采煤機(jī)不同變速控制方式的對比分析

景 智

（西山煤電集團(tuán)斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

機(jī)械化采煤是現(xiàn)階段煤炭開采的主要方式，采煤機(jī)作為主要的采煤設(shè)備，在機(jī)械化采煤發(fā)展的同時(shí)，還要求采煤機(jī)向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。采煤機(jī)在開采過程中，截割部直接參與煤巖的截割，受到截割阻力的作用[1]，由于煤巖的復(fù)雜多變，造成截割部受到的載荷作用波動(dòng)大、沖擊性強(qiáng)，并具有一定的波動(dòng)性。由于采煤機(jī)開采過程中的轉(zhuǎn)速與截割阻力及塊煤率具有直接的影響，針對這一問題，研究采煤機(jī)不同的調(diào)速控制方式的性能，從而提高采煤機(jī)截割部的適應(yīng)性及可靠性[2]，減小截割部的載荷作用，從而提高采煤機(jī)的開采效率，滿足煤礦的高效開采。

1 采煤機(jī)不同變速控制方式分析及耦合模型建立

采煤機(jī)截割部所受到的載荷作用來自于滾筒的載荷，通過變速的方式降低滾筒的載荷，具有兩種不同的變速控制方式，方式一為保持牽引速度不變提高滾筒的轉(zhuǎn)速，方式二為先降低牽引速度后升高滾筒的轉(zhuǎn)速[3]，再次恢復(fù)牽引速度至原始值進(jìn)行工作。

控制方式一主要在煤層的截割阻力增加不大的工況下，通過升高滾筒的轉(zhuǎn)速，可降低同時(shí)受載的滾筒負(fù)載量?？刂品绞蕉饕诿簩拥慕馗钭枇υ黾虞^大的工況，調(diào)節(jié)滾筒的轉(zhuǎn)速來降低載荷，作用調(diào)節(jié)范圍有限[4]，調(diào)節(jié)牽引速度對負(fù)載的調(diào)節(jié)更快，效果更好，但牽引速度的降低造成生產(chǎn)率的下降，最后通過恢復(fù)牽引速度來提高生產(chǎn)率。

對兩種不同控制方式的調(diào)節(jié)性能進(jìn)行仿真分析，首先建立截割部耦合模型。采煤機(jī)截割部主要通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)對滾筒段的行星減速機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)滾筒的旋轉(zhuǎn)作業(yè)。在建模過程中，將行星減速機(jī)構(gòu)簡化為定軸輪系，建立傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)模型，惰輪機(jī)構(gòu)采用速比及慣量的形式進(jìn)行添加，采用這種方式進(jìn)行簡化設(shè)置[5]，可以滿足對兩種控制方式的有效性進(jìn)行分析，并減少建模及計(jì)算的工作量[6]，建立截割機(jī)構(gòu)的耦合模型如圖1 所示。

圖1 截割機(jī)構(gòu)耦合模型圖

2 采煤機(jī)不同變速控制方式仿真結(jié)果分析

對所建立的耦合模型，設(shè)定截割電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，牽引速度為4 m/min，煤巖的截割阻抗初始值設(shè)定為200 N/mm，在3 s 時(shí)發(fā)生突變，截割阻抗變?yōu)?00 N/mm，如圖2 所示。

圖2 截割阻抗突變示意圖

2.1 控制方式一仿真結(jié)果分析

在控制方式一中，保持牽引速度不變，提高滾筒的轉(zhuǎn)速，設(shè)定截割阻抗突變后0.5 s，即3.5 s 時(shí)以恒定的加速度將電機(jī)轉(zhuǎn)速提高至1 400 r/min，牽引速度保持不變，此時(shí)對應(yīng)滾筒的轉(zhuǎn)速提高4.5 r/min，對滾筒電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真分析，得到如下頁圖3所示的變化曲線。

從圖3 中可以看出，在截割阻抗發(fā)生突變后，提高滾筒的轉(zhuǎn)速可以降低截割系統(tǒng)的載荷，在截割阻抗發(fā)生突變時(shí)，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定上升，輸出軸的扭矩首先呈現(xiàn)階段性上升，在穩(wěn)定后電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減小。在轉(zhuǎn)速提高的過程中，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的上升值較大，對截割部的載荷作用升高較大。

圖3 在控制方式一情況下滾筒電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線

2.2 控制方式二仿真結(jié)果分析

在控制方式二中，先降低牽引速度后升高滾筒的轉(zhuǎn)速，在截割阻抗突變后，首先以恒定的減速度在0.5 s 內(nèi)將牽引速度由4 m/min 下降至3 m/min，然后以恒定的加速度將電機(jī)轉(zhuǎn)速提高至1 400 r/min，以同樣的速率將牽引速度恢復(fù)至4 m/min，對滾筒電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真分析，得到如圖4 所示的變化曲線。

圖4 在控制方式二情況下滾筒電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線

從圖4 中可以看出，采用控制方式二進(jìn)行調(diào)速控制，可以有效降低截割系統(tǒng)的載荷作用，相比控制方式一，在截割阻抗突變時(shí)，降低牽引速度可以快速降低電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，當(dāng)提高轉(zhuǎn)速時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩不再增加，當(dāng)恢復(fù)牽引速度時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩有所上升，但整體幅值小于突變發(fā)生時(shí)的轉(zhuǎn)矩值。

在兩種控制方式中，均以恒定的速率調(diào)節(jié)滾筒的轉(zhuǎn)速，造成傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷受到系統(tǒng)慣量的影響，系統(tǒng)受到慣量載荷的沖擊作用，使系統(tǒng)的承載更加惡劣。因此，在進(jìn)行滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的過程中，因采用變速率控制的方式，從而消除慣量載荷的作用，減輕截割結(jié)構(gòu)受到的載荷作用。

3 結(jié)語

滾筒式采煤機(jī)是進(jìn)行煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化開采的重要設(shè)備，由于煤巖的性質(zhì)復(fù)雜，使得采煤機(jī)受到的載荷隨機(jī)多變，具有一定的沖擊性，不利于采煤機(jī)的穩(wěn)定工作。在煤巖變化時(shí)，對采煤機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而降低采煤機(jī)的載荷。依據(jù)采煤機(jī)調(diào)速控制方式的不同，提出了兩種采煤機(jī)速度調(diào)節(jié)的方式，建立截割機(jī)構(gòu)的耦合模型，對兩種控制方式的性能進(jìn)行仿真分析。通過仿真結(jié)果表明，采用兩種控制方式均可降低截割阻抗增加后截割機(jī)構(gòu)的載荷作用，但方式一在調(diào)整初期受到的載荷具有較大的增加值，造成載荷的沖擊作用。同時(shí)，兩種控制方式由于采用恒定速率進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，會造成截割機(jī)構(gòu)受到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，不利于降低載荷作用，應(yīng)對兩種控制方式進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，消除慣量載荷的作用，從而更好地降低截割機(jī)構(gòu)受到的載荷，提高采煤機(jī)的穩(wěn)定可靠性，保證煤礦高效開采。