煤礦采煤機(jī)截割電機(jī)優(yōu)化設(shè)計

羅 怡

（同煤集團(tuán)馬脊梁礦，山西大同 037003）

0 引言

近些年來，中國煤炭行業(yè)取得了較快發(fā)展，這一發(fā)展得益于綜采工作面所具有的開采效率，而開采效率的日益提升則依托于各個大型設(shè)備的正常運行及緊密配合。在開采過程中，采煤機(jī)是最主要的設(shè)備，該設(shè)備是否可以穩(wěn)定運行，將對作業(yè)面進(jìn)行的開采作業(yè)造成影響。其中，截割電機(jī)是確保采煤機(jī)有效運行的關(guān)鍵動力。因此，為了使工作面開展的開采作業(yè)具備較高的效率，必須保證截割電機(jī)的運行性能。

由于綜采工作面的生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，對截割電機(jī)的性能提出了更高的要求，且與地面各個設(shè)備的電機(jī)存在較大區(qū)別。其最核心的是保證采煤機(jī)電機(jī)具備較強(qiáng)的抗振動、耐潮濕性能，可以在一些危險環(huán)境下運行，其外形的尺寸參數(shù)必須盡可能小，以保證其可以順應(yīng)作業(yè)面的惡劣狀況。目前，中國所采用的截割電機(jī)的體積過于龐大，并且輸出水平較差，必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)體積較小、輸出較大的要求[1]。

1 完善設(shè)計理論概述

依據(jù)相關(guān)的理論知識可以取得三相異步電機(jī)的等效電路圖，如圖1所示。

圖1 三相異步電機(jī)的T型等效電路圖

根據(jù)圖1 可以計算出三相異步電機(jī)的方程組，從而得到轉(zhuǎn)矩計算式為：

式中：U 為電機(jī)所承受的外界電壓；p為截割電機(jī)所具有的極數(shù)；R為定子繞組存在的電阻數(shù)值；R2′為由R值擴(kuò)展為電機(jī)的電源頻率；X為定子繞組的電抗值；X2′為轉(zhuǎn)子繞組的漏抗值。

根據(jù)式（1）可以發(fā)現(xiàn)，如果要使啟動及最大兩個轉(zhuǎn)矩的數(shù)值不斷提升，最合理的辦法就是減小轉(zhuǎn)子的漏抗值。通過相關(guān)分析，促使最大轉(zhuǎn)矩值得以提升的關(guān)鍵渠道就是對啟動電流加以抑制，運用雙籠轉(zhuǎn)子來有效處理上述問題。因此，本文主要針對雙籠轉(zhuǎn)子來進(jìn)行研究[2]。

通過下式可以對截割電機(jī)所具有的各個參數(shù)進(jìn)行計算：

式中：Dil為定子的內(nèi)徑；lcf為定子鐵芯的最佳長度；ap′為極弧系數(shù)；Kwm為氣隙磁場所具有的波形系數(shù)；Kdpl為定子繞組的基波系數(shù)；A為電荷載；Bδ為最大的氣隙磁密數(shù)值；p′為截割電機(jī)的理論功率；n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式（2）可知，當(dāng)截割電機(jī)保持相同的輸出扭矩時，如果想要降低電機(jī)的尺寸，就必須提高A 和Bδ這兩個參數(shù)。其中，從理論上講，如果要轉(zhuǎn)變熱負(fù)荷的極限值，可以運用各個水冷形式來實現(xiàn)，如表1所示。

根據(jù)表1 可以發(fā)現(xiàn)，在具體應(yīng)用的過程中可以利用充液及定子外兩種水冷方式來增加熱負(fù)荷的極限值。

表1 截割電機(jī)的熱負(fù)荷極限值

另外，也可以通過氣隙的密度來適當(dāng)調(diào)整電機(jī)的尺寸，如圖2所示。通過分析可知，當(dāng)磁密的數(shù)值維持在B2范圍之內(nèi)，隨著電機(jī)使用效率的不斷增高，其尺寸將會越小；當(dāng)磁密的數(shù)值維持在B3范圍之內(nèi)，盡管可以使電機(jī)的尺寸得到有效降低，但卻不具備較高的過載水平，即不具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性。因此，可以將磁密的數(shù)值設(shè)定在B2的區(qū)域之內(nèi)[3]。

圖2 電機(jī)硅鋼片磁化特性曲線

2 截割電機(jī)水冷結(jié)構(gòu)完善設(shè)計

截割電機(jī)最主要的指標(biāo)就是“體積較小”。為了使截割電機(jī)所具有的體積盡可能減小，本文采取優(yōu)化冷卻的形式來完成截割電機(jī)的冷卻，從而使該電機(jī)的電負(fù)荷水平得以提升。通過分析各類資料可知，在對截割電機(jī)進(jìn)行冷卻時，水冷卻是最有效的一種方法[4]。因此，可將傳統(tǒng)的冷卻結(jié)構(gòu)改良為水冷卻形式，如圖3所示。

圖3 截割電機(jī)水冷卻的結(jié)構(gòu)圖

水冷卻的形式主要有定子外水冷、軸水冷等。在實際運用過程中，通道運用以上這些方式，其中各個形式的熱負(fù)荷極值如表1所示。

根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)可知，其機(jī)座可以采取水冷卻的方法，具有較高的可行性，內(nèi)部難以出現(xiàn)進(jìn)水；端蓋運用水冷卻的形式，由于其水路出現(xiàn)了并聯(lián)及串聯(lián)的原因，因此水路過差，從而導(dǎo)致可靠性較低；軸子采取水冷卻的方法，因其轉(zhuǎn)子屬于轉(zhuǎn)動零件，這就要求電機(jī)具備更高的密封性[5]。通過以上所開展的研究，截割電機(jī)在完成改良之后主要運用單端水冷卻的形式，其構(gòu)造如圖4所示。通過運用這種水冷卻的形式，不僅可以將電機(jī)內(nèi)部存在的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮減，而且可以提升電機(jī)運行的可靠性[4]。

圖4 單端水冷卻形式的構(gòu)造圖

此外，除了上述所研究的方法之外，電機(jī)在經(jīng)過改良之后，可以運用定子外水冷卻的形式。流程如下：將相應(yīng)的液體沖到電機(jī)，這種液體可以與電機(jī)繞軸、轉(zhuǎn)子等進(jìn)行直接接觸，從而使截割電機(jī)具備較高的熱負(fù)荷極限值，其構(gòu)造圖如圖5所示。采用這種結(jié)構(gòu)的水冷卻方式，除了要求其具備更高的密封性能之外，還應(yīng)當(dāng)配置相應(yīng)的觀察窗口、補(bǔ)充口等等[6]。

圖5 充液冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

3 組合結(jié)構(gòu)改良設(shè)計

對各個結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合運用的目的在于減小電機(jī)的體積，這里所闡述的組合結(jié)構(gòu)主要是將截割電機(jī)的局部與采煤機(jī)形成一個整體[7]，其構(gòu)造如圖6所示。通過運用圖中的結(jié)構(gòu)，其機(jī)座可以被分為兩個部分，一是與其整體的框架形成連接；二是涵蓋了隔爆腔體等構(gòu)造。根據(jù)以上這些結(jié)構(gòu)，不僅可以增強(qiáng)電機(jī)的防爆性，而且可以使電機(jī)分別具有獨立的機(jī)械及電器性能[8]。

圖6 采煤機(jī)截割電機(jī)的組合結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

為了使采煤機(jī)運行具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性，必須確保截割電機(jī)的正常運行，這也是保證工作面開采效率的基礎(chǔ)。經(jīng)過相關(guān)理論研究，通過對水冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良和設(shè)計出組合式電機(jī)，可以使截割電機(jī)的負(fù)荷水平得到極大提升。將本方案（ZB2D-111 型采煤機(jī)可以運用水套冷卻的形式，同時將該設(shè)備的整體框架與其外部框架可形成一個整體）運用到實際生產(chǎn)中，取得了較好的效果。