采煤機(jī)變速切割控制技術(shù)的研究

馬清亮， 李妙伶

（1.汾西礦業(yè)水峪煤業(yè)， 山西 孝義 032300； 2.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300）

引言

目前的采煤機(jī)械僅能對牽引速度進(jìn)行調(diào)節(jié)而無法對滾筒的截割速度進(jìn)行調(diào)整，由此導(dǎo)致了截割滾筒在切割質(zhì)地較硬的煤層時(shí)要通過降低采煤機(jī)牽引速度的方式減小采煤時(shí)煤層對采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的沖擊，使采煤機(jī)的生產(chǎn)效率下降，工況適應(yīng)性變差，嚴(yán)重影響了煤炭生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率[1]，因此本文研究一種變速切割控制技術(shù)。

1 采煤機(jī)截割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

采煤機(jī)截割系統(tǒng)主要包括截齒、滾筒、驅(qū)動電機(jī)與搖臂減速機(jī)構(gòu)噴霧降塵裝置等，現(xiàn)大多數(shù)截割機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)均采用的是三相異步電機(jī)，其無法根據(jù)采煤機(jī)的工作負(fù)載情況對驅(qū)動滾筒的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。采煤機(jī)的搖臂減速機(jī)構(gòu)主要是用于將驅(qū)動電機(jī)輸出的工作轉(zhuǎn)矩傳遞給截割滾筒進(jìn)行切割煤炭作業(yè)，同時(shí)依靠滾筒上的螺旋槽完成落煤作業(yè)，其多采用直齒傳動結(jié)構(gòu)，傳動比大，傳動效率高。采煤機(jī)截割系統(tǒng)的螺旋滾筒和設(shè)置在滾筒四周的截齒是用于切割煤炭的機(jī)構(gòu)，其作用是依靠驅(qū)動電機(jī)傳輸?shù)男D(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩完成對煤層內(nèi)煤炭的落煤和裝煤工作。

2 采煤機(jī)截割系統(tǒng)變速控制策略

采煤機(jī)截割系統(tǒng)的傳動部分在工作中所受的工作載荷就是采煤機(jī)截割滾筒在切割煤層時(shí)所受的截割阻力，因此要降低截割沖擊載荷對采煤機(jī)截割系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)的影響就要采取有效的措施，減小作用在截割滾筒上的截割阻力。由于在一定的截割阻力的作用下，截割滾筒端部所受的負(fù)載將會隨著滾筒轉(zhuǎn)速的升高而降低，隨著采煤機(jī)牽引速度的增大而增大，利用此特性，可以通過對采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度的方法對作用在采煤機(jī)截割系統(tǒng)上的負(fù)載沖擊進(jìn)行調(diào)節(jié)，針對井下最常見的同一煤層中截割阻力不均勻變化的情況，由圖1可知，單純的依靠降低采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速的方案對降低載荷沖擊的效果有限，而降低采煤機(jī)的牽引速度則能顯著的降低作用于截割滾筒上煤層的載荷沖擊，因此在工作時(shí)，應(yīng)先降低采煤機(jī)的牽引速度，將截割阻力對滾筒的沖擊載荷降低，然后提升截割滾筒的轉(zhuǎn)速，最后為了不影響采煤機(jī)的生產(chǎn)率再逐漸恢復(fù)采機(jī)的牽引速度[2]。圖1中Ap為煤壁的平均截割阻力，N/mm。

圖1 在不同截割阻力下在同一調(diào)速區(qū)間滾筒的負(fù)載變化情況

由下頁圖2（由于該圖為曲線合成圖，所以縱軸只顯示滾筒負(fù)載）分析可知，該變速控制方案能夠有效降低截割滾筒在工作中所受的負(fù)載沖擊，采煤機(jī)在執(zhí)行截割煤層作業(yè)時(shí)，會受到一個(gè)極大的移動阻力。經(jīng)測試，該減速度約為2 m/s2，因此在調(diào)整時(shí)，可充分利用該阻力來實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)牽引速度的控制，從而減小作用在采煤機(jī)截割滾筒上的負(fù)載沖擊[3]。

3 基于直接轉(zhuǎn)矩控制的截割部驅(qū)動電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

由電機(jī)學(xué)原理可知，直流電機(jī)的定子磁通Φm和電磁轉(zhuǎn)矩Te之間的關(guān)系可表示為[4]：

式中：CT為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Φm為電機(jī)的磁通量；Ia為電機(jī)的電樞電流；Lf為電機(jī)轉(zhuǎn)子寬度；if為電機(jī)的勵磁電流。

圖2 滾筒負(fù)載隨轉(zhuǎn)速和牽引速度的變化趨勢

由上式可知，直流電機(jī)的磁通量和其電樞電流是非耦合的關(guān)系，這表明，在直流電機(jī)中當(dāng)其勵磁電流不變時(shí)，可以通過調(diào)整電樞電流的方法來控制電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出的轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)子的運(yùn)動方程可表示為：

式中：J為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；T1為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)動角速度。

由此可將直流電機(jī)工作時(shí)的數(shù)學(xué)模型表示為：

4 仿真分析

首先對現(xiàn)有采煤機(jī)通過降低牽引速度來降低采煤機(jī)滾筒沖擊負(fù)載的方案進(jìn)行分系，設(shè)置采煤機(jī)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，采煤機(jī)的牽引速度為4 m/min，初始時(shí)巖壁的截割阻抗為210 N·mm-1，當(dāng)在3 s時(shí)巖層的截割阻抗增加為310 N·mm-1，仿真分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 調(diào)整牽引速度對負(fù)載沖擊的影響曲線

由圖3可知，當(dāng)采煤機(jī)在工作時(shí)遇到截割阻力突然增大的情況時(shí)，在3.1 s開始將采煤機(jī)的牽引速度由原來的4 m/min變成3 m/min，此時(shí)電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)矩及滾筒的負(fù)載轉(zhuǎn)矩快速降低，因此該控制方案能夠在遇到阻力時(shí)突然增加，使其能夠有效的降低作用在傳動系統(tǒng)上的沖擊載荷，由分析可知，當(dāng)完成牽引速度調(diào)整后，其滾筒的負(fù)載扭矩和電機(jī)的輸出軸扭矩分別降低為2 272 N·m及2 164 N·m，但因其轉(zhuǎn)速降低，將會極大的降低采煤的效率。

在相同的仿真運(yùn)行參數(shù)下，對基于直接轉(zhuǎn)矩控制的變速調(diào)節(jié)方案進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 變速調(diào)節(jié)方案下負(fù)載沖擊的影響曲線

由圖4可知，在基于直接轉(zhuǎn)矩控制的變速調(diào)節(jié)方案下，當(dāng)首先對牽引速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，其滾筒的負(fù)載扭矩和電機(jī)的輸出軸扭矩分別降低為2 412 N·m及2 361 N·m，當(dāng)牽引速度穩(wěn)定在3 m/s后，逐漸增加截割滾筒的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，可以看出此時(shí)作用在滾筒上的負(fù)載繼續(xù)保持下降，當(dāng)負(fù)載下降到約2 172 N·m時(shí)，開始增加采煤機(jī)的牽引速度，直到達(dá)到最初的4 m/s，此時(shí)采煤機(jī)滾筒的負(fù)載扭矩和電機(jī)的輸出軸扭矩分別降低為2 372 N·m及2 261 N·m，其負(fù)載相比降低牽引速度情況下的負(fù)載分別增加了4.4%和4.5%，從而確保了在不影響采煤機(jī)工作效率情況下，降低了作用在采煤機(jī)滾筒上的負(fù)載沖擊。

5 結(jié)論

采煤機(jī)變速切割技術(shù)的應(yīng)用，可提高煤炭開采速度，降低作用在采煤機(jī)滾筒上的沖擊載荷，同時(shí)又不影響采煤機(jī)工作效率，大大提高采煤機(jī)工作的可靠性和穩(wěn)定性。