采煤機(jī)永磁半直驅(qū)系統(tǒng)負(fù)載特性模擬試驗(yàn)研究

姚學(xué)彬

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同機(jī)電裝備有限公司， 山西 大同 037000）

引言

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，鑒于相對(duì)惡劣的綜采工作面以及復(fù)雜、多變的煤層、頂板等地質(zhì)條件，采煤機(jī)在截割煤層過(guò)程中所承受的載荷為動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，而且經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)載荷異常的情況。滾筒為采煤機(jī)與煤層直接接觸的部件，其所承受的載荷具有非線性、時(shí)變性和強(qiáng)耦合性的特點(diǎn)，通過(guò)滾筒傳遞至截割部的載荷使得采煤機(jī)的穩(wěn)定性和工作性能面臨極大的挑戰(zhàn)[1]。本文深入開展采煤機(jī)永磁半直驅(qū)系統(tǒng)復(fù)雜特性的模擬試驗(yàn)研究，研究成果旨在為后續(xù)采煤機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工作性能的改善提供依據(jù)。

1 采煤機(jī)永磁半直驅(qū)負(fù)載特性模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)采煤機(jī)永磁半直驅(qū)負(fù)載特性的模擬試驗(yàn)需專門為其設(shè)計(jì)一款負(fù)載特性模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。結(jié)合模擬試驗(yàn)要求，該系統(tǒng)需具備加載、驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、監(jiān)測(cè)以及計(jì)算機(jī)分析功能。本小節(jié)主要針對(duì)性地完成模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分別包括有加載測(cè)試程序、運(yùn)行監(jiān)測(cè)程序、信號(hào)采集處理程序以及顯示程序的設(shè)計(jì)。

1.1 動(dòng)態(tài)加載測(cè)試程序的設(shè)計(jì)

結(jié)合負(fù)載特性模擬試驗(yàn)的要求，其對(duì)應(yīng)的加載測(cè)試程序結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

如圖1 所示，設(shè)備初始化模塊是保證模擬系統(tǒng)正常通信的基礎(chǔ)上，其能夠?qū)崿F(xiàn)儀器控制和數(shù)據(jù)采集功能；設(shè)備參數(shù)設(shè)置模塊根據(jù)模擬試驗(yàn)的需求對(duì)被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)設(shè)備的過(guò)載保護(hù)；加載波形生成模塊根據(jù)模擬試驗(yàn)要求針對(duì)性地提供并加載點(diǎn)典型波形；數(shù)據(jù)讀寫模塊主要是完成相關(guān)控制指令的寫入和加載；PID 參數(shù)設(shè)置模塊的主要作用是通過(guò)對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，盡可能減少加載測(cè)試系統(tǒng)的振動(dòng)，保證輸入、輸出波形不失真；實(shí)時(shí)顯示模塊是對(duì)被測(cè)對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。

圖1 動(dòng)態(tài)加載測(cè)試程序結(jié)構(gòu)圖

1.2 永磁電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

永磁電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)程序的目的是對(duì)采煤機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為了獲取更加精確的模擬試驗(yàn)結(jié)果，要求監(jiān)測(cè)程序具有較高的精度和速度。永磁電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心為RDI100 系列變頻器和DSP 控制器，其主要結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 永磁電動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖2 所示，永磁電動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為主電路、控制部分和上位機(jī)部分，基于主電路和控制部分對(duì)永磁同步電機(jī)的電壓、電流以及轉(zhuǎn)速等信號(hào)進(jìn)行整流、濾波、逆變等分析處理后，通過(guò)RS485 通信總線上傳至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)，以便模擬試驗(yàn)過(guò)程可實(shí)時(shí)掌握永磁電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)[2]。

1.3 數(shù)據(jù)采集和顯示程序的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能在常規(guī)數(shù)據(jù)程序的基礎(chǔ)上采用TQ-660 扭矩傳感器和研華PCIE-1816 數(shù)據(jù)采集卡等關(guān)鍵硬件設(shè)備對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，分析、存儲(chǔ)和顯示。在上位機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)USB 數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)二者之間的通信，并對(duì)永磁同步電機(jī)電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示于存儲(chǔ)。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)軟件的性能，在實(shí)際模擬試驗(yàn)之前對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，包括單向三角波、單向正弦波以及導(dǎo)入波形等進(jìn)行測(cè)試[3]。經(jīng)測(cè)試可得：試驗(yàn)系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行，并能夠根據(jù)試驗(yàn)要求完成相應(yīng)的控制功能和通信功能，可直接應(yīng)用于對(duì)采煤機(jī)永磁半直驅(qū)系統(tǒng)負(fù)載特性的模擬試驗(yàn)。

2 采煤機(jī)永磁半直驅(qū)系統(tǒng)負(fù)載特性模擬試驗(yàn)

結(jié)合采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中的工況，本次負(fù)載特性模擬試驗(yàn)分別對(duì)正常工況、突變工況以及調(diào)速工況下采煤機(jī)永磁半直驅(qū)系統(tǒng)的負(fù)載特性進(jìn)行仿真分析。

2.1 正常工況負(fù)載特性模擬試驗(yàn)

所謂正常工況指的是，采煤機(jī)截割對(duì)象僅為煤層，分別對(duì)煤層為軟煤層和硬煤層的情況進(jìn)行對(duì)比研究。本次仿真設(shè)定采煤機(jī)滾筒的旋轉(zhuǎn)速度為34 r/min，對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)的牽引速度為6 m/min，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 正常工況下系統(tǒng)負(fù)載特性仿真結(jié)果

如圖3 所示，在正常工況下采煤機(jī)永磁半直驅(qū)系統(tǒng)截割軟煤層和硬煤層時(shí)對(duì)應(yīng)指令信號(hào)、加載轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)一致；區(qū)別在于：當(dāng)截割硬煤層時(shí)，由于煤層的截割阻抗較大，導(dǎo)致半直驅(qū)系統(tǒng)所承受的轉(zhuǎn)矩增加，電機(jī)電流也相應(yīng)增加。

2.2 突變工況負(fù)載特性模擬試驗(yàn)

所謂突變工況指的是采煤機(jī)截割對(duì)象僅為有煤炭、矸石以及包裹體組成的復(fù)雜煤層。本次仿真設(shè)定采煤機(jī)滾筒的旋轉(zhuǎn)速度為34 r/min，對(duì)應(yīng)采煤機(jī)的牽引速度為6 m/min，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 突變工況下系統(tǒng)負(fù)載特性仿真結(jié)果

如圖4 所示，指令信號(hào)與加載轉(zhuǎn)矩的曲線幾乎一致。與圖3 對(duì)比可知，當(dāng)在截割硬煤層或者軟煤層時(shí)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩維持在250 N·m 和125 N·m 之間；而在突變工況下截割復(fù)雜煤層時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變至650 N·m。而且，從截割電機(jī)轉(zhuǎn)速層面分析，在正常工況下截割電機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎恒定在270 r/min 運(yùn)轉(zhuǎn)；而在突變工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載的增加而減小，隨著負(fù)載的減小而相應(yīng)增加，處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，且最大突變量可達(dá)7.5 r/min。

2.3 調(diào)速工況負(fù)載特性模擬試驗(yàn)

所謂調(diào)速工況指的是，在采煤機(jī)截割對(duì)象一致的前提下，截割部滾筒旋轉(zhuǎn)速度為34 r/min，分別對(duì)牽引速度為3 m/min 和6 m/min 的負(fù)載特性進(jìn)行研究。本小節(jié)對(duì)調(diào)速工況下不同牽引速度下的負(fù)載特性進(jìn)行研究，仿真結(jié)果如圖5 所示。

如圖5 所示，在調(diào)速工況下采煤機(jī)永磁半直驅(qū)系統(tǒng)的負(fù)載特性變化趨勢(shì)一直；區(qū)別在于：隨著牽引速度的增加，采煤機(jī)永磁半直驅(qū)系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩等均相應(yīng)增加。

圖5 調(diào)速工況下不同牽引速度對(duì)應(yīng)系統(tǒng)負(fù)載特性仿真結(jié)果

3 結(jié)論

采煤機(jī)作為綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，由于工作面煤層、地質(zhì)條件相對(duì)負(fù)載導(dǎo)致其所承受的負(fù)載處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)。本文針對(duì)采煤機(jī)永磁同步半直驅(qū)系統(tǒng)為例開展研究，在建立模式試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上分別對(duì)正常、突變以及調(diào)速工況下負(fù)載特性進(jìn)行仿真分析，并總結(jié)如下：

1）在正常工況下當(dāng)截割硬煤層時(shí)，由于煤層的截割阻抗較大導(dǎo)致半直驅(qū)系統(tǒng)所承受的轉(zhuǎn)矩增加，電機(jī)電流也相應(yīng)增加。

2）在突變工況下，在突變工況下截割復(fù)雜煤層時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變至650 N·m，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載的增加而減小，隨著負(fù)載的減小而增加，處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，且最大突變量可達(dá)7.5 r/min。

3）在調(diào)速工況下，隨著牽引速度的增加，采煤機(jī)永磁半直驅(qū)系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩等均相應(yīng)增加。