采煤機動態截割特性的分析與優化

周小銅

（太原煤氣化（集團）有限責任公司爐峪口煤礦， 山西 太原 030204）

引言

采煤機作為煤礦井下綜采作業的核心裝備，直接關系到煤礦井下綜采作業的效率和綜采經濟性。由于煤礦井下地質條件復雜，在煤層內含有大量的矸石層，采煤機的截割機構在接觸到矸石層后由于硬度突變而導致作用在截割驅動機構上的沖擊載荷迅速增加，在驅動機構的傳動齒輪上產生了劇烈的沖擊，導致傳動機構的損壞，給采煤機的穩定運行帶來了較大的隱患，因此本文以MG300型采煤機為例，對其動態截割特性進行研究。

1 采煤機動態截割特性分析

MG300型采煤機的截割傳動系統由7個齒輪副（從電機側到滾筒側的齒輪副編號依次為1/2/3/4/5/6/7）組成，作為連接截割滾筒和截割驅動電機的“橋梁”，該截割傳動系統整體結構如圖1所示[1]。

該截割機構的截割驅動電機的功率為300 kW，工作電壓為1 140 V，電機的額定截割轉速為1 475 r/min，為了對截割機構截割作業時的動態特性變化情況進行分析，以典型地質條件下的煤層為截割實驗對象，煤層設置為夾矸煤層，夾矸層的厚度約0.4m，實測采煤機截割過程中觸碰到夾矸層后的載荷將增加為穩定截割作業下的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截割機構齒輪副的最大載荷突變倍數從高速端向著低速端逐漸降低，在第一個齒輪副處的載荷突變倍數達到了2.28，在第二個齒輪副處的載荷突變倍數達到了2.19，給運動機構造成了極大的沖擊，特別是導致在高速端齒輪機構的嚴重磨損，極大的影響了采煤機截割運行的穩定性和使用壽命。

圖1 采煤機截割機構示意圖

圖2 不同齒輪副在載荷沖擊下的載荷突變系數

2 采煤機動態截割特性的優化

采煤機的截割作業是截割機構和牽引機構共同作用下的結果，根據實際測試表明采煤機的塊煤率與運行時的進給速度成正比，與截割滾筒的截割轉速成反比。采煤機運行時的截割比能耗、動載荷同樣與進給速度成正比，與截割轉速成反比[3]。但采煤機的進給速度直接關系到煤礦井下綜采作業效率，因此如何確保井下綜采作業效率和截割穩定性之間的關系，是必須考慮的核心。針對目前的直接轉矩控制方案所存在的截割特性調節速度慢、精度低的缺陷，本文提出了一種進給速度-截割速度聯合調速控制方案，該方案整體結構如圖3所示[4]。

圖3 聯合調速控制系統結構示意圖

由圖3可知，該聯合調速系統采用了閉環反饋控制的磨損，以作用在截割滾筒上的截割載荷的變化情況為調整依據，通過聯合調速控制系統的分析后根據采煤機的運行狀態，分別給牽引機構和截割機構不同的控制信號，同時對進給速度和截割轉速進行調節，滿足在不降低截割小情況下減少作用在截割驅動機構上的動載荷，提升采煤機的使用壽命和截割穩定性。

3 優化效果

為了驗證采用不同控制模式對采煤機截割機構截割穩定性的影響，對采煤機的截割機構施加1.67倍的穩定截割載荷，在此工況下對第一個齒輪副在截割作業過程中的嚙合力變化情況進行監測，結果如圖4所示。

由圖4可知，在傳統控制模式下當收到載荷沖擊時第一個齒輪副的動態嚙合力迅速增加到1.6×104N，然后逐漸的振蕩減小，當再次首次受到載荷沖擊時，按照相同的振蕩規則進行振蕩。當采用新的聯合調速控制模式下受到載荷沖擊后系統迅速調整采煤機的截割作業狀態，實現進給運動和截割運動的聯合調整，使作用在齒輪副1上的載荷振蕩時間和幅度迅速降低，有效提升了采煤機截割驅動機構的運行穩定性和可靠性，提升了使用壽命。根據對齒輪副最大突變倍數監測，優化后的最大突變倍數為0.72倍，比優化前降低了68.4%。

圖4 不同控制模式下齒輪副動態嚙合力變化情況