采煤機(jī)的負(fù)載特性及變頻調(diào)速實(shí)踐

閆建宙

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 042100）

引言

煤巖是采煤機(jī)的工作對象，具有不均勻性并且隨著煤層的不同，截煤阻抗發(fā)生了巨大的變化。為了改進(jìn)采煤機(jī)的工況，提高采煤機(jī)的工作效率，對采煤機(jī)的負(fù)載與恒功率控制進(jìn)行了研究。MG250/600-WD1型點(diǎn)牽引采煤機(jī)根據(jù)煤層的性質(zhì)變化對采煤機(jī)的牽引速度進(jìn)行適度的調(diào)節(jié)，使用了恒功率自動控制回路，以達(dá)到更深一步改變截割厚度的目的。通過變化滾筒進(jìn)給量使采煤機(jī)的負(fù)載發(fā)生改變，減少煤質(zhì)硬度變化對采煤機(jī)造成的過載與沖擊[1]。

1 采煤機(jī)的負(fù)載特性

采煤機(jī)的作業(yè)地點(diǎn)在井下，工作環(huán)境較為復(fù)雜惡劣，且煤層的物理性能穩(wěn)定性較差，硬度變化劇烈，所以為了保證采煤機(jī)工作的持續(xù)性與穩(wěn)定性，采煤機(jī)的負(fù)載功率與力學(xué)性能研究尤為重要。據(jù)相關(guān)資料表明，采煤機(jī)的螺旋滾筒在作業(yè)時沿其他方向的運(yùn)動量與沿其軸向的運(yùn)動量相比，沿軸向的運(yùn)動量更小，因此，為了使問題更加簡單清楚，暫時忽略滾筒向上時搖臂的振動與滾筒在軸向上的位移，假設(shè)螺旋滾筒的軸線與采煤機(jī)的牽引方向相互垂直，并且不考慮采煤機(jī)傳動齒輪中的齒輪彈性與位于采煤機(jī)下方的運(yùn)輸機(jī)彈性。通過上述簡化，能夠精確地分析采煤機(jī)的恒功率調(diào)速[2]。

2 控制系統(tǒng)模型分析

2.1 采煤機(jī)調(diào)速原理分析

在交流電牽引采煤機(jī)的恒功率控制系統(tǒng)中，先給控制器以參照電壓，其次通過控制器進(jìn)行計算并分析，發(fā)射對于變頻器的控制電壓的信號，同時變頻器將控制電壓轉(zhuǎn)換為頻率以供給牽引電動機(jī)，達(dá)到控制牽引電機(jī)順利運(yùn)轉(zhuǎn)的目的[3]。負(fù)載傳感器會在煤壁硬度發(fā)生改變時將截割電機(jī)發(fā)出的負(fù)載電流信號進(jìn)行放大、數(shù)模轉(zhuǎn)化、濾波等處理方式，并將其傳送給控制器，最后將負(fù)載電流信號與給定的額定功率相比較，并通過控制器發(fā)出控制調(diào)節(jié)電壓。交流電牽引采煤機(jī)的調(diào)速原理圖如圖1所示。

圖1 交流電牽引采煤機(jī)的調(diào)速原理圖

2.2 牽引部電動機(jī)數(shù)學(xué)模型分析

變頻器向三相異步電動機(jī)供電時（見圖2），為了使得低頻時磁通不變，則可以將變頻器所設(shè)置適當(dāng)?shù)碾妷禾嵘?/p>

圖2 三相異步電動機(jī)等效模型圖

式中：K1表示牽引電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，為7；I1e表示額定定子線電流，為76 A；P表示牽引電動機(jī)極對數(shù)，取2；U1表示牽引電動機(jī)額定電壓，取380 V；f為工頻電頻率，取50 Hz；ne表示額定轉(zhuǎn)速為1472 r/min；Km表示啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，取1.8；Pe表示截割電動機(jī)額定功率，為250 kW；p為轉(zhuǎn)動慣量，為13.6 N·m2。將以上參數(shù)代入公式（1）與公式（2），可得出模型內(nèi)的參數(shù)為Kt=30；Am=11.3。

2.3 變頻器數(shù)學(xué)模型分析

假設(shè)所使用的變頻器為FVR015G7S-4EX，該變頻器最大輸入為10 V，輸入頻率50 Hz，且限幅值為10 V，輸出頻率 0～120 Hz，K2=50/10=5 Hz/V，其中，K2為輸入頻率，加減速時間為6 s，該變頻器的等效模型如圖3所示。

3 采煤機(jī)整機(jī)的等效模型分析

通過Matlab/Simulink工具，根據(jù)上述采煤機(jī)的動力學(xué)模型、變頻器模型、電動機(jī)模型，對采煤機(jī)變頻調(diào)速仿真圖進(jìn)行了設(shè)計，如圖4所示。

圖3 變頻器的等效模型

圖4 采煤機(jī)的變頻調(diào)速仿真圖

在模型圖中，分別設(shè)置了采煤機(jī)進(jìn)行上坡采煤的牽引力、速度、加速度以及截割功率等參數(shù)的仿真輸出口，并且通過對模型圖進(jìn)行修改，即可仿真采煤機(jī)下坡以及水平狀態(tài)采煤時的工況。其中，恒功率調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮了保障采煤機(jī)持續(xù)處于滿負(fù)荷狀態(tài)的作用，進(jìn)而使得采煤機(jī)的工作效率有所提升，很好地解決了采煤機(jī)過久保持欠載狀態(tài)的問題。

4 結(jié)語

電牽引采煤機(jī)作為煤礦開采作業(yè)面中的關(guān)鍵設(shè)備，其截割效率直接決定了煤礦作業(yè)面的生產(chǎn)效率，本文在研究電牽引采煤機(jī)截割恒功率調(diào)速控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，確定了該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化路徑，對合理設(shè)計電牽引采煤機(jī)恒功率調(diào)速控制系統(tǒng)、改善采煤機(jī)的工作性能和提高生產(chǎn)率具有重要意義和參考價值。

[1]徐志鵬，王忠賓.基于粒子濾波的采煤機(jī)截割負(fù)載特性分析[J].煤炭學(xué)報，2011，36（4）：696-700.

[2]毛君，苗立野，謝苗.采煤機(jī)截割部動力學(xué)特性及可靠性研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2015，37（5）：880-885.

[3]陳穎.采煤機(jī)負(fù)載特性及其對截割部可靠性影響研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2011.