采煤機傳動系統(tǒng)變負載工況下的截割響應(yīng)特性分析

班鵬程

（晉能控股煤業(yè)集團浙能麻家梁煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 036000）

引言

采煤機是煤礦開采中的重要機械裝備，工作時通過截割部將煤巖破碎，再對落下的煤礦物料進行采集，所以采煤機工作時必然會承受比較大的載荷[1]。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，對煤炭資源的依賴程度越來越大，每年都會使用大量的煤炭資源。當前我國淺部區(qū)域的煤炭資源已經(jīng)開采殆盡[2]。礦井開采整體朝著縱深方向發(fā)展，煤巖性質(zhì)越來越復(fù)雜，這對采煤設(shè)備的性能提出了更高的要求[3-4]。傳統(tǒng)的采煤機只能通過調(diào)整截割速度以順應(yīng)不同的工作環(huán)境，這種模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化煤礦開采的基本需要[5]。基于此，能夠適應(yīng)變負載工況條件的截割部傳動系統(tǒng)應(yīng)運而生，這種傳動系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境，確保采煤機運行整體的穩(wěn)定性和可靠性。本文主要對這種傳動系統(tǒng)的方案進行了介紹，分析了變負載工況條件下截割部的動態(tài)響應(yīng)特性，對于促進采煤機的發(fā)展具有重要的理論與實踐意義。

1 采煤機的結(jié)構(gòu)概述

以MG300/700-WD 型滾筒式采煤機為例進行闡述。如圖1 所示為滾筒式采煤機整體結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，采煤機整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多個部分構(gòu)成，其中最主要的包括牽引部分、破碎部分、截割部分等。其中截割部分是采煤中最為關(guān)鍵的部分，需要利用該部件實現(xiàn)破煤和裝煤工序。截割部分主要由螺旋滾筒、傳動系統(tǒng)和截割電機等部分構(gòu)成。截割電機提供的動力通過傳動系統(tǒng)后輸入到截割滾筒中實現(xiàn)采煤的效果。在實際煤礦開采過程中，由于不同位置的煤巖屬性存在一定程度差異，其硬度、剛度等都不同。當截割頭作用在具有不同屬性的煤巖上時，產(chǎn)生的載荷會發(fā)生變化。在變負載工況條件下，截割部的傳動系統(tǒng)和截割滾筒會產(chǎn)生一定的振動響應(yīng)，影響設(shè)備穩(wěn)定和可靠運行。因此，有必要對該工況條件下的截割響應(yīng)情況進行分析，以提升設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

圖1 滾筒式采煤機的結(jié)構(gòu)圖

2 變負載工況傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

2.1 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前使用的采煤機截割部傳動系統(tǒng)已經(jīng)基本定型，短時間內(nèi)不會出現(xiàn)明顯改變，只在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行微小改動。為了確保采煤機傳動系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況對輸出轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，可以在傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加一個差動行星齒輪。通過對該齒輪旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)整，實現(xiàn)截割速度的調(diào)整，達到變速截割的目的。如圖2 所示為可以實現(xiàn)變速截割的采煤機截割部傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，傳動系統(tǒng)采用的是雙電機布置，其中一個為定頻電機，另一個為變頻電機，變頻電機接受控制系統(tǒng)的控制，可以對輸出轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，進而實現(xiàn)截割滾筒速度的控制。Z1～Z13 全部都是齒輪，其中Z5 的內(nèi)圈和外圈全部設(shè)置有齒輪。

圖2 截割部傳動系統(tǒng)原理示意圖

2.2 傳動系統(tǒng)主要參數(shù)

采煤機截割滾筒的旋轉(zhuǎn)速度在30～40 r/min 范圍內(nèi)變化，超過這個范圍后變速截割的效果便不是非常明顯。采煤機截割滾筒在正常情況下，截割速度設(shè)置為35 r/min，截割電機的輸出轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，電機額定功率為300 kW。根據(jù)整個傳動系統(tǒng)齒輪強度比相等的分配原則，可以計算得到所有齒輪的齒數(shù)。其中，Z1～Z13 的齒數(shù)依次為21、38、39、25、46、25、38、38、47、16、45、17、42 個；差動輪系中齒輪的齒數(shù)依次為59、21、17 個；搖臂行星齒輪的齒數(shù)依次為64、24、16 個。為了實現(xiàn)變速截割，單獨設(shè)置了變頻電機，該電機的額定功率為40 kW。變頻電機可以控制差動輪系的旋轉(zhuǎn)方向，如果差動輪系與太陽輪旋轉(zhuǎn)方向相同，那么截割速度最大可以達到40 r/min，如果差動輪系與太陽輪旋轉(zhuǎn)方向相反，那么截割速度最小可以達到30 r/min。另外，通過變頻技術(shù)改變變頻電機的輸出轉(zhuǎn)速，截割速度的變化范圍更大。

3 傳動系統(tǒng)的截割響應(yīng)特性分析

3.1 截割響應(yīng)模型的建立

截割部的穩(wěn)定可靠運行是保障采煤機可靠運行的基礎(chǔ)和前提，為了研究截割部在變負載工況條件下的動態(tài)特性，利用AMESim 軟件對傳動系統(tǒng)進行建模，并對截割部的動態(tài)截割響應(yīng)特征進行分析。模型建立過程中，嚴格按照截割部的實際參數(shù)執(zhí)行，這樣可以得到更加準確的結(jié)果。為分析變負載工況條件下采煤機的截割響應(yīng)特性，在截割滾筒部位設(shè)置了變化的三向力和力矩，具體如圖3 所示。圖中，Rx、Ry和Rz分別表示沿著牽引方向的力、與截割滾筒垂直的力和與截割滾筒軸線方向相同的力。

圖3 截割滾筒上作用的三向力和力矩隨時間的變化情況

3.2 截割響應(yīng)結(jié)果分析

1）X 方向振動情況。如圖4 所示為變負載工況條件下截割滾筒在X 方向上的響應(yīng)情況。由圖4-1可知，振動加速度整體上呈現(xiàn)出受迫振動的變化趨勢，截割滾筒在X 方向上的振動加速度受到外部變負載條件的影響顯著，相鄰時刻的振動加速度無法保持相等。在本文研究范圍內(nèi)，振動加速度在-2 028～944 mm/s2范圍內(nèi)變化，其平均值為-1.9mm/s2。但是振動加速度的變化規(guī)律與原始的外部變負載的變化規(guī)律不完全一樣，說明在變負載的作用下，導(dǎo)致截割滾筒在X 方向上產(chǎn)生了額外的振動問題。

圖4 截割滾筒在X 方向上的振動加速度的時域和頻域分析

由圖4-2 可知，隨時間變化截割響應(yīng)中的振動加速度頻域出現(xiàn)了顯著的變化，本文研究范圍內(nèi)，X方向上的振動頻率主要分布在0～700 Hz 范圍內(nèi)，且在頻率為5.75、9.42、32.5、115、230、252、504 Hz 時振動幅值相對較大，幅值大小依次為12、11.6、13.2、22.6、14.6、21.6、16.9 N。

2）Y 方向振動情況。統(tǒng)計結(jié)果表明，截割滾筒在Y 方向上的振動加速度曲線的變化規(guī)律與在X 方向上的基本類似。振動加速度的變化范圍為-13 638～29 354 mm/s2，其平均值為27.4 mm/s2。在振動加速度頻域方面，其演變規(guī)律與X 方向也基本相同，振動加速度的頻率變化范圍為0～700 Hz，主要頻率成分也相同，不同之處在于對應(yīng)的振動加速度幅值變得更大。

3）Z 方向振動情況。截割滾筒在Z 方向上的振動情況與X 和Y 方向上的振動情況存在比較大的差異，其振動加速度波動幅度比較均勻，且基本上在零上下波動，波動幅度很小。在變負載工況條件下，截割滾筒在Z 方向上的振動加速度變化范圍為-9406～179 mm/s2，其振動加速度的平均值為-0.97 mm/s2。理論分析認為，截割滾筒在Z 方向上的響應(yīng)特性，主要是由于三向力共同作用的結(jié)果，與外部力矩的作用關(guān)系較小。對Z 方向上的振動加速度頻域進行分析發(fā)現(xiàn)，其振動頻率分布在0～700 Hz 范圍內(nèi)，主要頻率成分集中在低頻率區(qū)間。該結(jié)果與截割滾筒單獨承受三向力時的結(jié)果一致，再次說明了Z 方向上的振動響應(yīng)主要是由三向力共同作用的結(jié)果。

4）扭矩振動情況。如圖5 所示為變負載工況條件下采煤機截割滾筒振動響應(yīng)在扭矩方向上的分析結(jié)果。由圖5-1 可知，截割滾筒在扭矩方向上的振角加速度演變規(guī)律與在X 方向上的振動加速度演變規(guī)律基本相同，但振角加速度的幅值存在一定程度的差異。振角加速度的變化范圍為-450～968（°）/s2，其平均值大小為0.91（°）/s2。由圖5-2 可知，截割滾筒在扭矩方向上的振角加速度頻域分布在0～700 Hz 范圍，但是不同頻率對應(yīng)的幅值大小存在很大差異。主要頻率成分與X 方向上的振動加速度主要頻率成分基本相同。

圖5 截割滾筒在扭矩方向上的振角加速度的時域和頻域分析

4 結(jié)論

采煤機在截割煤巖時，如果煤巖硬度或剛度出現(xiàn)變化時，導(dǎo)致作用在截割頭上的作用力發(fā)生變化，進而影響采煤機運行過程的穩(wěn)定性。煤巖屬性變化越大，這種變負載工況越復(fù)雜，采煤機的截割響應(yīng)越強烈。本文以MG300/700-WD 型滾筒式采煤機截割傳動系統(tǒng)為實例，利用AMESim 軟件構(gòu)建了截割部的動力學(xué)模型，并在模型中輸入變負載工況。利用軟件進行分析后，獲得了截割滾筒在X、Y、Z 方向上的振動加速度情況，并獲得了振動加速度頻譜。此外，還獲得了扭矩方向上的振角加速度情況及頻譜。對于促進采煤機穩(wěn)定性的提升具有一定的理論意義。