采煤机负载突变工况下驱动系统的稳态特性研究

2021-04-08李亚宾

机械管理开发 2021年2期

李亚宾

（中天合创煤炭分公司门克庆煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017000）

引言

采煤机是煤矿井下“三机”中最重要的设备，其运行稳定性直接关系到煤矿井下的综采作业效率和综采作业的安全性。由于煤矿井下地质条件复杂，同一煤层不同区域的煤层硬度差异较大，导致在综采作业时作用在采煤机截割机构上的截割阻力变化较大，频繁出现负载突变的工况，使采煤机的驱动机构受到极大的振动、冲击，严重影响了采煤机运行的稳定性[1]。为了提升采煤机在负载突变工况下驱动系统的运行稳定性，本文利用MATLAB 仿真分析软件对采煤机在负载突变工况下的稳态特性进行研究，获取了影响其运行稳定性的因素，为优化采煤机驱动系统结构，提升工作稳定性奠定基础。

1 采煤机驱动系统动力学模型

本文以某型采煤机的驱动系统为分析对象，建立如图1 所示的采煤机驱动系统动力学模型，其驱动系统主要包括进给驱动系统和截割驱动系统，采煤机在进行截割作业时通过驱动电机带动驱动系统控制截割机构和进给机构的运行，实际工作的过程中采煤机截割作业时的截割阻力是由截割时的进给速度[2]和截割机构的转速共同决定的，截割阻力的变化又反过来会对采煤机驱动系统工作时驱动系统的齿轮机构的啮合冲击和齿侧间隙产生影响，进而影响采煤机运行时的稳态特性，因此在进行动力学分析时应充分考虑采煤机截割作业时的阻抗变化、驱动系统工作时轮齿啮合冲击及齿轮组的齿侧间隙[3]的影响。根据采煤机在煤矿井下的实际工作，对其截割作业过程中的负载突变情况进行监测，表明采煤机以正常的进给速度（约为3.15 m/s）执行截割作业时的正常阻抗约为219 kN/m，最大截割阻抗约为347 kN/m，当采煤机遇到硬煤层时，其截割阻抗将在约0.4 s 内从正常水平上升到最大截割阻抗，因此在进行仿真分析时，结合实际监测结果，将激励信号在0.4 s 内由正常水平上升到最大值，模拟采煤机截割作业时的载荷突变情况[2-3]。

图1 采煤机驱动系统简图

2 采煤机负载突变工况下的仿真分析结果

本文以某型采煤机为对象，其结构驱动机构的电机额定功率为290 kW，进给驱动机构电机的额定功率为38 kW，截割驱动机构电机工作时的额定转速约为1 140 r/min，进给驱动机构电机工作时的额定转速约为2 220 r/min，截割驱动机构的传动比约为46.7，进给驱动机构的传动比约为351.2。

如下页图2 所示的仿真分析结果可知：当采煤机在负载突变的工况下截割驱动电机的工作电流从正常的189.44 A 增加到了突变工况下的286.30 A，电流的增幅达到了51.12%，进给驱动电机的工作电流从正常的68.4 A 增加到81.21 A，电流的增幅达到了12.81%。分析表明，当采煤机受到负载突变工况影响的情况下，采煤机截割驱动电机的负载增加量要大于采煤机进给电机的负载增加量，这主要是由于采煤机截割机构的负载变化直接受煤层截割阻抗的影响，而采煤机的进给机构所承担的负载除了包含截割阻力外还有采煤机整个机身的重量，因此当负载发生突变时其抗负载干扰的能力较强。为了确保采煤机在工作过程中的稳态特性和经济性，应重点加强采煤机截割机构的使用系数，增强其抗负载突变干扰的能力，提高其工作时的稳态特性。

图2 负载突变情况下的电流变化曲线

3 采煤机的应用实践

根据仿真分析结果，针对性地提高了采煤机的截割机构使用系数[4]，使其使用系数在原来的基础上增加了1.5 倍，增强了采煤机的抗负载突变干扰能力，为了验证该技术方案的准确性，本文在井下综采作业面的MG450/100-WD 型采煤机的截割驱动电机和进给驱动电机的端盖位置设置了一组加速度传感器，同时对各驱动电机工作时的电流变化情况进行实时监测，采煤机井下实际应用现状如图3 所示。

对采煤机在截割作业过程中负载突变情况下各驱动电机的电流变化情况进行监测，在采煤机综采作业过程中各驱动电流的变化曲线如图4 所示。

由实际监测结果可知，优化后采煤机在实际运行过程中，当遇到载荷突变时，采煤机的截割驱动电机的电流由正常工作时的59 A 增加到76.4 A，增幅为25.5%，采煤机的进给驱动电机的电流由正常情况下的48.2 A 增加到53.6 A，增幅为11.2%，由此可见，优化后采煤机在负载突变工况下的稳态特性得到了明显提高，目前该方案已在该矿得到了全面的推广，极大提升了采煤机综采作业的稳定性。