采煤机牵引部的自动调速机理与自动控制系统分析

杨学志 杨东伟

（神华宁夏煤业集团 机电管理部，宁夏 银川750011）

0 引言

牵引部是采煤机的重要组成部分， 是采煤机的关键部件和易损件。 牵引部的结构可靠性决定着采煤机的质量和使用效果。 随着煤田开采条件日趋复杂，高产高效工作面对采煤机牵引速度和牵引力的要求不断提高，为提高其可靠性和适应性，需要对采煤机牵引部关键零件进行研究与分析，以完善和提高牵引系统的可靠性。同时，采煤机在行走和截煤的过程中，牵引速度越快，生产效率越高，电动机的负载也越重。如果牵引速度过高，就有可能使电动机过载。生产中既要充分发挥采煤机的生产能力，又要保证电动机的安全，使电动机保持满载而不过载，这就需要根据电动机的负载情况随时调节牵引速度，而牵引速度的大小又与牵引电机的转速及输出转矩有关。 同时，牵引电机输出转矩的变化还会影响采煤机各零部件的受力情况。

1 采煤机牵引部的自动调速机理

采煤机在生产过程中，一边靠其自身的牵引系统沿着刮板输送机行走，同时驱动滚筒来完成落煤和向输送机装煤的任务。 为了提高采煤机的产量和工作效率，一方面要求增加采煤机的截割功率、牵引力和牵引速度，另一方面，采煤机应有良好的自动调节特性，以适应在生产过程中各种不同工况的要求，充分发挥采煤机的生产能力。

由于采煤机司机很难预计工作面煤质变化情况，而凭经验调速又有很大的盲目性，因此采煤机上都装有牵引部自动调速系统。 使采煤机能自动根据煤质变化情况调节牵引速度，以保持功率和牵引力达到额定值。

采煤机的自动调速是指随着采煤机的电动机功率或牵引力变化而自动调整牵引速度，以保证采煤机满载运行，避免过载并充分发挥采煤机的效能。

采煤机截割电机的负载大小与多种因素有关，如煤层硬度、煤层夹矸厚度、夹矸硬度、采高、截深以及牵引速度等。在诸多因素中，除了截深和牵引速度外，其他因素都是由自然条件决定的，不能人为控制。因此对于特定型号的采煤机型号，可以通过调节牵引速度来补偿其他因素对截割电机负载的影响。

理论分析和实际使用都证明，采煤机消耗的功率P 和牵引力F 都与牵引速度Vq成正比，即∶

P=P0+KVq，F=F0+RVq

式中∶P0为采煤机空载消耗功率，其值取决于截割机构形式、结构和传动效率；K 为系数，取决于煤的性质、压酥程度、截割参数、截齿形状及磨钝程度；F0为引阻力的不变分量，取决于采煤机的重量、倾角、导向情况及摩擦系数；R 为系数，取决于煤的性质、截齿形状及磨钝程度。

由于煤质分布的随机性， 当采煤机以牵引速度Vq在中硬煤层中工作时，其功率和牵引力分别达到额定值Pn和Fn（图1）；当采煤机割到硬煤或软煤时， 功率和牵引力相应就增大到P1、F1或减小到P2、F2。前者超过了额定值，将会导致电动机超载损坏；而后者欠载，会使电动机效能得不到发挥。为此，必须根据煤质情况及时调整牵引速度∶遇到硬煤时Vq1，速度自动降到，遇到软煤时，速度自动升到Vq2，从而保证电动机满载工作。 通常把采煤机的这种能力称为恒功率调节特性。

图1 牵引部自动调速

2 采煤机恒功率自动控制系统分析

要实现自动调速，必须用传感器将表征电动机功率或牵引力大小的信号拾取出来， 并和额定值进行比较， 然后将比较结果经转换、放大，输送到牵引部控制系统，以进行调速。采煤机牵引部恒功率控制自动调速原理如图2 所示。

图2 恒功率控制原理图

在电牵引采煤机恒功率控制过程中， 首先给控制器以参照功率，然后经控制器计算分析，发出对变频器的控制电压信号，变频器将控制电压转化为供给牵引电动机的频率，来控制牵引电机的运转。 当煤壁的硬度变化时，负载传感器把来自截割电机的负载电流信号经过处理（放大、滤波、数模转换等）传输给控制器并与给定的额定功率进行比较后由控制器给出控制调节电压。

图3 功率闭环控制系统结构图

牵引部控制系统结构如图3 所示， 该系统采用功率闭环调节，功率调节器的给定值P*为截割电机的额定功率， 反馈值P 为截割电机的实际功率，通过截割电机的功率传感器得到，由理论分析可知该值与牵引速度成正比例关系。速度环、转矩环、磁链环以及逆变器构成交流电机变频调速系统。 速度给定为n*，由截割电机的功率调节器APR的输出量提供，改变速度给定值n*，可以改变交流电机的转速。逆变器的直流电源由PWM 整流器提供，此整流器的能量流动是双向的。 因此，可以使交流电机工作在四个象限，以满足采煤机在较大倾斜煤层条件下的电牵引工艺要求。

如图3 所示，采煤机在中硬煤层工作时，实际功率P 等于额定功率。当采煤机截割到软煤时，滚筒受的截煤阻力F 减小，截割电机实际功率P 小于额定功率P*， 此时， 功率调节器会发出调节信号使n*增加，并经变频调速系统，使牵引电机转速增加，再经牵引部传动系统使采煤机牵引速度Vq增加，进而增加截割电机的输出功率P，直到实际功率等于额定功率；当采煤机截割到软煤时，截割电机的实际功率P大于额定功率，此时功率调节器会使n*减小，再经变频调速系统，使牵引电机转速下降，牵引速度降低，实际功率P 下降，直到等于额定功率。

在这一过程中，要求采煤机牵引电机具有良好的调速性能及快速的响应时间，因此应该重点对牵引电机变频调速系统进行研究，研究系统的动态特性及转速、转矩响应。另一方面，在采煤机恒功率调速过程中，由于牵引速度和电机输出转矩的变化，会使牵引部传动系统各零部件所受的外载荷发生变化，而载荷的变化势必会对零件的结构强度产生影响。

3 结束语

总之，随着我国市场经济的快速发展，能源的使用量正在急剧加大，煤矿开采的高产高效化是煤炭行业发展的必由之路，大规模综采现已经成为现代煤炭行业发展的一个趋势，作为煤矿生产最为重要的设备之一，采煤机的发展将直接影响着煤矿开采的产量及效率，决定着煤矿高产高效化的进程。

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