任保明

近些年來(lái)，連續(xù)采煤機(jī)、滾筒采煤機(jī)、懸臂式掘進(jìn)機(jī)和梭車等采掘機(jī)器的設(shè)備牽引都應(yīng)用了交直流調(diào)速技術(shù)，相比液壓技術(shù)而言提高了牽引性能。而目前，交流變頻技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，與直流調(diào)速技術(shù)相比又得到了進(jìn)一步的提高。應(yīng)用于礦井下的連續(xù)采煤機(jī)，其行走系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方案不僅要滿足牽引性能，更要綜合考慮成本、過(guò)載能力和空間限制等因素[1]。

1 連續(xù)采煤機(jī)行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的比較

連續(xù)采煤機(jī)作為煤礦井下的重要機(jī)械設(shè)備，其行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要非常大的功率儲(chǔ)備，還需要高效率和使用壽命的器件，相比其它工作系統(tǒng)，在變速、調(diào)速和改變輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向和傳輸動(dòng)力等方面具有更高的要求。我國(guó)連續(xù)采煤機(jī)主要用于開(kāi)拓千萬(wàn)噸礦井巷道以及房柱式采煤作業(yè)，對(duì)于機(jī)器的調(diào)動(dòng)相對(duì)較為頻繁。連續(xù)采煤機(jī)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在正常工作時(shí)，功率維持恒定，而在截割硬巖或遇到夾矸時(shí)，系統(tǒng)要求提供更大的牽引力進(jìn)行煤巖的截割，致使整個(gè)采煤機(jī)處于空頂狀態(tài)，存在極大的安全隱患[2]。連續(xù)采煤機(jī)行走系統(tǒng)常用的驅(qū)動(dòng)方式有三種：

（1）連續(xù)采煤機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由兩臺(tái)液壓馬達(dá)、減速器和行走履帶組成。液壓行走系統(tǒng)主要用于液壓挖掘機(jī)、瀝青路面銑刨機(jī)和掘進(jìn)機(jī)等低速行走機(jī)械，具有自動(dòng)過(guò)載保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，且體積較小。而液壓行走系統(tǒng)應(yīng)用在連續(xù)采煤機(jī)上時(shí)，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，則出現(xiàn)過(guò)載能力較差和響應(yīng)速度較慢的缺陷，影響整機(jī)的精確控制和使用質(zhì)量。

（2）連續(xù)采煤機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有兩臺(tái)直流電機(jī)、減速器、可控硅整流器和行走履帶組成。兩臺(tái)直流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩條行走履帶。連續(xù)采煤機(jī)的配電箱供給交流電源，經(jīng)可控硅整流器整流后，利用輸出電壓的高低來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，然后經(jīng)過(guò)減速器作用，使得行走履帶的速度變化。直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，且控制響應(yīng)快，過(guò)載能力較強(qiáng)，非常適合用于連續(xù)采煤機(jī)行走系統(tǒng)，但是電機(jī)體積大、控制復(fù)雜和維護(hù)量大的缺點(diǎn)使得整機(jī)的布置較困難，可靠性也降低。

（3）連續(xù)采煤機(jī)交流變頻驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由兩套交流變頻電機(jī)、減速器、控制系統(tǒng)和行走履帶組成。交流變頻調(diào)速電機(jī)維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、工作效率高，并且節(jié)省電力，相比直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)速性能相近且體積較小，能夠替代直流電機(jī)應(yīng)用在連續(xù)采煤機(jī)行走系統(tǒng)中[3]。

表1 連續(xù)采煤機(jī)行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的比較

2 連續(xù)采煤機(jī)行走變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 變頻器的選擇

在煤礦井下作業(yè)的連續(xù)采煤機(jī)作業(yè)空間較小，而且井下路面凹凸不平，正常作業(yè)時(shí)掘進(jìn)和采煤過(guò)程需要變頻器來(lái)及時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速指令的變化進(jìn)行跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)頻繁加速或者減速和轉(zhuǎn)彎等功能，變頻器對(duì)電機(jī)的控制能力要求較高。目前，變頻器控制電機(jī)的方式可以分為U/f恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、非線性控制和矢量控制等。連續(xù)采煤機(jī)作業(yè)時(shí)司機(jī)對(duì)行走的操作控制頻繁，可以理解為頻繁對(duì)變頻器啟動(dòng)和停止的控制，因此需要變頻器的響應(yīng)速度較快，且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，才能保證采煤機(jī)的工作效率[4]。此外，使用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行修頂和掃幫作業(yè)時(shí)，變頻器響應(yīng)速度足夠快能夠保證在最短時(shí)間達(dá)到指定速度，才能保證巷道的質(zhì)量。同時(shí)，由于連續(xù)采煤機(jī)的整機(jī)機(jī)身重量較大，表面浮煤會(huì)較多，這就要求變頻器過(guò)載能力要足夠強(qiáng)。連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行支巷回采作業(yè)時(shí)，要求采煤機(jī)履帶能夠快速連續(xù)改變方向和速度，所以還要求變頻器制動(dòng)能力較快。結(jié)合以上幾點(diǎn)，適合連續(xù)采煤機(jī)的變頻器控制方式為矢量控制，矢量變頻器低頻轉(zhuǎn)矩較高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。

2.2 行走變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

連續(xù)采煤機(jī)行走變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝置軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì),本文以煤炭科學(xué)研究總院太原研究院研發(fā)的EML340型連續(xù)采煤機(jī)為例，采用兩臺(tái)變頻器分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)交流電機(jī)完成行走功能。該采煤機(jī)使用變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以PLC為控制中心，根據(jù)輸入值和采煤機(jī)的工作情況，PLC控制系統(tǒng)中的兩臺(tái)變頻器，系統(tǒng)的人機(jī)交互界面使用液晶顯示屏，能夠?qū)崟r(shí)反映連續(xù)采煤機(jī)作業(yè)時(shí)的行走狀態(tài)[5]。

圖1 EML340型連續(xù)采煤機(jī)行走變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

連續(xù)采煤機(jī)行走變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的變頻調(diào)速裝置相對(duì)獨(dú)立存在，是由連續(xù)采煤機(jī)主控制器來(lái)控制其啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、速度和停止等操作的。同時(shí)，變頻調(diào)速裝置本身的狀態(tài)通過(guò)Modbus協(xié)議傳輸?shù)街骺刂破?，顯示變頻器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并能進(jìn)行故障的判斷，如母線電壓、輸出頻率和電流大小等故障信息。EML340型連續(xù)采煤機(jī)的速度檔位分為高、中、低三檔，操作箱上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)速度檔位的調(diào)換，行走手柄負(fù)責(zé)行走的速度和方向。變頻調(diào)速裝置控制速度原理是由信號(hào)隔離對(duì)行走手柄輸出的電位計(jì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后輸入到主控制器的模擬量輸入端，經(jīng)過(guò)判斷和計(jì)算再傳送給變頻器，變頻器對(duì)電機(jī)的控制最后實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)控[6]。

在截割電動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)或采煤機(jī)后退時(shí)，行走速度由速度的檔位開(kāi)關(guān)和行走手柄完全控制；而在截割電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后或采煤機(jī)前進(jìn)時(shí)，行走速度根據(jù)截割煤巖的作業(yè)需求，由截割電動(dòng)機(jī)的電流實(shí)現(xiàn)反饋控制。行走控制的過(guò)程如下：速度檔位為低速時(shí)，前進(jìn)速度由截割電流反饋控制，行走最大速度為低速檔位設(shè)定值；速度檔位為中速時(shí)，前進(jìn)速度由截割電流反饋控制，行走最大速度為中速檔位設(shè)定值；速度檔位為高速時(shí)，前進(jìn)速度有由截割電流反饋控制，最大速度為高速檔位設(shè)定值。EML340型連續(xù)采煤機(jī)行走變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的額定電壓為1140 V，電壓波動(dòng)允許范圍為75%～110%，額定功率55×2 kW，輸出電壓0～1140 V，輸出頻率0～114 Hz，基頻為55 Hz，額定輸出電流為2路，每路40 A，水冷連續(xù)工作制，防爆等級(jí)為ExdⅠ。據(jù)實(shí)際應(yīng)用分析，在神東煤炭分公司大柳塔礦活雞兔井和陜西煤業(yè)化工集團(tuán)張家峁礦應(yīng)用EML340型變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的連續(xù)采煤機(jī)，試驗(yàn)為期3個(gè)月，結(jié)果表明，該變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，行走控制靈活，在主控制器故障時(shí)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍然可操作，控制連續(xù)采煤機(jī)作業(yè)。同時(shí)，該裝置可靠性強(qiáng)，維修和檢修方便[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)在連續(xù)采煤機(jī)中的應(yīng)用可靠性和穩(wěn)定性都較好，適合用于煤礦井下作業(yè)，并且優(yōu)勢(shì)明顯，滿足了連續(xù)采煤機(jī)的作業(yè)要求。日后的采煤機(jī)設(shè)備研究中，加大變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用力度，根據(jù)不同作業(yè)環(huán)境和要求，利用合適的變頻器設(shè)計(jì)合理的變頻驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)，保證連續(xù)采煤機(jī)正常運(yùn)行的條件下，大大提高生產(chǎn)工作效率。

〔1〕周茂普.連續(xù)采煤機(jī)塊段式開(kāi)采工藝與圍巖控制技術(shù)研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2014.

〔2〕曹艷麗.連續(xù)采煤機(jī)動(dòng)態(tài)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012.

〔3〕姚繼權(quán).縱軸式掘進(jìn)機(jī)履帶行走系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012.

〔4〕王震宇.XH-PS型巷道采煤機(jī)虛擬樣機(jī)的建立與仿真分析[D].西華大學(xué)，2012.

〔5〕孫海波.采煤機(jī)3DVR數(shù)字化信息平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

〔6〕譚 超.電牽引采煤機(jī)遠(yuǎn)程參數(shù)化控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

〔7〕王 安.連續(xù)采煤機(jī)房柱式短壁機(jī)械化采煤技術(shù)的研究與實(shí)踐[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2002.