特殊工況下采煤機(jī)截割穩(wěn)態(tài)特性的研究

鄭艷棟

（大同煤炭集團(tuán)有限公司安全監(jiān)管五人小組管理部， 山西 大同 037003）

引言

采煤機(jī)是煤礦井下重要的綜采設(shè)備，作為煤礦“三機(jī)”之一，其工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到井下綜采作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)性。煤礦井下的綜采作業(yè)環(huán)境相對(duì)惡劣，采煤機(jī)在綜采作業(yè)時(shí)需要承受極大的振動(dòng)、沖擊。采煤機(jī)在特殊工況過(guò)程中其傳動(dòng)系統(tǒng)將承受較大的震蕩，給采煤機(jī)的穩(wěn)定工作造成了較大的隱患。大同煤炭集團(tuán)有限公司針對(duì)MG100 型采煤機(jī)在特殊工況下振動(dòng)沖擊大、穩(wěn)定性差的問(wèn)題，成立了專門(mén)的技術(shù)攻關(guān)小組，利用MATLAB 仿真分析軟件對(duì)其工作過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析，為優(yōu)化采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提升其工作穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

1 采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及分析工況

MG100 型采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1[1]。

圖1 采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在進(jìn)行仿真分析時(shí)，項(xiàng)目組根據(jù)采煤機(jī)在井下實(shí)際工作時(shí)的工作參數(shù)，同時(shí)對(duì)影響其穩(wěn)態(tài)特性的因素進(jìn)行分析，最終確定電機(jī)在啟動(dòng)工況下煤層的截割阻力為零，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)的轉(zhuǎn)速的最大變化率為250 r/min，采煤機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的進(jìn)給速度為4.5 m/min，該采煤機(jī)在工作時(shí)采用了直接啟動(dòng)的方式，在截割作業(yè)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速的變化通過(guò)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

當(dāng)采煤機(jī)在井下發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，其發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)井下綜采面作用在采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)上的截割阻抗將在1.9 s 內(nèi)由正常的200 kN/m 增加到約600 kN/m，作用在截割滾筒上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在瞬間增加三倍以上。以實(shí)際監(jiān)測(cè)到的采煤機(jī)在啟動(dòng)和阻抗工況下的運(yùn)行參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)置仿真分析時(shí)的邊界條件，最大限度地模擬采煤機(jī)在各工況下的實(shí)際的運(yùn)行穩(wěn)態(tài)特性[2]。

MG100 型采煤機(jī)工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)功率為290 kW，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為44.6，工作時(shí)截割滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為1 980 kg·m2，采煤機(jī)工作時(shí)的進(jìn)給功率約為40 kW，進(jìn)給部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率為39 kW，工作轉(zhuǎn)速為1 470 r/min，采煤機(jī)的整機(jī)重量約為45 t。

2 采煤機(jī)啟動(dòng)工況下的仿真分析結(jié)果

采煤機(jī)在啟動(dòng)工況下截割機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩和嚙合力變化情況分別如圖2、圖3 所示。

圖2 采煤機(jī)啟動(dòng)時(shí)截割機(jī)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化曲線

分析圖2 可知，在采煤機(jī)截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始工作的初期，截割機(jī)構(gòu)的截割轉(zhuǎn)速和截割轉(zhuǎn)矩發(fā)生了劇烈的波動(dòng)，特別是截割轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰值可達(dá)截割機(jī)構(gòu)工作時(shí)額定工作轉(zhuǎn)矩的1.67 倍，給采煤機(jī)的截割電機(jī)帶來(lái)了極大的沖擊。在啟動(dòng)過(guò)程中截割機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)了先劇烈波動(dòng)再逐漸上升至平穩(wěn)的過(guò)程，這是由于在截割作業(yè)初期，截割滾筒與煤壁接觸較淺，截割阻力變化較大，導(dǎo)致了其截割轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，但其總體相對(duì)穩(wěn)定，能夠滿足綜采作業(yè)的穩(wěn)定需求。

圖3 采煤機(jī)啟動(dòng)時(shí)截割機(jī)構(gòu)的嚙合力變化曲線

分析圖3 可知，在采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)工作開(kāi)始的時(shí)候，其傳動(dòng)系統(tǒng)的嚙合齒輪發(fā)生了脫嚙現(xiàn)象，這主要是在采煤機(jī)啟動(dòng)的開(kāi)始時(shí)候，截割機(jī)構(gòu)重量大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大而導(dǎo)致的，但是由于電機(jī)在啟動(dòng)初期的轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，因此對(duì)其嚙合輪齒的單邊沖擊較小。當(dāng)采煤機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定截割狀態(tài)后，采煤機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩在減小的過(guò)程中同樣產(chǎn)生了一定的波動(dòng)，導(dǎo)致嚙合輪齒間產(chǎn)生了雙邊振動(dòng)沖擊[3]，使采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生噪聲。

3 采煤機(jī)堵轉(zhuǎn)工況下的仿真分析結(jié)果

采煤機(jī)堵轉(zhuǎn)工況是指在截割作業(yè)過(guò)程中采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的截割阻力突然增加，導(dǎo)致無(wú)法正常進(jìn)行截割作業(yè)而導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，為了研究在堵轉(zhuǎn)工況下采煤機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性，利用仿真分析軟件對(duì)此工況下的穩(wěn)態(tài)特性情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖4 所示。

分析圖4 可知，從1.9 s 給其施加一個(gè)截割阻抗，使其由正常的200 kN/m 增加到約600 kN/m，此時(shí)所施加的負(fù)載轉(zhuǎn)矩已經(jīng)超出了采煤機(jī)的截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大承受轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電機(jī)的截割轉(zhuǎn)速以及截割轉(zhuǎn)矩迅速下降，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作電流則開(kāi)始增加，整個(gè)變化周期約為0.6 s，在該變化周期內(nèi)采煤機(jī)的截割系統(tǒng)將承受巨大的過(guò)載，其穩(wěn)態(tài)特性受到較大的影響，因此為了確保其工作過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)特性，就需要加大系統(tǒng)承受過(guò)載的能力。最終電機(jī)的截割轉(zhuǎn)速降低為零，其截割轉(zhuǎn)矩降低為0.4 kN·m，而電機(jī)的工作電流增加為額定工作電流的3.24 倍，因此為了避免電機(jī)過(guò)熱損壞，需要在系統(tǒng)中設(shè)置過(guò)載電流保護(hù)[4]。

圖4 堵轉(zhuǎn)工況下采煤機(jī)截割特性變化示意圖

4 結(jié)論

1）在啟動(dòng)工況下，采煤機(jī)截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始工作的初期，截割機(jī)構(gòu)的截割轉(zhuǎn)速和截割轉(zhuǎn)矩發(fā)生了劇烈的波動(dòng)，特別是截割轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰值可達(dá)截割機(jī)構(gòu)工作時(shí)額定工作轉(zhuǎn)矩的1.67 倍，給采煤機(jī)的截割電機(jī)帶來(lái)了極大的沖擊；

2）在堵轉(zhuǎn)工況下，在整個(gè)調(diào)整周期內(nèi)采煤機(jī)的截割系統(tǒng)將承受巨大的過(guò)載，其穩(wěn)態(tài)特性受到較大的影響，這就需要加大系統(tǒng)承受過(guò)載的能力，同時(shí)由于工作電流迅速增加，為了避免電機(jī)過(guò)熱損壞，需要在系統(tǒng)中設(shè)置過(guò)載電流保護(hù)。