劉春生, 陳曉平

(黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

采煤機(jī)截割與牽引功率匹配的理論方法

劉春生, 陳曉平

(黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

采煤機(jī)截割功率與牽引功率的合理匹配,直接影響到采煤機(jī)的牽引性能、生產(chǎn)能力和裝機(jī)功率與生產(chǎn)率的比值。根據(jù)采煤機(jī)截割和牽引功率與整機(jī)參數(shù)、煤層條件的關(guān)系,導(dǎo)出了截割與牽引功率相關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)模型。在已知采煤機(jī)截割功率的基礎(chǔ)上,給出了牽引功率等參數(shù)的計(jì)算方法,結(jié)合具體采煤機(jī)機(jī)型進(jìn)行定量數(shù)值模擬,獲得了截割與牽引功率的比值隨不同工作參數(shù)變化的曲線。數(shù)值模擬反映了牽引速度隨煤層傾角的變化規(guī)律和牽引速度的有效工作區(qū)域。這一方法對采煤機(jī)的選型、合理使用、功率等參數(shù)的設(shè)計(jì)有著理論和應(yīng)用意義。

采煤機(jī);截割功率;牽引功率;參數(shù)匹配;數(shù)學(xué)方法

Abstract:The reasonable matching of cutting power and traction power has a direct effect on the traction perfo rmance,the production capacity,the ratio of installed power,and productivity.This paper describes the developmentof themathematicalmodel related to cutting and traction power according to the relationship between cutting power and traction power of shearer on the one hand and overall parameters and seam conditions on the other hand.The paper provides the method of calculating the parameters of traction power,based on the given cutting power of shearer,a quantitative numerical simulation,combined with the concrete shearer type,and the curves of ratios of cutting power and traction power varying with differentworking parameters.The numerical simulation shows that the values reflect the law varying with traction speeds and coal seam dip angles,the law of traction speeds varyingwith coal seam dip angles,and the effective work area of traction speeds.This method is of theoretical and practical for type selection,fair use of shearer and fairmatching design of the parameters of traction power and so on.

Key words:shearer;cutting power;traction power;parametermatching;mathematicalmethod

為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)高效生產(chǎn),采煤機(jī)截割和牽引電動機(jī)需在相互平衡狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。因此,采煤機(jī)截割功率與牽引功率的合理配置,是采煤機(jī)設(shè)計(jì)的最基本要素。牽引能力不足將導(dǎo)致截割功率不能充分發(fā)揮;牽引能力過大,超過截割承擔(dān)能力,會帶來設(shè)計(jì)難度、安全強(qiáng)度等其它不良的問題[1-3]。目前,關(guān)于采煤機(jī)截割與牽引功率的匹配問題以及牽引功率、牽引速度和牽引力的參效問題,尚無一個(gè)確切的標(biāo)準(zhǔn),缺乏理論依據(jù)。為此,筆者著重探討多電機(jī)橫向布置、中厚煤層采煤機(jī)截割與牽引功率匹配等參數(shù)的設(shè)計(jì)問題。

1 截割功率與牽引功率的匹配

在采煤機(jī)截割功率和主要技術(shù)參數(shù)已知的條件下,確定牽引功率[4-5]。在一定工況下或一定范圍工況下,使得截割功率與牽引功率到達(dá)基本匹配。

1.1 牽引力及牽引功率

采煤機(jī)牽引力與牽引方式有關(guān)。在采煤機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),采用牽引力阻力構(gòu)成比重估算法。即

式中:F——采煤機(jī)牽引力,kN;

割阻力的 0.6～0.8倍,計(jì)算取 0.8,kN,

PH——驅(qū)動單截割部電機(jī)的額定功率,kW;

ηj——截割部的傳動效率,取ηj=0.8;

n——螺旋滾筒的轉(zhuǎn)速,r/min;

Dc——螺旋滾筒的直徑,當(dāng)截割功率已確定時(shí),計(jì)算滾筒產(chǎn)生的截割阻力時(shí),取滾筒直徑與滾筒轉(zhuǎn)速乘積數(shù)值小者,nDc=min{n(i)·Dc(j)},m;

±Gsinα為采煤機(jī)下滑力 (向上牽引時(shí)取 +號),其占總牽引阻力的比重,當(dāng)工作面傾角達(dá)到 35°,且向上牽引時(shí),約為 50%～60%(取 55%)。該項(xiàng)阻力可按式 Gsinα計(jì)算。經(jīng)整理,由式 (1)得

對于雙驅(qū)動采煤機(jī),牽引功率為

式中:Pq——采煤機(jī)單牽引電機(jī)功率,kW;

k4——雙電機(jī)牽引系數(shù),k4=1.2;

ηq——牽引部傳動效率,取ηq=0.75;

vq——采煤機(jī)設(shè)計(jì)牽引速度,m/min。

當(dāng)截割功率已確定時(shí),則采煤機(jī)牽引速度受單截割割電動機(jī)功率 PH的限制,即

1.2 牽引功率與截割功率匹配關(guān)系

由式 (2)和 (3)得,在截割功率和采煤機(jī)總體技術(shù)參數(shù)給定的條件下[6-7],牽引功率與截割功率關(guān)系 (驗(yàn)算公式)為

以截割功率 2×400 kW相同的采煤機(jī)為例,在采煤機(jī)的實(shí)際參數(shù)已確定的條件下,進(jìn)行驗(yàn)算,計(jì)算結(jié)果見表 1;在不同截割功率下,采煤機(jī)牽引功率與計(jì)算出的牽引功率的對比,見表 2。

表 1 相同截割功率的牽引參數(shù)計(jì)算值Table 1 Calculation values of traction parameters of same cutting power

表 2 不同截割功率的牽引參數(shù)計(jì)算值Table 2 Calculation values of traction parameters of different cutt ing powers

2 截割功率與牽引功率的關(guān)系模型

2.1 截割功率

螺旋滾筒的截割功率采用單位生產(chǎn)力所消耗的能量方法來計(jì)算[3],即

式中:Pj——采煤機(jī)實(shí)際截割總功率,截割部分別驅(qū)動時(shí),通常 Pj=2PH,kW;

d——滾筒的有效截深,m;

k1——功率利用系數(shù),分別驅(qū)動時(shí),k1=0.8;

k2——功率水平系數(shù),自動調(diào)速時(shí),k2=0.95;

k3——后滾筒的工作條件系數(shù),一般 k3=0.8。

式(5)整理可得單個(gè)截割部驅(qū)動電機(jī)的額定功率(或按前滾筒滿截割條件下確定)

2.2 截割與牽引功率的關(guān)系模型

前述分析和計(jì)算顯示,采煤機(jī)截割與牽引功率間有其內(nèi)在的數(shù)學(xué)關(guān)系。將式 (4)和 (6)整理得其功率的設(shè)計(jì)公式,即

該式可獲得截割功率和牽引功率比值與煤層傾角和牽引速度的關(guān)系。

3 模擬分析

推導(dǎo)的牽引功率公式 (7)中,第一項(xiàng)主要反映了在截煤過程中消耗的牽引功率,第二項(xiàng)主要是克服下滑力消耗的牽引功率,式中給出了截割功率、牽引功率與采煤機(jī)整體主要參數(shù) (滾筒截深、直徑和轉(zhuǎn)速,煤質(zhì)、煤層厚度和傾角,機(jī)重以及牽引速度等參數(shù))的數(shù)學(xué)關(guān)系。以MG400/940—WD采煤機(jī)為實(shí)例,截割與牽引功率比值隨牽引速度和煤層傾角而改變的仿真曲線,如圖 1所示。

圖 1 功率比與牽引速度和煤層傾角關(guān)系Fig.1 Relation surface between ratios of traction power to cutting power and traction speeds&coal seam dip angles

在煤層傾角α分別為 0°、15°和 35°時(shí),截割和牽引功率的比值與牽引速度關(guān)系的曲線,如圖 2所示。在牽引速度 vq分別為 4、6和 8 m/min時(shí),截割和牽引功率的比值與煤層傾角關(guān)系的曲線,如圖 3所示。

當(dāng)牽引額定功率 2Pq=2×55 kW、截割額定功率 (PH=400 kW或 PH=500 kW)確定的條件下,牽引速度隨著煤層傾角的變化及工作牽引速度的范圍,見圖 4。

圖中:當(dāng) PH=400 kW時(shí),1為截割限定的最大牽引速度,1’為牽引速度隨著煤層傾角的變化曲線;當(dāng) PH=500 kW時(shí),2為截割限定的最大牽引速度,2’為牽引速度隨著煤層傾角的變化曲線;3為采煤機(jī)額定牽引速度。在曲線 1’(2’)與 1(2)交點(diǎn)b(a)以下才是牽引速度的工作區(qū)域。

圖 4 牽引速度與煤層傾角關(guān)系Fig.4 Relation curve between traction speeds and coal seam dip angles

4 結(jié)束語

牽引功率與截割功率的比值隨工作條件和工作參數(shù)的不同而變化,且隨采煤機(jī)牽引速度與工作面傾角的增大而增大。在給定的額定牽引功率和截割功率下,可計(jì)算出采煤機(jī)牽引速度的工作范圍。計(jì)算參數(shù)與實(shí)際是吻合的。該計(jì)算結(jié)果為截割功率與牽引功率的合理配置和關(guān)鍵參數(shù)的合理確定提供理論方法。

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(編輯 晁曉筠)

Theoreticalmethod ofmatching between traction power and cutting power of shearer

LIU Chunsheng, CHEN X iaoping
(College ofMechanical Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

TD421.61

A

1671-0118(2011)01-0057-04

2010-12-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51074068);黑龍江省國際科技合作重點(diǎn)項(xiàng)目(WB01104)

劉春生 (1961-),男,山東省牟平人,教授,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)和液壓傳動與控制,E-mail:liu-chunsheng@163.com。