采煤機(jī)動(dòng)態(tài)截割特性的分析與優(yōu)化

周小銅

（太原煤氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司爐峪口煤礦， 山西 太原 030204）

引言

采煤機(jī)作為煤礦井下綜采作業(yè)的核心裝備，直接關(guān)系到煤礦井下綜采作業(yè)的效率和綜采經(jīng)濟(jì)性。由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，在煤層內(nèi)含有大量的矸石層，采煤機(jī)的截割機(jī)構(gòu)在接觸到矸石層后由于硬度突變而導(dǎo)致作用在截割驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的沖擊載荷迅速增加，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)齒輪上產(chǎn)生了劇烈的沖擊，導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損壞，給采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了較大的隱患，因此本文以MG300型采煤機(jī)為例，對(duì)其動(dòng)態(tài)截割特性進(jìn)行研究。

1 采煤機(jī)動(dòng)態(tài)截割特性分析

MG300型采煤機(jī)的截割傳動(dòng)系統(tǒng)由7個(gè)齒輪副（從電機(jī)側(cè)到滾筒側(cè)的齒輪副編號(hào)依次為1/2/3/4/5/6/7）組成，作為連接截割滾筒和截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)的“橋梁”，該截割傳動(dòng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

該截割機(jī)構(gòu)的截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率為300 kW，工作電壓為1 140 V，電機(jī)的額定截割轉(zhuǎn)速為1 475 r/min，為了對(duì)截割機(jī)構(gòu)截割作業(yè)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性變化情況進(jìn)行分析，以典型地質(zhì)條件下的煤層為截割實(shí)驗(yàn)對(duì)象，煤層設(shè)置為夾矸煤層，夾矸層的厚度約0.4m，實(shí)測(cè)采煤機(jī)截割過(guò)程中觸碰到夾矸層后的載荷將增加為穩(wěn)定截割作業(yè)下的1.67倍，則各齒輪副的沖擊載荷變化情況如圖2所示[2]。

由圖2可知，在突變載荷沖擊下采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)齒輪副的最大載荷突變倍數(shù)從高速端向著低速端逐漸降低，在第一個(gè)齒輪副處的載荷突變倍數(shù)達(dá)到了2.28，在第二個(gè)齒輪副處的載荷突變倍數(shù)達(dá)到了2.19，給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)造成了極大的沖擊，特別是導(dǎo)致在高速端齒輪機(jī)構(gòu)的嚴(yán)重磨損，極大的影響了采煤機(jī)截割運(yùn)行的穩(wěn)定性和使用壽命。

圖1 采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 不同齒輪副在載荷沖擊下的載荷突變系數(shù)

2 采煤機(jī)動(dòng)態(tài)截割特性的優(yōu)化

采煤機(jī)的截割作業(yè)是截割機(jī)構(gòu)和牽引機(jī)構(gòu)共同作用下的結(jié)果，根據(jù)實(shí)際測(cè)試表明采煤機(jī)的塊煤率與運(yùn)行時(shí)的進(jìn)給速度成正比，與截割滾筒的截割轉(zhuǎn)速成反比。采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)的截割比能耗、動(dòng)載荷同樣與進(jìn)給速度成正比，與截割轉(zhuǎn)速成反比[3]。但采煤機(jī)的進(jìn)給速度直接關(guān)系到煤礦井下綜采作業(yè)效率，因此如何確保井下綜采作業(yè)效率和截割穩(wěn)定性之間的關(guān)系，是必須考慮的核心。針對(duì)目前的直接轉(zhuǎn)矩控制方案所存在的截割特性調(diào)節(jié)速度慢、精度低的缺陷，本文提出了一種進(jìn)給速度-截割速度聯(lián)合調(diào)速控制方案，該方案整體結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]。

圖3 聯(lián)合調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3可知，該聯(lián)合調(diào)速系統(tǒng)采用了閉環(huán)反饋控制的磨損，以作用在截割滾筒上的截割載荷的變化情況為調(diào)整依據(jù)，通過(guò)聯(lián)合調(diào)速控制系統(tǒng)的分析后根據(jù)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，分別給牽引機(jī)構(gòu)和截割機(jī)構(gòu)不同的控制信號(hào)，同時(shí)對(duì)進(jìn)給速度和截割轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足在不降低截割小情況下減少作用在截割驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的動(dòng)載荷，提升采煤機(jī)的使用壽命和截割穩(wěn)定性。

3 優(yōu)化效果

為了驗(yàn)證采用不同控制模式對(duì)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)截割穩(wěn)定性的影響，對(duì)采煤機(jī)的截割機(jī)構(gòu)施加1.67倍的穩(wěn)定截割載荷，在此工況下對(duì)第一個(gè)齒輪副在截割作業(yè)過(guò)程中的嚙合力變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在傳統(tǒng)控制模式下當(dāng)收到載荷沖擊時(shí)第一個(gè)齒輪副的動(dòng)態(tài)嚙合力迅速增加到1.6×104N，然后逐漸的振蕩減小，當(dāng)再次首次受到載荷沖擊時(shí)，按照相同的振蕩規(guī)則進(jìn)行振蕩。當(dāng)采用新的聯(lián)合調(diào)速控制模式下受到載荷沖擊后系統(tǒng)迅速調(diào)整采煤機(jī)的截割作業(yè)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和截割運(yùn)動(dòng)的聯(lián)合調(diào)整，使作用在齒輪副1上的載荷振蕩時(shí)間和幅度迅速降低，有效提升了采煤機(jī)截割驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，提升了使用壽命。根據(jù)對(duì)齒輪副最大突變倍數(shù)監(jiān)測(cè)，優(yōu)化后的最大突變倍數(shù)為0.72倍，比優(yōu)化前降低了68.4%。

圖4 不同控制模式下齒輪副動(dòng)態(tài)嚙合力變化情況