特殊工況下采煤機截割穩態特性的研究

鄭艷棟

（大同煤炭集團有限公司安全監管五人小組管理部， 山西 大同 037003）

引言

采煤機是煤礦井下重要的綜采設備，作為煤礦“三機”之一，其工作時的穩定性和可靠性直接關系到井下綜采作業效率和經濟性。煤礦井下的綜采作業環境相對惡劣，采煤機在綜采作業時需要承受極大的振動、沖擊。采煤機在特殊工況過程中其傳動系統將承受較大的震蕩，給采煤機的穩定工作造成了較大的隱患。大同煤炭集團有限公司針對MG100 型采煤機在特殊工況下振動沖擊大、穩定性差的問題，成立了專門的技術攻關小組，利用MATLAB 仿真分析軟件對其工作過程中的穩態特性進行分析，為優化采煤機傳動系統結構、提升其工作穩定性奠定基礎。

1 采煤機傳動系統結構模型及分析工況

MG100 型采煤機傳動系統結構模型見圖1[1]。

圖1 采煤機傳動系統結構示意圖

在進行仿真分析時，項目組根據采煤機在井下實際工作時的工作參數，同時對影響其穩態特性的因素進行分析，最終確定電機在啟動工況下煤層的截割阻力為零，驅動電機工作時的轉速的最大變化率為250 r/min，采煤機穩定工作時的進給速度為4.5 m/min，該采煤機在工作時采用了直接啟動的方式，在截割作業過程中的轉速的變化通過變頻器進行調節。

當采煤機在井下發生堵轉時，根據監測結果，其發生堵轉時井下綜采面作用在采煤機截割機構上的截割阻抗將在1.9 s 內由正常的200 kN/m 增加到約600 kN/m，作用在截割滾筒上的負載轉矩在瞬間增加三倍以上。以實際監測到的采煤機在啟動和阻抗工況下的運行參數為基礎，設置仿真分析時的邊界條件，最大限度地模擬采煤機在各工況下的實際的運行穩態特性[2]。

MG100 型采煤機工作時的驅動功率為290 kW，電機的額定轉速為1 400 r/min，采煤機截割機構的傳動比為44.6，工作時截割滾筒的轉動慣量約為1 980 kg·m2，采煤機工作時的進給功率約為40 kW，進給部的驅動電機的功率為39 kW，工作轉速為1 470 r/min，采煤機的整機重量約為45 t。

2 采煤機啟動工況下的仿真分析結果

采煤機在啟動工況下截割機構的轉矩和嚙合力變化情況分別如圖2、圖3 所示。

圖2 采煤機啟動時截割機構的電機轉速和轉矩變化曲線

分析圖2 可知，在采煤機截割驅動電機開始工作的初期，截割機構的截割轉速和截割轉矩發生了劇烈的波動，特別是截割轉矩波動峰值可達截割機構工作時額定工作轉矩的1.67 倍，給采煤機的截割電機帶來了極大的沖擊。在啟動過程中截割機構的轉速呈現了先劇烈波動再逐漸上升至平穩的過程，這是由于在截割作業初期，截割滾筒與煤壁接觸較淺，截割阻力變化較大，導致了其截割轉速的波動，但其總體相對穩定，能夠滿足綜采作業的穩定需求。

圖3 采煤機啟動時截割機構的嚙合力變化曲線

分析圖3 可知，在采煤機截割機構工作開始的時候，其傳動系統的嚙合齒輪發生了脫嚙現象，這主要是在采煤機啟動的開始時候，截割機構重量大、轉動慣量大，啟動轉矩大而導致的，但是由于電機在啟動初期的轉速波動小，因此對其嚙合輪齒的單邊沖擊較小。當采煤機進入穩定截割狀態后，采煤機的驅動電機的轉矩在減小的過程中同樣產生了一定的波動，導致嚙合輪齒間產生了雙邊振動沖擊[3]，使采煤機在運行過程中產生噪聲。

3 采煤機堵轉工況下的仿真分析結果

采煤機堵轉工況是指在截割作業過程中采煤機截割機構的截割阻力突然增加，導致無法正常進行截割作業而導致的驅動電機的堵轉現象，為了研究在堵轉工況下采煤機的穩態特性，利用仿真分析軟件對此工況下的穩態特性情況進行仿真分析，結果如圖4 所示。

分析圖4 可知，從1.9 s 給其施加一個截割阻抗，使其由正常的200 kN/m 增加到約600 kN/m，此時所施加的負載轉矩已經超出了采煤機的截割驅動電機的最大承受轉矩，此時電機的截割轉速以及截割轉矩迅速下降，而驅動電機的工作電流則開始增加，整個變化周期約為0.6 s，在該變化周期內采煤機的截割系統將承受巨大的過載，其穩態特性受到較大的影響，因此為了確保其工作過程中的穩態特性，就需要加大系統承受過載的能力。最終電機的截割轉速降低為零，其截割轉矩降低為0.4 kN·m，而電機的工作電流增加為額定工作電流的3.24 倍，因此為了避免電機過熱損壞，需要在系統中設置過載電流保護[4]。

圖4 堵轉工況下采煤機截割特性變化示意圖

4 結論

1）在啟動工況下，采煤機截割驅動電機開始工作的初期，截割機構的截割轉速和截割轉矩發生了劇烈的波動，特別是截割轉矩波動峰值可達截割機構工作時額定工作轉矩的1.67 倍，給采煤機的截割電機帶來了極大的沖擊；

2）在堵轉工況下，在整個調整周期內采煤機的截割系統將承受巨大的過載，其穩態特性受到較大的影響，這就需要加大系統承受過載的能力，同時由于工作電流迅速增加，為了避免電機過熱損壞，需要在系統中設置過載電流保護。