知,采煤機(jī)工作前調(diào)整好滾筒高度,截割工作面底部的殘留煤時(shí)邊截割邊調(diào)低,其他情況下基本不調(diào)高或只微調(diào)[11].根據(jù)采煤機(jī)這一工作特性,可將調(diào)高液壓系統(tǒng)用于滾筒調(diào)速.基于此,文中設(shè)計(jì)了采煤機(jī)混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng),其功率流傳遞路線如圖1所示.

圖1　功率流傳遞路線圖Fig.1　Power flow transmission path

如圖1(a)所示,截割電機(jī)動(dòng)力和調(diào)高液壓系統(tǒng)動(dòng)力由轉(zhuǎn)矩耦合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力合成,為轉(zhuǎn)矩耦合傳動(dòng)形式.調(diào)節(jié)調(diào)高液壓系統(tǒng)中液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩,可以防止截割電機(jī)過載,但滾筒轉(zhuǎn)速無法調(diào)節(jié).如圖1(b)所示,截割電機(jī)動(dòng)力和調(diào)高液壓系統(tǒng)動(dòng)力由轉(zhuǎn)速耦合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力合成,為轉(zhuǎn)速耦合傳動(dòng)形式[12].改變調(diào)高液壓系統(tǒng)中液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速,便可調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速.

轉(zhuǎn)速耦合機(jī)構(gòu)中,2自由度的差動(dòng)NGW行星齒輪應(yīng)用最為廣泛,其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下:

(1)

式中,ωs、ωr、ωh分別為太陽輪、齒圈、行星架的角速度,Ts、Tr、Th分別為太陽輪、齒圈、行星架的轉(zhuǎn)矩,k為行星齒輪機(jī)構(gòu)的特性參數(shù).

差動(dòng)行星機(jī)構(gòu)調(diào)速原理如下:以其中兩個(gè)構(gòu)件作為輸入,調(diào)節(jié)某一輸入構(gòu)件的轉(zhuǎn)速,另一輸入構(gòu)件轉(zhuǎn)速保持不變,即可改變輸出構(gòu)件的轉(zhuǎn)速.

1.2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及特點(diǎn)

根據(jù)差動(dòng)行星機(jī)構(gòu)調(diào)速原理,基于300kW交流電牽引采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng),文中設(shè)計(jì)了一種可以調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速的液壓混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng),其原理如圖2所示.

該系統(tǒng)具有如下的特點(diǎn):①所增加的液壓元件少,主要有液壓馬達(dá)、蓄能器和電液換向閥,適當(dāng)增大了調(diào)高電機(jī)功率和液壓泵排量,并將定量泵改為變量泵;②由于調(diào)高液壓系統(tǒng)參與截割工作,故可以減小截割電機(jī)功率;③避免了采用變頻調(diào)速時(shí)安裝空間受限、采用全液壓傳動(dòng)時(shí)效率低等問題;④在原有采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過差動(dòng)行星機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速耦合,改變液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速即可連續(xù)調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速;⑤設(shè)定溢流閥的最高壓力,可限制截割電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩,保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)和截割電機(jī);⑥在滾筒遇到?jīng)_擊載荷時(shí),蓄能器可以吸收部分能量,緩和沖擊.

圖2　液壓混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng)原理Fig.2　Principle of hydraulic hybrid cutting transmission system1—截割電機(jī);2—齒輪傳動(dòng)鏈;3—差動(dòng)行星機(jī)構(gòu);4—行星減速器;5—液壓馬達(dá)減速器;6—液壓馬達(dá);7—蓄能器;8—電液換向閥;9—調(diào)高電機(jī);10—變量泵

1.3　工作模式分析

根據(jù)調(diào)高液壓系統(tǒng)是否參與調(diào)速,將系統(tǒng)分為兩種工作模式:液壓馬達(dá)鎖止和混合驅(qū)動(dòng)模式.

1.3.1液壓馬達(dá)鎖止模式

在液壓馬達(dá)鎖止模式(見圖3)下,電液換向閥處于中位,液壓馬達(dá)鎖止.截割電機(jī)動(dòng)力經(jīng)過三級(jí)平行軸齒輪傳動(dòng)鏈傳至差動(dòng)行星機(jī)構(gòu)的齒圈,再由差動(dòng)行星機(jī)構(gòu)行星架輸出至行星減速器的太陽輪,最后由行星減速器行星架將輸出轉(zhuǎn)矩傳至滾筒.

圖3　液壓馬達(dá)鎖止模式Fig.3　Hydraulic motor locking mode1—截割電機(jī);2—齒輪傳動(dòng)鏈;3—差動(dòng)行星機(jī)構(gòu);4—行星減速器;5—液壓馬達(dá)減速器;6—液壓馬達(dá)；8—電液換向閥;9—調(diào)高電機(jī);10—變量泵

在液壓馬達(dá)鎖止模式下，截割傳動(dòng)系統(tǒng)不調(diào)速,液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩為0.差動(dòng)行星機(jī)構(gòu)的耦合特性方程為

(2)

1.3.2混合驅(qū)動(dòng)模式

在混合驅(qū)動(dòng)模式(見圖4)下，電液換向閥處于左位或右位,調(diào)高電機(jī)的動(dòng)力傳至差動(dòng)行星機(jī)構(gòu)的太陽輪,截割電機(jī)的動(dòng)力傳至差動(dòng)行星齒輪的齒圈,動(dòng)力匯流后傳遞到行星減速器并由行星架輸出.其動(dòng)力傳遞路線如圖4中箭頭所示.

圖4　混合驅(qū)動(dòng)模式Fig.4　Hybrid driving mode1—截割電機(jī);2—齒輪傳動(dòng)鏈;3—差動(dòng)行星機(jī)構(gòu);4—行星減速器;5—液壓馬達(dá)減速器;6—液壓馬達(dá)；8—電液換向閥;9—調(diào)高電機(jī);10—變量泵

(3)

2關(guān)鍵液壓元件的數(shù)學(xué)模型

為簡(jiǎn)化分析,假設(shè)變量泵和液壓馬達(dá)的泄漏為層流,油液的溫度和體積彈性模量均為常數(shù).忽略管道中的壓力損失等因素.

2.1　變量泵模型

變量泵的流量連續(xù)性方程為

Qp=Dpωp-Cip(p1-p2)-Cepp1

(4)

式中:Qp為變量泵的輸出流量;Dp為變量泵的排量,Dp=kpγ,kp為變量泵的排量梯度,γ為變量機(jī)構(gòu)的擺角;ωp為變量泵的轉(zhuǎn)速;Cip、Cep分別為變量泵的內(nèi)、外泄漏系數(shù);p1為高壓管路壓力;p2為低壓管路壓力.

2.2　液壓馬達(dá)模型

液壓馬達(dá)流量連續(xù)性方程為

(5)

式中:Qm為馬達(dá)的輸入流量;Dm為馬達(dá)的排量;θm為馬達(dá)軸轉(zhuǎn)角;Cim、Cem分別為馬達(dá)的內(nèi)、外泄漏系數(shù);V0為管道的總?cè)莘e,包括泵和馬達(dá)的一個(gè)工作腔、連接管道及與此相連的非工作容積;βe為有效體積彈性膜量.

液壓馬達(dá)的力矩平衡方程為

Dm(p1-p2)=Jmθ″+Bmθ′+Kθ+TL

(6)

式中,Jm為液壓馬達(dá)和負(fù)載(折算到馬達(dá)軸上)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,Bm為液壓馬達(dá)和負(fù)載(折算到馬達(dá)軸上)的總粘性阻尼系數(shù),K為負(fù)載扭轉(zhuǎn)彈簧剛度,TL為作用在馬達(dá)軸上的外負(fù)載轉(zhuǎn)矩.

2.3　蓄能器模型

蓄能器可以吸收來自負(fù)載的沖擊,吸收系統(tǒng)的壓力峰值并儲(chǔ)能[13].蓄能器流量連續(xù)性方程為

(7)

式中,Qa為進(jìn)入蓄能器的流量,βa為氣體壓縮性系數(shù),Va為蓄能器的容積,pac為蓄能器壓力.

蓄能器連接管路油液的運(yùn)動(dòng)方程為

(8)

式中,L為液感,R為液阻.

由式(7)及式(8)可得蓄能器內(nèi)氣體壓力平衡方程為

(9)

3系統(tǒng)性能分析

3.1　參數(shù)確定

以原交流電牽引采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配,如表1所示，各齒輪位置如圖5所示.

表1齒輪參數(shù)

Table 1　Gear parameters

一般認(rèn)為滾筒轉(zhuǎn)速以30~50 r/min較佳,目前采煤機(jī)滾筒直徑為2.0 m時(shí),滾筒轉(zhuǎn)速范圍多為25~40 r/min[14-15].因此,滾筒設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為30~40 r/min,根據(jù)行星機(jī)構(gòu)特征參數(shù)及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系進(jìn)行了液壓元件的選擇和參數(shù)匹配:液壓泵排量為180 mL/r,壓力限制為25 MPa,馬達(dá)排量為250 mL/r,蓄能器容積為5 L、充氣壓力為18 MPa.

圖5　混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)部分Fig.5　Gear transmission part of hydraulic hybrid cutting transmission system

3.2　性能分析

以AMESim軟件為平臺(tái),利用機(jī)械庫、動(dòng)力傳動(dòng)庫、液壓庫和信號(hào)庫中的標(biāo)準(zhǔn)元件建立如圖6所示的采煤機(jī)混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng)模型.根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、匹配參數(shù)確定模型中各元件的參數(shù);轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中以目標(biāo)轉(zhuǎn)速為輸入量,以液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為反饋量,以兩者的差值控制變量泵斜盤傾角從而形成速度閉環(huán)控制,并采用PID校正來提高控制精度,參數(shù)整定過程略去.為使模型更接近實(shí)際,文中用節(jié)流閥模擬液壓泵和液壓馬達(dá)的泄露.

圖6　液壓混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型Fig.6　Simulation model of hydraulic hybrid cutting transmission system

3.2.1轉(zhuǎn)速跟蹤性能

實(shí)際上,采煤機(jī)工作時(shí)作用在滾筒上的負(fù)載是變化的.為簡(jiǎn)化起見,分析時(shí)取負(fù)載轉(zhuǎn)矩的平均值.給定液壓馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速,研究馬達(dá)及滾筒實(shí)際轉(zhuǎn)速的跟蹤性能.

1)馬達(dá)初始目標(biāo)轉(zhuǎn)速為100 r/min,在第1秒時(shí)階躍至200 r/min,在第2秒時(shí)階躍至300 r/min,馬達(dá)及滾筒轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果如圖7(a)所示.從圖可以看出:馬達(dá)轉(zhuǎn)速響應(yīng)較快,在較短時(shí)間內(nèi)迅速到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài);隨著馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的增大,穩(wěn)態(tài)誤差也增大,最大誤差為3.51 r/min;液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速誤差對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速的影響很小,在馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí),滾筒轉(zhuǎn)速誤差不及0.04 r/min.

2)當(dāng)馬達(dá)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速按頻率為0.5 Hz、幅值為200 r/min的正弦規(guī)律變化時(shí),馬達(dá)及滾筒轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果見圖7(b).從圖可以看出,初始時(shí)存在一定幅度的震蕩,之后馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速可以較好地跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速,滾筒處的轉(zhuǎn)速誤差最大不超過0.05 r/min.

由以上兩種信號(hào)下的仿真結(jié)果可以看出,液壓馬達(dá)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,且轉(zhuǎn)速跟蹤誤差很小.

3.2.2突變工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖7　不同信號(hào)下馬達(dá)及滾筒轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果Fig.7　Simulation results of rotating speeds of hydraulic motor and rotary drum with different signals

1)在第2秒時(shí)給系統(tǒng)施加階躍負(fù)載信號(hào),液壓馬達(dá)及滾筒的轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性如圖8(a)所示.從圖可以看出,系統(tǒng)響應(yīng)很快,能在0.3 s內(nèi)快速恢復(fù)穩(wěn)定.當(dāng)受到階躍負(fù)載擾動(dòng)后,馬達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小,但穩(wěn)定后的速度有一定的下降.穩(wěn)態(tài)誤差約3 r/min,滾筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差不及0.03 r/min.

2)在第2秒時(shí)給系統(tǒng)施加一個(gè)0.2 s的脈沖負(fù)載信號(hào),仿真結(jié)果如圖8(b)所示.在脈沖負(fù)載信號(hào)結(jié)束后,馬達(dá)轉(zhuǎn)速和滾筒轉(zhuǎn)速在0.2 s內(nèi)就能達(dá)到穩(wěn)定,且不存在穩(wěn)態(tài)誤差.

3.2.3緩沖性能分析

在第2秒時(shí)給系統(tǒng)施加一個(gè)較大的脈沖負(fù)載(維持0.2 s),液壓系統(tǒng)壓力及截割電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化情況如圖9、10所示,液壓系統(tǒng)壓力超過溢流閥設(shè)定壓力時(shí)溢流閥開啟.從圖9、10可以看出,在突變負(fù)載階段,由于溢流閥開啟,液壓系統(tǒng)壓力無法繼續(xù)增大,保持在溢流閥設(shè)定壓力值,電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化與液壓系統(tǒng)壓力變化趨勢(shì)相同,且比不采用液壓系統(tǒng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩小.這是由于系統(tǒng)壓力受溢流閥設(shè)定值的限制,使得馬達(dá)轉(zhuǎn)矩?zé)o法隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大而持續(xù)增大,從而減小了突變負(fù)載對(duì)截割電機(jī)及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊.

4結(jié)論

根據(jù)差動(dòng)行星機(jī)構(gòu)調(diào)速原理,文中設(shè)計(jì)了一種采煤機(jī)液壓混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng),并分析了其工作模式;以AMESim軟件為平臺(tái),建立了采煤機(jī)液壓混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,并進(jìn)行了系統(tǒng)的參數(shù)匹配.分析結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力截割傳動(dòng)系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速;液壓馬達(dá)及滾筒的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,具有良好的轉(zhuǎn)速跟蹤性能,提高了系統(tǒng)的工況適應(yīng)性;與傳統(tǒng)機(jī)型相比,在突變負(fù)載下該新型采煤機(jī)引入液壓系統(tǒng)參與截割后，可以有效地緩和沖擊,保護(hù)了截割電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的可靠性.

圖8　馬達(dá)及滾筒轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化情況Fig.8　Variation of rotating speeds of hydraulic motor and rotary drum with impulse load

圖9　液壓系統(tǒng)壓力變化情況Fig.9　Pressure variation of hydraulic system

圖10　負(fù)載突變時(shí)截割電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化情況Fig.10　Variation of cutting motor torque with mutation load

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Design of Hydraulic Hybrid Cutting Transmission

System for Drum Shearer

YANGYangMAPeng-chengQINDa-tongCUIWei-long

(State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Abstract:On the basis of the speed regulation principle of differential epicyclic gears, a hydraulic hybrid cutting transmission system for the drum shearer with speed regulation is designed. Then, according to the system composition, the mathematical models of key parts and their speed control methods are constructed respectively. Finally, the dynamic characteristics of hydraulic motor and drum and the cushion property of the designed system are analyzed by using AMESim. The results show that (1) the designed system can regulate the speed of drum shearers, which makes the new machine achieve better cutting performance in complex working conditions in comparison with the traditional drum shearer of constant speed; (2) the hydraulic motor and drum have high response speed and can accurately track the goal speed; and (3) the designed system can cushion the shock caused by mutation loads.

Key words:drum shearer; hybrid system; epicyclic gears; AMESim

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.01.016

中圖分類號(hào)：TD421.61

作者簡(jiǎn)介：楊陽(1958-),男,博士,教授,主要從事流體傳動(dòng)及智能控制、混合動(dòng)力汽車研究.E-mail:yangyang@cqu.edu.cn

*基金項(xiàng)目：國家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB046304)

收稿日期：2015-05-08

文章編號(hào)：1000-565X(2016)01- 0108- 06 1000-565X(2016)01- 0114- 09

Foundation item： Supported by the National Program on Key Basic Research Project of China(2014CB046304)