混合动力系统在掘进机中的应用设计

吕奇峰

（山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司， 山西 晋中 045300）

引言

对我国能源类型及储量来看，煤炭在未来很长一段时间内将占据我国能源结构的主导地位。从大方面来看，煤炭生产包括掘进工作面的掘进和综采工作面煤炭开采两大内容。其中，悬臂式掘进机作为掘进工作面的主要设备，由于我国煤层埋藏情况相对复杂，在实际掘进过程中由于煤层、岩层不确定性，导致掘进机突变工况增多，以往的传动系统对重载突变工况下的冲击吸收有限，从而造成对掘进机零部件的损坏，降低设备的使用寿命；此外，目前掘进机设备配置的电机类型为双功率双速水冷电机，该电机功率大，在实际生产中仅遇到软质煤岩时大功率才得以利用，而在普通工况下容易造成能源浪费[1]。因此，需结合当前掘进机的液压系统设计混合动力传动系统，以提高掘进机适应突变工况的能力。

1 掘进机混合动力系统的设计

1.1 传动方案的设计思路

一套掘进机系统主要包含有行驶系统、截割系统以及调高系统等多个系统，在实际生产中各个分系统的动力均是相对独立的。在实际生产中行驶系统、截割系统之间存在一定的间隙。因此，可将行驶系统的动力源供向截割系统，一方面可提高行驶系统动力源的利用率，另一面可以减少截割电机的负荷[2]。为此设计如图1 所示的传动方案。

图1-1 的传动方案思路为行驶系统和截割系统的动力源分别通过一级行星减速器实现转速的耦合，将动力传送至截割头；图1-2 传动方案思路为行驶系统和截割系统通过普通转速器实现转矩耦合，然后通过二级行星齿轮减速器将动力传送至截割头。基于图1-1 传动方案思路实现对截割头的变转速控制；基于图1-2 传动方案思路确保截割头能够在额定工作点运行，能够间接提高掘进机的使用寿命。

图1 优化传动方案思路

1.2 传动方案的选型

基于图1-1 传动方案思路虽然在扭矩上能够满足实际生产的需求，但是此种传动方案的传动较大，在同等截割头转速下液压马达的转速较低，无法充分发挥液压马达的工作效率。而对于图1-2 方案思路而言，此传动方式是基于转矩耦合机构实现的，当设备遇到软煤层时可控制截割头处于低转矩状态下工作；当设备遇到硬煤层时可控制截割头处于高转矩、低转速状态下工作，能够满足实际掘进中煤岩层情况复杂的特点[3]。

综上所述，选择图1-2 传动方案思路，基于该传动思路设计如下页图2 所示的传动方案。

2 混合动力系统截割部参数的设计

2.1 液压系统参数的确定

本文所设计的传动系统的载体为EBZ260 掘进机，基于该型号掘进机对1.2 所设计的混合动力传动系统中的液压马达和蓄能器两大关键液压元件进行选型设计。

基于EBZ260 型掘进机的额定工作压力以及其他相关参数得出，当液压马达的效率保持在90%以上时，应将马达的转速控制在600～1 600 r/min 左右。综合考虑马达排量与成本及工作压力等因素，设定马达的转速为1 500 r/min。根据式（1）计算得出马达的排量：

图2 传动方案

式中：P为马达的输入功率，取2×35 kW；p1为马达的输入压力，取260 MPa；n为马达的转速，取1 500 r/min。经计算得出，马达的排量为107 mL/r。经调研可选马达的型号为力士乐A2FM系列。

2.2 机械系统参数的确定

转矩耦合齿轮作为混合动力传动系统的关键机械系统，该齿轮的参数计算如下：所设计的混合动力传动系统是基于转矩耦合的思路实现的。根据液压马达的转速为1 500 r/min，掘进机截割电机的转速为990 r/min，得出转矩耦合齿轮的传动比为1 500/990=1.5。经计算得出转矩耦合齿轮的关键参数如表1 所示。

表1 转矩耦合齿轮参数

3 混合动力系统性能的分析

本文所设计的混合动力系统主要应用掘进机解决其在重载荷突变的情况下对系统本身造成冲击，进而降低掘进机设备的使用寿命[4]。故，本节将基于AMESim 软件对所设计的混合动力系统吸收冲击载荷的性能进行仿真研究。

为得到准确的仿真结果，本文采用AMESim 和MATLAB 软件联合对混合动力系统在煤岩突变的情况下的性能进行研究，设定在仿真时间为4 s 时，岩层的硬度由10 突变为12[5]。设定掘进机截割头的转速为34.8 r/min，掘进机升降油缸的推进速度为2.19 r/min，水平回转油缸的推进速度为2.19 r/min，设定仿真市场为10 s。

3.1 截割头转速变化

掘进机遇到煤岩突变情况时，掘进机截割头转速的变化情况如图3 所示。

图3 截割头转速的变化情况

如图3 所示，当仿真时间为4 s 时，煤岩硬度发生突变，截割头的转速在同时刻发生突变，且波动范围维持在34～35.6 r/min 之间，并在大约1 s 后截割头转速恢复正常。

3.2 液压马达与电机扭矩变化情况

掘进机遇到煤岩突变情况时，液压马达与电机扭矩变化情况如图4 所示。

图4 液压马达与截割电机扭矩变化情况

如图4 所示，当掘进机在掘进过程中煤岩硬度发生突变时，截割电机和液压马达的输出扭矩在4 s时发生突变。其中，截割电机的输出扭矩在突变1 s后逐渐趋于稳定，并最终保持与在1 850 N·m；液压马达的输出扭矩在煤岩突变后瞬间趋于稳定，并最终由突变前的200 N·m 增大为500 N·m。

综上所述，当掘进机在掘进过程中截割头所遇煤岩硬度发生突变时，截割电机的输出扭矩及截割头的输出转速维持在原有功率及转速下运行。

4 结语

悬臂式掘进机作为巷道掘进的主要设备，在实际掘进过程中存在煤岩硬度突变的情况，导致重载荷突变进而对掘进机截割头造成冲击，进而对其余部件造成冲击，影响掘进机的使用寿命。为此，本文基于扭矩耦合系统设计的混合动力系统，并基于AMESim 和MATLAB 软件对其性能进行仿真分析得出：掘进机的混合动力系统能够解决其在重载荷突变的工况下保持恒功率的运行状态，减小对系统造成的冲击。