采煤機(jī)截割部雙電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動(dòng)的同步性研究

成學(xué)忠

（山西省陽(yáng)泉固莊煤礦，山西陽(yáng)泉045014）

引言

近年來(lái)，我國(guó)礦山開采逐漸向自動(dòng)化方向發(fā)展，加快了采煤機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)速度，其截割部采用雙電機(jī)機(jī)械串聯(lián)方式進(jìn)行布局，這種布局不僅解決了機(jī)身高度問題，而且還提高了截割功率[1]。本文將在已有研究基礎(chǔ)上，采用動(dòng)力學(xué)理論對(duì)電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動(dòng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)探究其同步性。

1 采煤機(jī)截割部特點(diǎn)

該部分利用雙電機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，即使不增加機(jī)身高度，也可以增加截割功率。另外，在達(dá)到采煤機(jī)原有技術(shù)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用截割部電機(jī)實(shí)時(shí)選擇性，也可以減少或者采煤機(jī)輕載現(xiàn)象[2]。由于該設(shè)備的單電機(jī)容量比較低，導(dǎo)致電網(wǎng)受到電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的沖擊較大，雙電機(jī)出現(xiàn)異步現(xiàn)象。因此，采煤機(jī)截割部雙電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動(dòng)同步性控制研究成為了當(dāng)前首要解決問題。

2 采煤機(jī)截割部雙電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動(dòng)模型建立

該設(shè)備設(shè)計(jì)方案采用串接驅(qū)動(dòng)方式，該方式屬于雙電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，標(biāo)號(hào)為1的電機(jī)與標(biāo)號(hào)為2的電機(jī)在同一時(shí)刻被驅(qū)動(dòng)，選取惰輪作為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的連接器件。其中，標(biāo)號(hào)為2的電機(jī)與載荷相連，該設(shè)備的其他部分與單電機(jī)驅(qū)動(dòng)相同，電機(jī)傳動(dòng)部分與截割滾筒部分的剛度與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量存在等效關(guān)系，在等效彈性扭轉(zhuǎn)剛度原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則，構(gòu)建一套系統(tǒng)力學(xué)模型，如圖1所示。

3 利用動(dòng)力方程求解

根據(jù)圖1中的力學(xué)模型，在拉格朗日方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，可以得到雙電機(jī)機(jī)械串聯(lián)接系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程：

圖1 系統(tǒng)力學(xué)模型

對(duì)公式（1）進(jìn)行變換處理，可以得到以下公式

式中：H1、H2分別為電機(jī)1、2對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力矩，N·m；H3為等效工作機(jī)構(gòu)阻力矩，N·m；I1、I2分別為電動(dòng)機(jī)1、2對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；I3為采煤機(jī)截割部對(duì)應(yīng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；R1為裝置截割部機(jī)械傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)等效剛度，N·m/rad；R2為雙電機(jī)之間電機(jī)軸與傳動(dòng)惰輪對(duì)應(yīng)的等效連接剛度，N·m/rad；ω1、ω2分別為標(biāo)號(hào)1、2的電機(jī)對(duì)應(yīng)角速度，rad/s；ω3為等效工作結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的角速度，rad/s。

對(duì)公式（2）進(jìn)行化簡(jiǎn)處理可以得到公式

接下來(lái)，采用高階微分方程對(duì)公式（3）降階處理，同時(shí)將4階龍格—庫(kù)塔法應(yīng)用到其中，對(duì)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，可以得到1階線性微分方程組，該方程組適用于數(shù)據(jù)算法。令y1=p1，y2=p2，y3=p3，則

本文將利用上述模型對(duì)電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動(dòng)數(shù)值進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，假設(shè)加載前采煤機(jī)始終處于空載運(yùn)行情況，令初始條件為機(jī)械角位移為0，并將電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速作為角速度，控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在0～0.5 s之間。仿真期間，可以取步長(zhǎng)大小為0.001 s，或者使用誤差估計(jì)方法，結(jié)合步長(zhǎng)調(diào)整方案對(duì)步長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本次研究主要對(duì)采煤機(jī)工作結(jié)構(gòu)在3種典型載荷作用下，雙電機(jī)同步性受兩電機(jī)機(jī)械特性差異、系統(tǒng)剛度、電機(jī)連接剛度的影響展開研究，這3種典型載荷分別是沖擊載荷、交變載荷、階躍載荷[3]。

本文以某一個(gè)采煤機(jī)截割部為例，利用龍格—庫(kù)塔法和公式（4）對(duì)電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動(dòng)同步性展開仿真實(shí)驗(yàn)，假設(shè)雙電機(jī)截割功率大小相等，對(duì)應(yīng)的參數(shù)為：電機(jī)同步轉(zhuǎn)速ω1=ω2=156 rad/s，q1=q2=150 kW，I1=I2=1.222 kg·m2，I3=12.412 kg·m2，H2=H1=5.0×104-320y˙，R1=1.8×105N·m/rad，R2=2.31×107N·m/rad。

4.1 等效剛度影響仿真

圖2 等效剛度影響下交變載荷作用

圖3 等效剛度影響下階躍載荷作用

圖4 等效剛度影響下沖擊載荷作用

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以得到圖2至圖4仿真結(jié)果。通過(guò)觀察圖2至圖4可知，在雙電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，標(biāo)號(hào)為1的電機(jī)與標(biāo)號(hào)為2的電機(jī)對(duì)于系統(tǒng)剛度下降沒有受到影響，但是在此過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速會(huì)有小幅度的調(diào)整。另外，采煤機(jī)處于工作狀態(tài)期間，應(yīng)該將系統(tǒng)剛度調(diào)大一些，否則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很容易受到影響，出現(xiàn)較大波動(dòng)，最終導(dǎo)致系統(tǒng)附加動(dòng)載荷與振動(dòng)性載荷發(fā)生變化，呈現(xiàn)出變大趨勢(shì)。

4.2 連接剛度影響仿真

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以得到圖5至圖7的仿真效果。

圖5 連接剛度影響下交變載荷作用

圖6 連接剛度影響下階躍載荷作用

圖7 連接剛度影響下沖擊載荷作用

對(duì)于雙電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，雙電機(jī)同步性不會(huì)因兩電機(jī)連接剛度發(fā)生變化而受到影響。在采煤機(jī)運(yùn)行期間，等效連接剛度會(huì)有所降低，最終出現(xiàn)2臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行現(xiàn)象。為了提高電機(jī)同步性，本次研究在條件允許的情況下，適當(dāng)增加2臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間的等效連接剛度。

4.3 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性差異影響仿真

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以得到下頁(yè)圖8至下頁(yè)圖10的仿真效果。

通過(guò)觀察圖8至圖10可知，2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性存在很大差異，但是沒有對(duì)電動(dòng)機(jī)同步性造成影響，體現(xiàn)出雙電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭矩-轉(zhuǎn)速自調(diào)節(jié)特性始終處于良好狀態(tài)。所以，在設(shè)計(jì)雙電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，2臺(tái)電機(jī)機(jī)械特性之間存在的差異性比較小，在誤差允許范圍之內(nèi)。

圖8 機(jī)械特性差異影響下交變載荷作用

圖9 機(jī)械特性差異影響下階躍載荷作用

經(jīng)過(guò)以上仿真實(shí)驗(yàn)可知，采煤機(jī)截割部雙電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)受到的主要影響因素為兩個(gè)電機(jī)之間連接的剛度，該因素起到了同步性關(guān)鍵作用，而兩電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性之間的差異與系統(tǒng)等效剛度對(duì)同步性的影響比較小。

5 結(jié)論

圖10 機(jī)械特性差異影響下沖擊載荷作用

通過(guò)建立了一套采煤機(jī)截割部雙電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動(dòng)模型，利用動(dòng)力方程對(duì)該模型進(jìn)行求解，得到機(jī)械串接驅(qū)動(dòng)相參數(shù)，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行仿真，獲取各個(gè)影響因素對(duì)系統(tǒng)造成影響大小。根據(jù)仿真結(jié)果可知，采煤機(jī)截割部雙電機(jī)機(jī)械串接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)受到的主要影響因素為兩個(gè)電機(jī)之間連接的剛度。

[1]劉長(zhǎng)釗，秦大同，廖映華.采煤機(jī)截割部機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016，52（7）：14-22.

[2]趙麗娟，李佳，田震，等.新型薄煤層采煤機(jī)截割部建模與仿真研究[J].機(jī)械傳動(dòng)，2013（1）：47-50.

[3]趙麗娟，田震.薄煤層采煤機(jī)截割部動(dòng)態(tài)特性仿真研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，33（9）：1 329-1 334.