基于MATLAB的刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)仿真研究

朱文清

（潞安集團(tuán)五陽(yáng)煤礦，山西 長(zhǎng)治 046205）

刮板輸送機(jī)是煤礦井下綜采作業(yè)的核心設(shè)備。隨著井下綜采作業(yè)效率的不斷提升，對(duì)刮板輸送機(jī)功率的需求越來(lái)越大，重型刮板輸送機(jī)在工作時(shí)的啟動(dòng)主要是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液力耦合器、減速器等共同組成的軟啟動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性啟動(dòng)，但其在啟動(dòng)過(guò)程中仍然存在著滿載工況或者帶負(fù)載啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)沖擊大，對(duì)鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致鏈條斷裂、輪齒受力變形等；同時(shí)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊極大，嚴(yán)重影響了煤礦井下供電系統(tǒng)的供電安全性，給刮板輸送機(jī)的安全運(yùn)行造成了極大的隱患。因此，迫切需要對(duì)刮板輸送機(jī)的軟啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，探索各裝置對(duì)其軟啟動(dòng)特性的影響，為優(yōu)化刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)系統(tǒng)、提升啟動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定性提供依據(jù)。本文采用了先構(gòu)建傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型然后利用MATLAB 仿真分析軟件進(jìn)行仿真的方案對(duì)其啟動(dòng)特性進(jìn)行研究，具有較強(qiáng)的應(yīng)用參考價(jià)值。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立

為了對(duì)刮板輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)建適宜的動(dòng)力學(xué)分析模型，本文采用隔離分析法分別構(gòu)建傳動(dòng)系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，刮板輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)見圖1[1]。

圖1 刮板輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)

刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型在建立時(shí)可采用適當(dāng)化簡(jiǎn)的方案，以一條直線來(lái)表征其工作時(shí)的機(jī)械特性，即：

式中：Td為刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)的實(shí)際輸出力矩；Te為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定輸出力矩；vd為驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；v0為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步輸出轉(zhuǎn)速；ve為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)速。

假設(shè)刮板輸送機(jī)的液力耦合器在工作時(shí)不存在特性跌落，因此可利用該特性構(gòu)造出一個(gè)與液力耦合器的工作外特性曲線符合的分析函數(shù)，以此構(gòu)造的分析函數(shù)為基礎(chǔ)，來(lái)對(duì)刮板輸送機(jī)液力耦合器工作時(shí)的特性進(jìn)行研究。液力耦合器在充液過(guò)程中的特性方程可表示為[2]：

式中：Tc為液力耦合器的傳遞力矩；μ，δ 為常數(shù)，本文取μ=2.5，δ=8.72；ρ 為液力耦合器的實(shí)際充液量；ρ0為液力耦合器的理論充液量；Vc為液力耦合器泵輪的理論轉(zhuǎn)速；Vw為液力耦合器泵輪的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速，j 為減速器的傳動(dòng)比，j=Vw/Vd。

鏈傳動(dòng)系統(tǒng)是刮板輸送機(jī)的動(dòng)力源，刮板輸送機(jī)在啟動(dòng)的時(shí)候鏈條只承受拉力，為了確保鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要對(duì)鏈條進(jìn)行一定的預(yù)緊，確保在啟動(dòng)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的松弛。因此在對(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)可假設(shè)鏈傳動(dòng)為線性結(jié)構(gòu)，其工作時(shí)的彈性振動(dòng)可用波動(dòng)方程進(jìn)行表述，因此本文結(jié)合實(shí)際分析，采用有限段單元法對(duì)刮板輸送機(jī)系統(tǒng)的鏈傳動(dòng)模型進(jìn)行分析，其鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)微分方程可表示為[3]：

式中：M 為各質(zhì)量單元構(gòu)成的質(zhì)量矩陣；C 為各質(zhì)量單元阻尼所構(gòu)成的阻尼矩陣；K 為各質(zhì)量單元?jiǎng)偠人鶚?gòu)成的剛度矩陣；FX為各質(zhì)量單元在外力下構(gòu)成的列陣；X"為系統(tǒng)的加速度陣列；X′為系統(tǒng)的速度陣列；X 為系統(tǒng)的位移陣列。

2 MATLAB仿真分析研究

利用MATLAB 仿真分析軟件[4]創(chuàng)立刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真分析模型。由于刮板輸送機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中需要較大的啟動(dòng)力矩，因此，為了獲得較大的可應(yīng)用啟動(dòng)力矩，應(yīng)該合理的選擇液力耦合器工作時(shí)的充液流量。充液流量Q 能夠有效的反應(yīng)出其工作時(shí)的充液速度，通過(guò)對(duì)液力耦合器工作時(shí)充液情況下刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩和鏈傳動(dòng)系統(tǒng)鏈條速度變化的仿真，即可分析出液力耦合器在不同充液流量下對(duì)刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的影響。

不同流量下電機(jī)輸出力矩的變化曲線見圖2，鏈條速度的變化曲線見圖3。

圖2 不同流量下電機(jī)輸出力矩的變化曲線

圖3 不同流量下鏈條的速度變化曲線

由仿真分析結(jié)果可知，在當(dāng)耦合器的充液流量為150 L/min 時(shí)其啟動(dòng)過(guò)程中電機(jī)的最大力矩值約為7 700 N·m，當(dāng)耦合器的充液流量為100 L/min 時(shí)其啟動(dòng)過(guò)程中電機(jī)的最大力矩值約為7 100 N·m；因此，通過(guò)增加耦合器的充液流量能夠有效的提升耦合器啟動(dòng)時(shí)的力矩值。當(dāng)耦合器的充液流量降低時(shí)不但會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)的力矩值降低，而且將導(dǎo)致鏈條工作時(shí)的蠕動(dòng)時(shí)間增加，使液力耦合器發(fā)熱嚴(yán)重，故在實(shí)際工作時(shí)應(yīng)該根據(jù)刮板輸送機(jī)的實(shí)際工作情況合理的設(shè)定耦合器的充液流量，以提升刮板輸送機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

鏈傳動(dòng)系統(tǒng)鏈條阻尼對(duì)刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的影響見圖4。

圖4 不同阻尼情況下刮板輸送機(jī)鏈條速度的變化曲線

由仿真分析結(jié)果可知，刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)上鏈條工作時(shí)的阻尼直接決定了刮板輸送機(jī)工作時(shí)鏈條速度震蕩的衰減速度，其阻尼系數(shù)越大鏈條速度震蕩越小，工作時(shí)的穩(wěn)定性就越高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立刮板輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析模型，利用MATLAB仿真分析軟件對(duì)其工作過(guò)程中不同充液流量及鏈條阻尼對(duì)軟啟動(dòng)過(guò)程的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

1）通過(guò)增加耦合器的充液流量能夠有效的提升耦合器啟動(dòng)時(shí)的力矩值，當(dāng)耦合器的充液流量降低時(shí)不但會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)的力矩值降低，而且將導(dǎo)致鏈條工作時(shí)的蠕動(dòng)時(shí)間增加，使液力耦合器發(fā)熱嚴(yán)重。

2）刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)上鏈條工作時(shí)的阻尼直接決定了刮板輸送機(jī)工作時(shí)鏈條速度震蕩的衰減速度，其阻尼系數(shù)越大鏈條速度震蕩越小，工作時(shí)的穩(wěn)定性就越高。