混合動(dòng)力系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

呂奇峰

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045300）

引言

對(duì)我國(guó)能源類型及儲(chǔ)量來看，煤炭在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將占據(jù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)地位。從大方面來看，煤炭生產(chǎn)包括掘進(jìn)工作面的掘進(jìn)和綜采工作面煤炭開采兩大內(nèi)容。其中，懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為掘進(jìn)工作面的主要設(shè)備，由于我國(guó)煤層埋藏情況相對(duì)復(fù)雜，在實(shí)際掘進(jìn)過程中由于煤層、巖層不確定性，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)突變工況增多，以往的傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)重載突變工況下的沖擊吸收有限，從而造成對(duì)掘進(jìn)機(jī)零部件的損壞，降低設(shè)備的使用壽命；此外，目前掘進(jìn)機(jī)設(shè)備配置的電機(jī)類型為雙功率雙速水冷電機(jī)，該電機(jī)功率大，在實(shí)際生產(chǎn)中僅遇到軟質(zhì)煤巖時(shí)大功率才得以利用，而在普通工況下容易造成能源浪費(fèi)[1]。因此，需結(jié)合當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，以提高掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)突變工況的能力。

1 掘進(jìn)機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)思路

一套掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)主要包含有行駛系統(tǒng)、截割系統(tǒng)以及調(diào)高系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)，在實(shí)際生產(chǎn)中各個(gè)分系統(tǒng)的動(dòng)力均是相對(duì)獨(dú)立的。在實(shí)際生產(chǎn)中行駛系統(tǒng)、截割系統(tǒng)之間存在一定的間隙。因此，可將行駛系統(tǒng)的動(dòng)力源供向截割系統(tǒng)，一方面可提高行駛系統(tǒng)動(dòng)力源的利用率，另一面可以減少截割電機(jī)的負(fù)荷[2]。為此設(shè)計(jì)如圖1 所示的傳動(dòng)方案。

圖1-1 的傳動(dòng)方案思路為行駛系統(tǒng)和截割系統(tǒng)的動(dòng)力源分別通過一級(jí)行星減速器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的耦合，將動(dòng)力傳送至截割頭；圖1-2 傳動(dòng)方案思路為行駛系統(tǒng)和截割系統(tǒng)通過普通轉(zhuǎn)速器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩耦合，然后通過二級(jí)行星齒輪減速器將動(dòng)力傳送至截割頭。基于圖1-1 傳動(dòng)方案思路實(shí)現(xiàn)對(duì)截割頭的變轉(zhuǎn)速控制；基于圖1-2 傳動(dòng)方案思路確保截割頭能夠在額定工作點(diǎn)運(yùn)行，能夠間接提高掘進(jìn)機(jī)的使用壽命。

圖1 優(yōu)化傳動(dòng)方案思路

1.2 傳動(dòng)方案的選型

基于圖1-1 傳動(dòng)方案思路雖然在扭矩上能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，但是此種傳動(dòng)方案的傳動(dòng)較大，在同等截割頭轉(zhuǎn)速下液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速較低，無法充分發(fā)揮液壓馬達(dá)的工作效率。而對(duì)于圖1-2 方案思路而言，此傳動(dòng)方式是基于轉(zhuǎn)矩耦合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)設(shè)備遇到軟煤層時(shí)可控制截割頭處于低轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下工作；當(dāng)設(shè)備遇到硬煤層時(shí)可控制截割頭處于高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下工作，能夠滿足實(shí)際掘進(jìn)中煤巖層情況復(fù)雜的特點(diǎn)[3]。

綜上所述，選擇圖1-2 傳動(dòng)方案思路，基于該傳動(dòng)思路設(shè)計(jì)如下頁圖2 所示的傳動(dòng)方案。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)截割部參數(shù)的設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)參數(shù)的確定

本文所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)的載體為EBZ260 掘進(jìn)機(jī)，基于該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)對(duì)1.2 所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的液壓馬達(dá)和蓄能器兩大關(guān)鍵液壓元件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

基于EBZ260 型掘進(jìn)機(jī)的額定工作壓力以及其他相關(guān)參數(shù)得出，當(dāng)液壓馬達(dá)的效率保持在90%以上時(shí)，應(yīng)將馬達(dá)的轉(zhuǎn)速控制在600～1 600 r/min 左右。綜合考慮馬達(dá)排量與成本及工作壓力等因素，設(shè)定馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。根據(jù)式（1）計(jì)算得出馬達(dá)的排量：

圖2 傳動(dòng)方案

式中：P為馬達(dá)的輸入功率，取2×35 kW；p1為馬達(dá)的輸入壓力，取260 MPa；n為馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，取1 500 r/min。經(jīng)計(jì)算得出，馬達(dá)的排量為107 mL/r。經(jīng)調(diào)研可選馬達(dá)的型號(hào)為力士樂A2FM系列。

2.2 機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)的確定

轉(zhuǎn)矩耦合齒輪作為混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)械系統(tǒng)，該齒輪的參數(shù)計(jì)算如下：所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是基于轉(zhuǎn)矩耦合的思路實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)的轉(zhuǎn)速為990 r/min，得出轉(zhuǎn)矩耦合齒輪的傳動(dòng)比為1 500/990=1.5。經(jīng)計(jì)算得出轉(zhuǎn)矩耦合齒輪的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 轉(zhuǎn)矩耦合齒輪參數(shù)

3 混合動(dòng)力系統(tǒng)性能的分析

本文所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力系統(tǒng)主要應(yīng)用掘進(jìn)機(jī)解決其在重載荷突變的情況下對(duì)系統(tǒng)本身造成沖擊，進(jìn)而降低掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的使用壽命[4]。故，本節(jié)將基于AMESim 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力系統(tǒng)吸收沖擊載荷的性能進(jìn)行仿真研究。

為得到準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，本文采用AMESim 和MATLAB 軟件聯(lián)合對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)在煤巖突變的情況下的性能進(jìn)行研究，設(shè)定在仿真時(shí)間為4 s 時(shí)，巖層的硬度由10 突變?yōu)?2[5]。設(shè)定掘進(jìn)機(jī)截割頭的轉(zhuǎn)速為34.8 r/min，掘進(jìn)機(jī)升降油缸的推進(jìn)速度為2.19 r/min，水平回轉(zhuǎn)油缸的推進(jìn)速度為2.19 r/min，設(shè)定仿真市場(chǎng)為10 s。

3.1 截割頭轉(zhuǎn)速變化

掘進(jìn)機(jī)遇到煤巖突變情況時(shí)，掘進(jìn)機(jī)截割頭轉(zhuǎn)速的變化情況如圖3 所示。

圖3 截割頭轉(zhuǎn)速的變化情況

如圖3 所示，當(dāng)仿真時(shí)間為4 s 時(shí)，煤巖硬度發(fā)生突變，截割頭的轉(zhuǎn)速在同時(shí)刻發(fā)生突變，且波動(dòng)范圍維持在34～35.6 r/min 之間，并在大約1 s 后截割頭轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常。

3.2 液壓馬達(dá)與電機(jī)扭矩變化情況

掘進(jìn)機(jī)遇到煤巖突變情況時(shí)，液壓馬達(dá)與電機(jī)扭矩變化情況如圖4 所示。

圖4 液壓馬達(dá)與截割電機(jī)扭矩變化情況

如圖4 所示，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中煤巖硬度發(fā)生突變時(shí)，截割電機(jī)和液壓馬達(dá)的輸出扭矩在4 s時(shí)發(fā)生突變。其中，截割電機(jī)的輸出扭矩在突變1 s后逐漸趨于穩(wěn)定，并最終保持與在1 850 N·m；液壓馬達(dá)的輸出扭矩在煤巖突變后瞬間趨于穩(wěn)定，并最終由突變前的200 N·m 增大為500 N·m。

綜上所述，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中截割頭所遇煤巖硬度發(fā)生突變時(shí)，截割電機(jī)的輸出扭矩及截割頭的輸出轉(zhuǎn)速維持在原有功率及轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

4 結(jié)語

懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為巷道掘進(jìn)的主要設(shè)備，在實(shí)際掘進(jìn)過程中存在煤巖硬度突變的情況，導(dǎo)致重載荷突變進(jìn)而對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭造成沖擊，進(jìn)而對(duì)其余部件造成沖擊，影響掘進(jìn)機(jī)的使用壽命。為此，本文基于扭矩耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力系統(tǒng)，并基于AMESim 和MATLAB 軟件對(duì)其性能進(jìn)行仿真分析得出：掘進(jìn)機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠解決其在重載荷突變的工況下保持恒功率的運(yùn)行狀態(tài)，減小對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊。