刮板輸送機永磁電機半直驅動傳動系統機電耦合模型研究

賈小軍

（山西西山礦業管理有限公司，山西 太原 030053）

引言

刮板輸送機作為煤礦綜采工作面重要的運輸設備，其性能的好壞直接影響綜采工作面的采掘效率，針對傳統驅動方式的刮板輸送機調控精度差、扭矩低、運輸效率低，且易發生故障的問題，本文設計了永磁電機半直驅作為刮板輸送機的驅動裝置，通過對運行負載信號的監測，動態精準且可調控，有效提高了綜采工作面的工作效率。

1 刮板輸送機機電耦合模型的構建

刮板輸送機永磁電機半直驅動系統是將電磁力、傳動力和摩擦力相互耦合的復雜驅動系統，變頻驅動刮板輸送機主要是通過變頻器控制鏈輪的驅動力，實現對輸送機運行速度的調控，永磁電機半直驅動系統則是根據輸送機負載狀態，通過負載信號實現對電機的矢量控制，閉環控制的過程中實現了機械能和電磁能之間的轉化。針對機電耦合狀態，眾多學者針對負載調控進行了研究，但對于機電耦合系統的研究卻頗少[1-2]。

永磁電機半直驅動系統由電機、齒輪和刮板輸送機構成。其中，電機產生的電磁力、齒輪產生的傳動力以及管板輸送機運行過程中產生的摩擦力之間相互耦合構成了半直驅動系統[3]。本文以刮板輸送機為主，對系統機電模型進行分析研究。

不同于傳統的電機，永磁電機磁場的產生主要依賴于永磁體，輸入的三相電流經過定子繞組形成了磁場，磁場的形成將電能轉化為磁場勢能，同時實現了電機轉子的同步運動。

為了簡化刮板輸送機機電耦合模型，將電機軸和齒輪傳動軸設計為一個整體，刮板輸送機機電耦合模型圖如圖1所示。其中，ωe為電機轉子的角速度；ω'e為經過齒輪的傳速，電機轉子的輸出角速度；kw，cw分別為輸送機的剛度系數以及阻尼系數；ω'm為機械傳動角速度。

2 永磁電機半直驅模擬應用分析

永磁電機半直驅動系統主要由：電機系統與刮板輸送機系統組成。圖2為永磁電機半直驅電機系統圖，在系統圖中，選用TYVZ-3800-280M-16型的永磁電機，電機的額定功率為37 kW，額定電流為73.2 A，額定電壓為380 V，定子電阻為0.136Ω，反電勢常數為1 060 V，轉動慣量為1.98 kg·m2。為了更加真實地反映刮板輸送機運行過程中載荷的波動，利用磁粉式測功機系統模擬輸送機載荷波動狀況。為了充分研究不同工況下系統的運行狀態，對空載運行、穩定承載運行和隨機承載運行狀態進行研究。

圖2 永磁電機半直驅電機系統圖

2.1 空載運行工況研究

刮板輸送機空載運行狀態下系統工況曲線圖如下頁圖3所示。由圖3-1分析可知，在空載運行狀態下，電機在運行初期轉矩最大達到1.09×104N·m，隨后開始快速降低，在運行約2 s左右，轉矩值穩定在0.34×104N·m，分析其原因，為了克服鏈條及刮板的工作阻力，電機產生電磁轉矩，而在電機運行初期，會產生較大的電流，在電流的驅動作用下，電磁轉矩產生，且電磁轉矩的波動與電流波動規律一致。從圖3-2可以看出，在電機啟動初期，依靠鏈輪鏈條的嚙合作用進行運行，因此鏈輪鏈條嚙合處速度最大，在嚙合傳遞的作用下，距離電機較遠的位置（如圖3-2中x=250 m）速度最低，且承載段和非承載段速度變化趨勢相同。但是不同關鍵段內速度變化趨勢有差別，在靠近機頭（x=100m）機尾（x=250m）處速度波動較大，但是在電機啟動2 s左右的時間，速度值最終穩定在1.8 m/s左右，在電機啟動的短時間內，承載段和非承載段加速度會出現波動的狀況，一定張緊力的皮帶在運行過程中會受到沖擊力作用，使得鏈條速度加快。根據速度—時間公式計算得到加速度，此時加速度值最大，達到24.25 m2/s，這一現象在機頭機尾兩側最為明顯。隨著空載運行的持續進行，沖擊力作用逐漸減小，因此加速度值也隨之減小，在2 s左右后，加速度值較為穩定，值為0。

圖3 空載運行狀態下系統工況曲線

2.2 穩定承載運行工況研究

在空載運行3 s后，系統進入穩定運行階段，由圖4-1可知，在穩定運行階段前3 s內，電機速度有一定范圍的波動，3 s后速度逐漸趨于穩定。對兩臺電機的轉速進行測試，發現n1、n2變化趨勢相同，但是n1的變化幅度大于n2，在2 s左右達到755 r/min，在120 s后穩定在750 r/min左右。從圖4-2可以看出，在穩定承載階段，輸送機的運行速度經過兩次大的波動，兩次波動有差異，第一次波動輸送機承載段和非承載段都有明顯的波動，第二次波動非承載段現象大于承載段的波動，分析其原因為在輸送機運行過程中，鏈條受到沖擊力作用，此沖擊力會被鏈條以及運輸物料吸收，造成了承載段與非承載段張力的差距，關鍵段內電機波動的最大速度為3.6 m/s，在運行15 s后穩定在1.8 m/s左右。從速度曲線可以看出，在運行的前1 s時和4 s時，因為鏈條鏈輪的嚙合作用，鏈條運行速度波動較大，12 s左右時間開始逐漸穩定，在15 s時完全穩定下來。

圖4 穩定承載運行狀態下系統工況曲線

2.3 隨機承載運行工況研究

刮板輸送機隨機承載運行狀態下系統工況曲線如下頁圖5所示。由圖5-1可知，在隨機承載階段，電機轉速沒有大范圍的波動，20 s左右受到載荷作用，電機轉速開始出現波動，且持續一段時間，分析其原因，在長距離長時間的運輸過程中，刮板輸送機上的物料會出現堆積，隨著堆積物的增加，電機運行速度也會出現波動，機頭電機波動范圍大于機尾電機波動范圍。從圖5-2可以看出，在20 s開始，隨著負載的增加，鏈條運行速度開始波動，處于承載段的鏈條速度呈現下降的趨勢，非承載段的鏈條速度則呈現增大的趨勢。23 s時，鏈條運行速度達到最大，值為2.8 m/s，在刮板輸送機長距離運輸的條件下，鏈條速度的增加對鏈條沖擊較大，離刮板輸送機端頭550 m的位置，速度波動較為平緩，在250 m的位置，速度波動最大。根據速度曲線分析鏈條運行過程中加速度的變化，當刮板輸送機鏈條運行速度波動較大時，鏈條的加速度會出現明顯波動。離刮板輸送機端頭550 m的位置計算得出加速度值，其數值接近0，在250 m的位置，加速度波動最大。

圖5 隨機承載運行狀態下系統工況曲線

從不同工況下系統的運行狀態分析可以看出，無論刮板輸送機處于何種工況，永磁電機半直驅電機都有良好的動態響應，且可以根據負載信號的不同進行自動調節，調節后電機及鏈條運行速度有波動，但是減少了傳統刮板輸送機大轉速小運輸的問題，由此可見，永磁電機半直驅刮板輸送機具有良好的動態響應，有效提升了刮板輸送機的運行穩定性。

3 結論

基于永磁電機半直驅刮板輸送機系統機電耦合動態特性研究，對空載運行、穩定承載運行和隨機承載三種運行工況進行模擬分析。實驗證明，永磁電機半直驅電機在復雜工況下可根據負載信號迅速做出動態響應，降低設備的故障率，提高刮板輸送機的調控精度和運行可靠性，可大幅提升綜采工作面的采掘工作效率。