采煤機(jī)截割部穩(wěn)定性影響因素以及變速控制的仿真研究

趙國凱

（晉能集團(tuán)有限公司 ，山西 太原 030002）

0 引 言

采煤機(jī)的主要組成系統(tǒng)為截割機(jī)構(gòu)和牽引機(jī)構(gòu)，截割機(jī)構(gòu)的滾筒主要對煤體進(jìn)行截割和冒放，牽引機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)采煤機(jī)機(jī)身的推移，故這兩個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和工作可靠性可直接影響到采煤機(jī)開采的效率。受發(fā)展水平的限制，目前諸多礦井工作面在進(jìn)行硬度較大煤層的開采時(shí)需要降低牽引速率來保證滾筒截割煤體的順利進(jìn)行，但這樣會大大影響開采煤體的效率，同時(shí)部分采煤機(jī)對惡劣工況條件的適應(yīng)性較差，往往使得自身發(fā)生故障的概率增大[1]。基于此，本文在對采煤機(jī)截割部影響因素系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上提出保證采煤機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的方案，同時(shí)對提出方案進(jìn)行仿真研究，以驗(yàn)證提出方案的可靠性和可行性，這對提高采煤機(jī)的工作效率具有重要意義。

1 采煤機(jī)截割部穩(wěn)定性的影響因素分析

采煤機(jī)截割部所受載荷決定了其自身的穩(wěn)定性水平，故本次主要研究影響其負(fù)載的因素[2]。截割部負(fù)載由3個(gè)部分構(gòu)成：沿著采煤機(jī)推移方向的阻力、沿著滾筒軸向的推力以及沿著滾筒圓周方向的阻力；其中，沿著滾筒圓周方向的阻力是最主要的載荷。故當(dāng)采煤機(jī)截割硬度較大的煤層時(shí)，為了減小截割部所受載荷，需要重點(diǎn)研究沿著滾筒圓周方向的阻力的影響因素。

在不同的礦井以及不同的開采環(huán)境下采煤機(jī)截割部所受的載荷就不同。國內(nèi)外諸多專家學(xué)者進(jìn)行過截割部所受載荷的研究。基于刀具切削理論，20世紀(jì)40年代前蘇聯(lián)保晉等人得到了滾筒截割煤體的力學(xué)模型，從而得到了影響滾筒受力的各個(gè)因素，此后在該基礎(chǔ)上，專家學(xué)者[3]將煤體的強(qiáng)度、滾筒上截齒的參數(shù)以及刀具切削的方法等考慮在內(nèi)得到了單個(gè)截齒所受截割阻力的計(jì)算方法，如公式1所示：

式中：Vq為采煤機(jī)的牽引速率；Aq為煤體截割阻抗的平均值；Sj為滾筒截齒的齒距；nd為滾筒轉(zhuǎn)速；m為截線上的截齒數(shù)量；bp為截齒的寬度；φb為煤體的崩落角；ky為煤體的壓漲系數(shù)；km為煤體的裸露系數(shù)；ka為煤體截割角的影響系數(shù)；kf為截齒刃面影響系數(shù)；kp和kφ分別為截齒的配制系數(shù)和煤體崩落角影響系數(shù)；β為截齒的安裝角度。

通過公式（1）可得采煤機(jī)滾筒截割煤體過程中的載荷，如公式2所示：

式中：Di為第i條截線上的截齒的回轉(zhuǎn)直徑；Nci第i條截線上參與截割工作的截齒數(shù)量。

采煤機(jī)截割部穩(wěn)定性的影響因素主要包括三個(gè)方面：①煤體的力學(xué)特性，采煤機(jī)滾筒截割煤體過程中所受載荷隨著煤體截割阻抗的增大而增大。②截割部和牽引機(jī)構(gòu)的參數(shù)，采煤機(jī)滾筒截割煤體過程中所受載荷與采煤機(jī)牽引速率呈正相關(guān)關(guān)系，而與滾筒轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，究其原因，在較大的牽引速率下截齒截割煤體的深度較大，而當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較快時(shí)截齒截割煤體的深度較小。③截齒的幾何參數(shù)，滾筒上截齒的形狀、寬度以及刃面等因素均會影響滾筒截割煤體過程中所受的載荷。在采煤機(jī)工作過程中，煤體的力學(xué)特性和截齒的幾何參數(shù)是不可改變的，而只能調(diào)節(jié)截割部和牽引機(jī)構(gòu)的參數(shù)，對于中硬煤體，令其截割阻抗為200N/mm，則得到采煤機(jī)滾筒截割煤體過程中所受載荷的特征如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)滾筒截割煤體過程中所受載荷的云圖

2 采煤機(jī)變速控制方案分析

從前文分析可知，采煤機(jī)截割部所受載荷決定了其自身的穩(wěn)定性水平，在煤體力學(xué)特性以及截齒幾何參數(shù)不可更改情況下，減小截割部所受載荷的主要方法就在于控制采煤機(jī)的牽引速率和滾筒轉(zhuǎn)速。由此得到采煤機(jī)工作穩(wěn)定性控制方案為：

方案一：當(dāng)煤體的截割阻抗較小時(shí)，不改變采煤機(jī)牽引速率，加大滾筒的轉(zhuǎn)動速率；當(dāng)煤體的截割阻抗和采煤機(jī)的牽引速率不同時(shí)，截割部所受載荷就不同（圖2），通過加大滾筒轉(zhuǎn)動速率可就可以降低滾筒負(fù)載，使之滿足穩(wěn)定工作的需求。

圖2 截割部所受載荷分布示意圖

方案二：當(dāng)煤體的截割阻抗較大時(shí)，先將采煤機(jī)牽引速率減小至目標(biāo)值，然后將滾筒的轉(zhuǎn)動速率增大到目標(biāo)值，最后將牽引速率增大至初始值。當(dāng)煤體的截割阻抗較大時(shí)，單純增大滾筒轉(zhuǎn)速無法有效減小滾筒負(fù)載，從圖2中可以看出，當(dāng)采煤機(jī)牽引速率改變時(shí)截割部所受載荷改變顯著。通過減小牽引速率可以有效減小截割部在截割煤體過程中受到的沖擊，增大滾筒轉(zhuǎn)動速率可以不影響煤體的開采效率。方案一和方案二下截割部所受載荷變化特征分別如圖3和圖4所示。

圖3 方案一下截割部所受載荷變化特征示意圖

圖4 方案二下截割部所受載荷變化特征示意圖

從圖3和圖4中可以發(fā)現(xiàn)，兩種方案均可以有效減小截割部所受載荷。在現(xiàn)場開采環(huán)境下采煤機(jī)會受到沿著推進(jìn)方向明顯的阻力作用，該作用同樣會減小采煤機(jī)的牽引速率，故當(dāng)煤體的截割阻抗較大時(shí)方案二是有效的。

3 采煤機(jī)變速控制方案合理性的仿真分析

本次在建立采煤機(jī)截割部等效模型的基礎(chǔ)上對控制方案進(jìn)行仿真研究。在建模時(shí)，認(rèn)為行星齒輪為定軸輪，由于本次研究的主要目的在于分析截割部和牽引機(jī)構(gòu)的參數(shù)對截割部所受載荷的影響，故將選擇電機(jī)以及滾筒等模型為純扭轉(zhuǎn)模型。進(jìn)行仿真研究時(shí)，選擇電機(jī)的轉(zhuǎn)速和牽引速率分別為1200r/min和4m/min，初始狀態(tài)下煤體的截割阻抗為200N/mm，3S后該參數(shù)變?yōu)?00N/mm。

3.1 方案一

方案一為不改變采煤機(jī)牽引速率，加大滾筒的轉(zhuǎn)動速率；具體仿真方案為在時(shí)間為3.5S時(shí)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速從1200r/min增大到1400r/min，即將電機(jī)轉(zhuǎn)速提高200r/min，此時(shí)相應(yīng)的采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動速率提高了4.6r/min，而在整個(gè)仿真研究過程中控制牽引速率為4m/min。所得仿真結(jié)果如圖5的（a）～（c）所示。

圖5 方案一下仿真結(jié)果示意圖

從圖5中可以看出，在未進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)前，電磁轉(zhuǎn)矩和輸出軸的轉(zhuǎn)矩分別為2708Nm和2679Nm，在3.5S進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩增大到了3205Nm，輸出軸轉(zhuǎn)矩增大到了2740Nm，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)完成后電磁轉(zhuǎn)矩和輸出軸轉(zhuǎn)矩分別穩(wěn)定在2405Nm和2366Nm；由此說明，通過不改變采煤機(jī)牽引速率和加大滾筒轉(zhuǎn)動速率的方式可以有效控制采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)以及滾筒的載荷，但在電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)瞬間電磁轉(zhuǎn)矩和輸出軸的轉(zhuǎn)矩會增大，故需要控制此時(shí)的滾筒轉(zhuǎn)速變化率。

3.2 方案二

方案二為先將采煤機(jī)牽引速率減小至目標(biāo)值，然后將滾筒的轉(zhuǎn)動速率增大到目標(biāo)值，最后將牽引速率增大至初始值。具體仿真方案為在時(shí)間為3.5S時(shí)將采煤機(jī)牽引速率從4m/min減小到3m/min，而后在3.5S～4S時(shí)間段內(nèi)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速從1200r/min增大到1400r/min，最后不改變調(diào)節(jié)速率將采煤機(jī)牽引速率恢復(fù)到4m/min。所得仿真結(jié)果如圖6的（a）～（c）所示。

圖6 方案二下仿真結(jié)果示意圖

從圖6中可以看出，在進(jìn)行變速調(diào)節(jié)的0.5S內(nèi)采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)所受載荷會明顯減小，故降低牽引速率可以顯著控制采煤機(jī)截割部所受載荷，提高其穩(wěn)定性水平，最終電磁轉(zhuǎn)矩和輸出軸轉(zhuǎn)矩分別穩(wěn)定在2405Nm和2333Nm；由此說明方案二的合理性和可靠性。

4 結(jié)束語

本文在對采煤機(jī)截割部影響因素系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上提出保證采煤機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的方案，認(rèn)為采煤機(jī)截割部穩(wěn)定性的影響因素主要包括煤體的力學(xué)特性、截割部和牽引機(jī)構(gòu)的參數(shù)、以及截齒的幾何參數(shù)；減小截割部所受載荷的主要方法在于控制采煤機(jī)的牽引速率和滾筒轉(zhuǎn)速，由此得到了采煤機(jī)工作穩(wěn)定性控制的方案：方案一為不改變采煤機(jī)牽引速率，加大滾筒的轉(zhuǎn)動速率；方案二為先將采煤機(jī)牽引速率減小至目標(biāo)值，然后將滾筒的轉(zhuǎn)動速率增大到目標(biāo)值，最后將牽引速率增大至初始值。對兩個(gè)方案進(jìn)行了仿真研究，認(rèn)為方案一和方案二均對控制采煤機(jī)截割部所受載荷以及提高穩(wěn)定性水平有重要意義，但方案一下需要在調(diào)速瞬間控制滾筒的轉(zhuǎn)速變化率。