采煤機截割部二次調節液壓加載試驗臺

王　潔　王　慧

遼寧工程技術大學，阜新，123000

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采煤機截割部二次調節液壓加載試驗臺

王潔王慧

遼寧工程技術大學，阜新，123000

摘要：針對采煤機截割部加載試驗能耗大、能量回收利用困難等問題，提出一種基于二次調節技術的具有能量回收功能的液壓封閉式加載系統方案。該系統采用一對二次元件并聯于恒壓網絡的對稱式結構，實現被試件的驅動、模擬加載和能量的回收再利用。詳細介紹了系統的總體結構、模擬加載系統的工作原理及其控制系統組成。以350 kW裝機功率進行了仿真和試驗研究，試驗結果表明：該能量回收加載系統具有良好的靜態、動態特性和轉速、轉矩調節功能，高負載工況功率回收率達40%以上，節能效果顯著。

關鍵詞：采煤機截割部；液壓加載；試驗臺；二次調節

0引言

隨著我國煤炭企業采煤工作面單產水平的提高和高產高效礦井的大量涌現，企業對大功率采煤機的需求與日俱增。我國采煤機經過幾十年的引進技術、消化吸收和自主研發，已經有了長足的進步，但是設備的性能、可靠性等方面仍然落后國際先進水平約15年[1]。為了提高國產采煤機的性能、可靠性和使用壽命，縮短同國外先進水平的差距，我國應當加強采煤機研發階段的試驗研究工作，這就要求研發機構使用高性能的采煤機加載試驗臺進行疲勞特性、壽命試驗等長時間滿負荷加載運行試驗。

國內專家學者對采煤機截割部加載試驗臺進行了相關研究：陶崢[2]設計了一種采用水力測功器加載的開放式加載系統；李軍霄[3]利用電渦流測功機設計了一種開放式加載試驗系統。開放式加載系統結構簡單，操作方便，但是能耗較大，產生能量無法回收，不適合做長時間、大功率加載試驗[4-5]。因此王增才等[6]利用異步電動機為加載元件，設計了一種電封閉式加載試驗臺，實現了多種功率加載；劉禮志等[7]采用直流電力測功機發電回饋加載方式，設計了一種面向維修的電封閉式加載試驗臺。電封閉式加載試驗臺的控制部件技術要求高，試驗過程不允許過載，且回收的電能波形不好，即使能夠回饋電網，也會對電網產生沖擊[5,8]。

上述文獻設計的試驗臺均為針對國家標準規定的采煤機出廠前、移動工作面前或大修后進行的輕載跑合及溫升試驗，不適合做滿載運行試驗。由于大功率采煤機加載試驗臺的加載功率大(目前單個截割部最大截割功率可達900 kW)，試驗臺的滿載運行試驗將耗費大量能源，不符合國家節能減排的要求，因此如何回收加載能量成為大功率采煤機加載試驗臺的研究重點。房博宇等[9]利用電動同步功率加載器，設計了一種機械封閉式的加載試驗臺，最大加載功率可達1000 kW，由于機械封閉結構在傳動鏈內形成功率閉環，所以結構復雜，而且必須選擇合適的加載器，否則直接影響系統加載性能[6]。

二次調節技術發展起始于上世紀70年代末期，是一種新型的電液伺服傳動技術[10-12]。像電氣設備并聯于電網一樣，多個二次元件可以并聯于同一恒壓網絡，實現液壓能和機械能的互相轉化。筆者針對采煤機加載試驗臺現狀，設計了一種二次調節液壓封閉式采煤機截割部模擬加載試驗臺。

1試驗臺設計

1.1被試采煤機截割部結構

截割部主要包括截割電動機、機械減速裝置、滾筒等，加載試驗時截割電動機和滾筒需要拆下。圖1為適應中厚煤層以上的采煤機截割部減速裝置結構簡圖。截割部常用的減速裝置包括固定減速箱、搖臂減速箱和行星齒輪減速箱。根據煤層厚度的不同，采煤機的搖臂箱體結構和布局有很大區別，這主要體現在減速箱的選擇和布置上，但對于大部分采煤機，其加載形式及外形結構均與圖1類似。

圖1　截割部減速裝置結構簡圖

1.2采煤機截割部二次調節液壓加載試驗臺總體方案

采煤機截割部加載功率大，為了節約能源消耗，本試驗臺采用可以能量回收的二次調節液壓封閉式結構方案，其總體結構組成如圖2所示，它由恒壓油源及管路系統、機械臺架、計算機控制系統和二次調節模擬加載系統四部分組成。

1.PC計算機　2.工業控制計算機　3.數據采集卡4.聯軸器　5.轉速傳感器　6.轉矩傳感器圖2　截割部加載試驗臺結構圖

恒壓油源及管路系統為試驗系統提供動力。恒壓油源包括兩臺A4V250型軸向柱塞恒壓變量泵、一臺雙聯葉片式定量泵及相應的電動機、高低壓溢流閥、蓄能器、卸荷閥、管路、過濾器、冷卻器及油箱組成，其中葉片泵的作用是為主泵提供背壓并為系統補充冷卻油。

機械臺架主要為被試件、變速器及相關液壓元件提供支撐和連接，設計時考慮到不同型號截割部的差異，還有工裝調整機構。加載對象即為被試采煤機截割部，包括截割部的減速器、齒輪傳動系統和變速器等。試驗臺中被試件的布局有背靠背方式和設置變速器方式兩種。背靠背布置方式為一對截割部對稱安裝，這種布局能耗較小，但是通用性、操作簡單性、快速性、試驗科學性等均低于變速器布置[7,13]，所以本系統采用變速器配置方式。

計算機控制系統包括工控機、PC機、PLC、數字采集卡和數顯儀等?？刂葡到y主要完成試驗系統測試數據的采集、開關量和連續量的控制、系統狀態監測、系統狀態超限保護等。

二次調節模擬加載系統是試驗臺的核心部分，由驅動單元和加載單元組成，分別實現對采煤機截割部的驅動和模擬加載。

2采煤機截割部加載系統的原理

該試驗臺加載系統原理如圖3所示。在恒壓網絡上并聯兩套二次元件，二次元件1用于模擬采煤機截割部的驅動電機，同轉速傳感器和控制器1相連，構成轉速控制系統；二次元件2用于模擬截割部的加載，它同轉矩傳感器和控制器2構成加載轉矩控制系統。兩個子系統通過機械連接件連接在一起。

試驗臺工作時，驅動單元的二次元件1工作于馬達工況，將恒壓網絡的液壓能轉化成機械能，驅動被試采煤機截割部。加載單元的二次元件2工作于泵工況，給被試采煤機截割部加載，將機械能轉化為液壓能，并回饋給液壓恒壓網絡。

圖3　采煤機截割部二次調節加載系統圖

由分析可知，試驗臺的能量流動形成閉環，加載單元的二次元件2為驅動單元提供了大部分能量，恒壓油源起到了補償系統機械摩擦損失和容積泄漏損失的作用。系統中沒有節流元件產生的節流損失，因此該加載系統發熱大為減小。該試驗系統不但實現了能量的回收，且回收的液壓能可以回饋給自身液壓恒壓網絡，試驗臺工作效率高，節能環保。此外，試驗臺驅動和加載的兩套二次調節系統配有相同型號的轉速轉矩傳感器，實驗過程中可以根據被試件結構，將其中一套系統做驅動系統，另外一套做加載系統。

3試驗臺控制系統

試驗臺控制系統的組成與原理如圖4所示。該系統由任務管理單元(上位機)、油源/變速器擋位管理單元PLC、邏輯控制單元(下位機)、轉速轉矩控制器(HNC-100)、NI-PXI單元組成[14-15]。該系統需要完成試驗臺各試驗參數的自動檢測、數據采集處理、實時顯示、自動調節等。

圖4　控制系統組成與原理

控制系統的任務管理單元選擇臺式計算機，通過軟件建立控制界面，實現試驗狀態選擇、試驗參數設置，實時顯示運行狀態，儲存測試數據。油源/變速器擋位管理單元選擇PLC控制，實現恒壓油源的啟動、停止以及變速器的擋位切換。邏輯控制單元選擇工業控制計算機、數據I/O接口板和AD/DA數據采集板，主要實現試驗臺的邏輯控制以及加載對象試驗參數的測量。兩個HNC100轉速轉矩控制器分別用來實現驅動轉速、加載轉矩控制系統的內外環控制。NI-PXI單元包括美國NI公司的NI8176數字控制器和PXI-6052E數據采集卡，采集試驗系統中二次元件的轉速轉矩，通過串行通信口以100 Hz的掃描頻率發送給邏輯控制單元。任務管理單元通過快速以太網與邏輯控制單元通信，通過PCI-1602E RS422/RS485通信卡與PLC單元通信，完成各部分間的信息傳遞與交換。

4加載試驗臺特性仿真與試驗分析

本試驗臺能夠模擬不同工況對采煤機截割部進行加載，如果采集獲得了采煤機實際工作時的負載頻譜，試驗臺還可進行相應的模擬實際工況的動態加載試驗[16-17]。為了驗證采煤機截割部二次調節加載試驗臺的性能，筆者進行了相關的仿真與試驗研究。

4.1加載試驗臺仿真模型的建立[18]

圖5　前置級排量控制方塊圖

仿真分析前建立了試驗系統的數學模型，繪制出系統方塊圖。試驗臺的驅動單元為轉速控制系統，加載單元為轉矩控制系統，兩系統均采用相同的前置級排量控制。前置級排量控制回路就是對稱伺服閥控制對稱液壓缸回路，由電液伺服閥、變量液壓缸、位移傳感器構成，控制方塊圖見圖5。驅動單元工作時，前置級排量控制系統通過計算實際轉速與設定轉速的差值，控制液壓缸活塞的位移，活塞的運動改變二次元件的斜盤傾角，進而調整二次元件排量，使二次元件達到設定轉速的同時，輸出的轉矩與負載轉矩相匹配。驅動單元包括驅動二次元件、兩個聯軸器和轉速傳感器。建立加載對象模型時忽略系統彈性環節，變速器同截割部的連接看作剛性，建模時其轉動慣量和阻尼向驅動輸入軸等效。加載單元的結構與驅動單元類似。將驅動和加載兩個單元的方塊圖模型在輸出端相連，得到試驗臺整機的傳遞函數方塊圖，見圖6。

圖6　加載試驗臺的系統方塊圖

圖5中，ωvi為伺服閥固有頻率；ξvi為伺服閥阻尼比； Agi為變量液壓缸的有效作用面積，m2；Kvi為伺服閥流量增益，m3/(s·v)；βe為液壓油的體積彈性模量，N/m2；Vti為變量液壓缸兩腔總容積，m3；Cti為變量液壓缸的泄漏系數，m3/(s·Pa)；Fi為作用于液壓缸活塞上的外負載力，N；Bci為液壓缸活塞及負載的黏性阻尼系數，N/(m·s)；mi為液壓缸斜盤、活塞的等效質量，kg；Ki為負載的彈簧剛度，N/m；i為二次元件序號，i=1,2分別對應驅動和加載二次元件；KSi為位移傳感器傳遞函數，V/m。圖6中，閥控缸為前置級排量控制系統；Kα為變量液壓缸活塞的位移相對斜盤擺角的變換系數，(°)/m；γimax為二次元件變量斜盤的最大擺角，(°)；Vimax為二次元件最大排量，m3/rad；Δpi為二次元件的進出油口壓差，Pa； J1二次元件轉動件、聯軸器、轉速傳感器、被試截割部、變速器等效轉動慣量，kg·m2；R1為二次元件的等效阻尼系數，N·m·s/rad；J2為加載單元二次元件轉動件、聯軸器、轉速傳感器的等效轉動慣量，kg·m2；R2為加載單元二次元件的等效阻尼系數，N·m·s/rad；KM2轉矩傳感器變換系數，V·s/rad；KS1為轉速傳感器的變換系數，V·s/rad；M1為轉矩傳感器的輸出軸轉矩，N·m；φ1為變速器輸入軸轉角，rad。

參照加載試驗臺的系統方塊圖，利用MATLAB/Simulink軟件,建立了仿真模型，如圖7所示。

圖7　加載試驗臺仿真模型

4.2階躍響應特性仿真與試驗分析

為了檢驗試驗臺加載過程的快速、準確和穩定等動態性能，進行了階躍響應的仿真及試驗研究。圖8為試驗臺階躍響應特性仿真與試驗曲線。圖8a與圖8c中曲線1、2、3分別對應輸入、試驗輸出、仿真輸出；圖8b與圖8d中曲線1、2分別對應試驗和仿真兩種情況。由圖可知，轉速系統試驗條件下階躍響應的超調量為2.4%，穩態誤差為0.6%，上升時間為0.62 s，穩定時間為0.28 s；轉矩系統試驗條件下階躍響應的超調量為0.8%，穩態誤差為0.5%，上升時間為0.75 s，穩定時間為0.27 s。加載系統動態性能較好。另外，將圖8a、圖8c中的曲線2、3對比可知，仿真結果與試驗結果基本吻合。

4.3正弦響應特性仿真與試驗分析

得到采煤機實際工況的負載頻譜后，本試驗臺可進行模擬實際工況的動態加載試驗。為了研究試驗臺的頻率響應特性，進行了不同頻率的正弦響應特性仿真與試驗分析。圖9為轉速系統不同頻率正弦響應特性仿真與試驗曲線。曲線1、2、3分別為正弦輸入、試驗輸出和仿真輸出，正弦輸入信號幅值為55 r/min，頻率fn分別為0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz。由圖中曲線2可以看出，隨輸入信號頻率的增大，驅動轉速的幅值衰減，相位滯后，當頻率為2.0 Hz時，幅值衰減到-3.7 dB、相位滯后115.1°。

(a)轉速系統階躍響應

(b)轉速系統誤差

(c)轉矩系統階躍響應

(d)轉矩系統誤差圖8　階躍響應特性仿真與試驗曲線

圖10為轉矩系統不同頻率正弦響應特性仿真與試驗曲線，曲線1、2、3分別為正弦輸入、試驗輸出和仿真輸出，正弦輸入信號幅值為50 N·m，頻率fn分別為0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz。由圖中曲線2可以看出，隨輸入信號頻率的增大，加載轉矩的幅值衰減，相位滯后，當頻率為2.0 Hz時，幅值衰減到-3.4 dB、相位滯后136.8°。

(a)fn=0.1 Hz

(b)fn=0.5 Hz

(c)fn=1 Hz

(d)fn=2 Hz圖9　驅動轉速正弦響應特性仿真與試驗曲線

同前述的階躍響應特性試驗一樣，將圖9和圖10中的曲線2與曲線3相比較可知，仿真結果與試驗結果一致。

5能量回收試驗

本加載試驗系統能量回收原理如圖11所示。由圖可知，試驗系統工作時，除了兩個二次元件的效率損失、被試件及變速器的機械傳動損失外，大部分能量均以液壓能的形式回饋恒壓網絡。該能量回收效果可用能量回收率來表示，其定義如下[18]：

(a)fn=0.1 Hz

(b)fn=0.5 Hz

(c)fn=1 Hz

(d)fn=2 Hz圖10　加載轉矩正弦響應特性仿真與試驗曲線

(1)

式中，ηh為試驗系統的能量回收率；ΔpS為二次元件工作時的壓力差；Qi為二次元件的流量；ni為二次元件的轉速；Mi為二次元件的轉矩；ηi為二次元件的總效率；下標i=1,2，分別對應二次元件1、元件2。

圖11　能量回收原理示意圖

本文進行了6種工況的試驗來檢驗系統的能量回收率，其測試數據及能量回收率計算結果如表1所示。表1中驅動轉速n1和驅動轉矩M1為二次元件1作為馬達工況時的實測數據；輸出轉速n2和輸出轉矩M2為二次元件2作為泵工況時的實測數據。能量回收率ηh是按照式(1)計算得到的。由表1中1、2、3工況的數據可知，本加載系統的能量回收率隨著系統驅動轉速的增大而降低，由4、5、6工況的數據可知，能量回收率隨著加載轉矩的增大而升高，本試驗系統的能量回收率在40%以上。

表1　能量回收率試驗和計算數據

6結論

(1)研制了一種采煤機截割部模擬加載試驗臺，該試驗臺基于二次調節技術，加載功率大，可用于采煤機截割部的加載試驗、綜合性能測試等試驗。

(2)試驗臺結構對稱，驅動和加載功能可互換。試驗過程采用計算機自動控制，控制性能可靠，操作簡單。

(3)以350 kW裝機功率為例進行的仿真及試驗分析。分析結果表明，試驗系統的靜態特性、動態特性良好，轉速、轉矩調節功能可靠，工作性能穩定，能滿足采煤機截割部的試驗要求。

(4)試驗臺采用閉式回路結構，加載能量可回收再利用。系統的能量回收率隨驅動轉速的增大而降低，隨加載轉矩的增大而升高。試驗數據顯示系統功率回收率在45%以上。

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(編輯王旻玥)

收稿日期：2015-09-06

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51574140)

中圖分類號：TD421

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.14.019

作者簡介：王潔，女，1981年生。遼寧工程技術大學機械工程學院講師。主要研究方向為機械設計及理論、液壓傳動與控制。王慧，男，1960年生。遼寧工程技術大學機械工程學院教授、博士研究生導師。

Hydraulic Loading Test Bench for Cutting Part of Shearer Based on Secondary Regulation

Wang JieWang Hui

Liaoning Technical University,Fuxin,Liaoning,123000

Abstract:Based on secondary regulation technology, an enclosed hydraulic loading system scheme with energy harvesting capabilities was put forward to solve the difficulties such as large energy consumption, energy recovering and utilization. This system realized the driving and simulated loading function to the test part, and achieving the energy recovering and utilization by using the symmetric structure with two secondary regulation elements connected in the constant pressure network parallelly. The overall structures of the system, the working principles and control system of the simulated loading system were presented in detail. At last, under 350 kW installed power, based on the simulation and the experimental research, the results show that the energy recovery loading system may be loaded with good static characteristics and dynamic characteristics, the speed and torque regulation function may work efficiently. The power recovery rate may come to more than 40% at high load, thus the new system's energy-saving effect is remarkable than usual.

Key word:cutting part of shearer; hydraulic loading; test bench; secondary regulation