雙電機(jī)采煤機(jī)協(xié)同控制研究

蔣 政

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦， 山西 古交 030205）

0 引言

采煤機(jī)是綜采工作面中的重要設(shè)備，但由于煤層的地質(zhì)條件及煤體載荷的作用，采用MG300/700-WD 型雙滾筒電牽引采煤機(jī)作為實(shí)例，其承載力是變化的，加上自身重量大，在運(yùn)行時(shí)齒輪易發(fā)生斷裂[1]。理論上，兩個(gè)行走輪在牽引行走時(shí)的速度是相同的，然而，如果行走輪沒有立即與銷軌接觸，那么其他的傳動(dòng)輪和銷軌就會(huì)受到正常負(fù)荷的2 倍。MG300/700-WD 采煤機(jī)是由兩個(gè)等功率電動(dòng)機(jī)組成，因其工作環(huán)境的復(fù)雜性，環(huán)境條件多變，兩臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)常常發(fā)生偏載，造成一臺(tái)電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過載，另一臺(tái)電機(jī)負(fù)載不足，其他馬達(dá)負(fù)荷不足。針對(duì)以上問題，本文對(duì)MG300/700-WD 型雙滾筒電牽引采煤機(jī)牽引系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以達(dá)到對(duì)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)與控制和動(dòng)力均衡。

1 采煤機(jī)牽引系統(tǒng)的參數(shù)匹配

1.1 采煤機(jī)牽引部工作原理

煤礦井下采煤機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)由調(diào)速系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)箱、行走箱組成。該調(diào)速系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)與變頻裝置；傳動(dòng)裝置包括傳動(dòng)部分，如牽引馬達(dá)；在行走箱中，包括主動(dòng)輪、銷軸等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[2]。在收到控制器的命令后，采煤機(jī)牽引電動(dòng)機(jī)通過變頻器驅(qū)動(dòng)，由左、右兩個(gè)牽引箱結(jié)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給銷輪，從而使采煤機(jī)沿工作面的左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

如圖1 所示，采煤機(jī)的牽引電動(dòng)機(jī)向軸1 輸出功率，軸1 帶動(dòng)軸2 旋轉(zhuǎn)，軸2 帶動(dòng)軸3 旋轉(zhuǎn)，軸3 驅(qū)動(dòng)軸4 旋轉(zhuǎn)，軸驅(qū)動(dòng)中心輪。太陽輪驅(qū)動(dòng)行星運(yùn)載器上的行星輪。行星齒輪和內(nèi)部齒輪相嚙合，而內(nèi)部的齒輪則是固定的。行星輪圍繞著太陽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)行星架旋轉(zhuǎn)，行星架產(chǎn)生的動(dòng)力使傳動(dòng)銷旋轉(zhuǎn)。牽引部的減速箱采用四級(jí)式的傳動(dòng)方式，前三級(jí)是圓柱形齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，第四級(jí)是通過行星輪進(jìn)行傳動(dòng)，由于采煤機(jī)的牽引部在工作時(shí)負(fù)載很大，而減速箱是用牽引電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，所以對(duì)傳動(dòng)比有很高的要求，由于工作面的空間有限，所以牽引部的結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)得很緊湊。

圖1 采煤機(jī)單邊牽引裝置驅(qū)動(dòng)方式

1.2 采煤機(jī)傳動(dòng)參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)

采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)必須與其主要機(jī)械參數(shù)相結(jié)合，MG300/700-WD 雙滾筒電牽引采煤機(jī)傳動(dòng)比為237.643。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)值，一級(jí)齒輪傳動(dòng)比為2.38，二級(jí)齒輪傳動(dòng)比為3.82，三級(jí)齒輪傳動(dòng)比為4.61，四級(jí)齒輪傳動(dòng)比為5.67。通過對(duì)齒輪1 的齒數(shù)、中心距、齒寬等的初步設(shè)計(jì)，對(duì)齒輪1 的分度圓直徑作了初步的分析。對(duì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎矩進(jìn)行了初步計(jì)算，得出了各齒的最終尺寸，如表1所示。

表1 各級(jí)傳動(dòng)齒輪主要參數(shù)

為了解決非共軛嚙合問題，本文提出了利用漸開線牽引齒輪齒形進(jìn)行計(jì)算的方法。在理論上，為了提高采煤機(jī)牽引部的工作效率，采用了增加導(dǎo)軌間距的方法。因此，根據(jù)采煤機(jī)牽引部門當(dāng)前的銷軌節(jié)距，選擇了最大標(biāo)準(zhǔn)值147 mm，銷輪齒寬43.79 mm，銷輪齒11 個(gè)，銷輪壓力角20°。提高銷釘和銷輪的耐磨性和抗彎性，銷釘與銷輪之間采用正向變位驅(qū)動(dòng)，以減小齒根摩擦，從而降低銷釘?shù)哪p。但是，正向換檔時(shí)，銷軌與銷輪的重合性會(huì)減小，因此需要用小位移系數(shù)來克服，從而使銷釘與銷輪的嚙合變形系數(shù)達(dá)到0.4。

2 基于耦合控制的雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)

2.1 傳統(tǒng)采煤機(jī)雙電機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

利用UG 建立了采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)與銷輪、銷軸等參數(shù)的匹配，建立了采煤機(jī)牽引力控制系統(tǒng)的三維模型。根據(jù)傳統(tǒng)采煤機(jī)的單電機(jī)輸出功率和雙電機(jī)主從式同步控制方法，針對(duì)控制精度和工作參數(shù)上的不同，提出了一種適合雙電動(dòng)機(jī)的協(xié)同控制方案，以確保兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的工作功率保持在一個(gè)相對(duì)均衡的水平。MG300/700-WD 雙滾筒電動(dòng)牽引采煤機(jī)，采用主從式控制模式，實(shí)現(xiàn)了左右電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制。在實(shí)際使用中，左、右牽引電動(dòng)機(jī)的同步精度不高，造成機(jī)構(gòu)在碰撞中出現(xiàn)嚴(yán)重磨損或破損。通過仿真和分析，發(fā)現(xiàn)在需要調(diào)節(jié)采煤機(jī)牽引速度的情況下，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)在主- 從矢量控制模式下的信號(hào)發(fā)生了滯后現(xiàn)象，不能使2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步；在左右牽引電動(dòng)機(jī)負(fù)荷不同時(shí)，特別是電動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化較大時(shí)，不能保證兩電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作。

2.2 基于耦合控制實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)的協(xié)調(diào)控制

左、右牽引電機(jī)采用并行矢量控制，也就是控制器將信號(hào)同步地輸出到左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以解決電機(jī)的信號(hào)延遲問題。模擬時(shí)間為9 s，當(dāng)仿真時(shí)間為5 s時(shí)，提供轉(zhuǎn)速波動(dòng)信號(hào)，使信號(hào)波動(dòng)速度由60 r/s 變?yōu)?0 r/s，圖2 為主從及并行控制模式對(duì)比。在采煤機(jī)牽引速度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，采用并行控制方法，左右牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差總是在0 上下波動(dòng)；而在主從式調(diào)速模式下，左、右牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏差最大值為9.8 r/min，并保持了很長(zhǎng)時(shí)間，直到2 s 后才能進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。所以，利用并行控制方法來實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)左右牽引電動(dòng)機(jī)的協(xié)同控制是切實(shí)可行的。

圖2 主從及并行控制模式對(duì)比

但是，單一的并行控制方法有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，那就是當(dāng)某一電動(dòng)機(jī)被干擾時(shí)，左、右牽引電機(jī)的速度有很大的變化。通過模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在某一電動(dòng)機(jī)被干擾時(shí)，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的最大速度誤差可以達(dá)到8 r/min。產(chǎn)生以上問題的主要原因在于并行控制采用的是開環(huán)控制方式，當(dāng)一個(gè)電動(dòng)機(jī)被干擾后，無法向其他電動(dòng)機(jī)反饋。為了解決這個(gè)問題，通過雙電動(dòng)機(jī)的交叉耦合控制，將兩者的轉(zhuǎn)速偏差作為額外的信號(hào)發(fā)送到2 個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，從而消除了2 個(gè)電動(dòng)機(jī)之間的速度偏差。并當(dāng)模擬時(shí)間為5 s 時(shí)，提供一種速度波動(dòng)信號(hào)，將信號(hào)波動(dòng)速度從60 r/s 到90 r/s，模擬分析電動(dòng)機(jī)在1～5 s 時(shí)間內(nèi)被干擾時(shí)的速度偏離。

在交叉耦合控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，當(dāng)雙電機(jī)其中一臺(tái)被干擾時(shí)，左右牽引電機(jī)的最大速度誤差都可限制在0 左右；主從式雙電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速誤差（6.3 r/min）比并行控制（2.5 r/min）更大。總之，采用交叉耦合的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的左右驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功能進(jìn)行協(xié)同控制。此外，為了更深入考察這些技術(shù)在實(shí)際運(yùn)行情況下的作用，我們還對(duì)雙電機(jī)在不同情況下的協(xié)調(diào)控制，開展了實(shí)證研究。

3 采煤機(jī)雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制方式的應(yīng)用研究

3.1 正常工況條件下

本文首先著重分析了在正常工作條件下，交叉耦合控制、并行控制和主從型控制模式下銷軌與銷輪間的嚙合作用，并總結(jié)出了相應(yīng)的應(yīng)用結(jié)果。左、右牽引電動(dòng)機(jī)在主從式控制下的同步精度不高，造成左側(cè)銷軌與銷輪之間產(chǎn)生的嚙合力比右側(cè)大。在正常工況下，電機(jī)不受干擾時(shí)，通過并行和交叉耦合方式實(shí)現(xiàn)了左右銷軸與銷軌之間嚙合力的平衡，且兩側(cè)載荷的偏差值僅為0.4%，由此可以得出：采用交叉耦合電機(jī)協(xié)調(diào)控制方式以及并行控制模式，在正常工況條件下，均可以達(dá)到左右兩側(cè)銷軌與銷輪之間力的平衡。

3.2 惡劣工況條件下

在驗(yàn)證了正常工況條件下雙電機(jī)協(xié)同控制的效果后，還分析了交叉耦合控制、并行控制模式在惡劣條件下（單臺(tái)電動(dòng)機(jī)受到干擾）左右兩側(cè)銷軸及銷輪的嚙合力大小。通過應(yīng)用結(jié)果可以看出，右牽引電動(dòng)機(jī)在受干擾的情況下，采用并行控制模式，左右兩邊的受力不平衡，極易產(chǎn)生偏載荷現(xiàn)象；在交叉耦合控制模式的作用下，左、右銷輪和銷軸嚙合平衡，具有很好的抗干擾性。實(shí)踐表明：在常規(guī)工況下，主從式牽引電動(dòng)機(jī)的左右負(fù)載分布不平衡，采用并行和交叉耦合的控制方法，均可以使左右牽引電動(dòng)機(jī)協(xié)同工作；在復(fù)雜的工作環(huán)境中，采用交叉耦合的方法比并行控制模式具有更好的抗干擾性。

4 結(jié)語

MG300/700-WD 型電力牽引采煤機(jī)的牽引系統(tǒng)多為主從式，存在著左右同步精度不高，銷輪和銷軌磨損嚴(yán)重的問題。為此，研究了煤礦雙電機(jī)的協(xié)同控制問題。主從式矢量控制是造成左右牽引電動(dòng)機(jī)遲滯的重要因素。雖然采用并行控制方法可以確保左右2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的同步協(xié)同運(yùn)行，但是如果有1 臺(tái)電動(dòng)機(jī)被干擾，就不可能迅速地使2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，因此，把電動(dòng)機(jī)的速度偏差作為另一種輸入信息，也就是使用交叉耦合的控制方式。實(shí)踐表明：通過交叉耦合控制方式實(shí)現(xiàn)銷軸與左右銷輪的嚙合平衡，具有很好的抗干擾性。