劉　波

（西山煤電東曲礦， 山西　古交　030200）

引言

采煤機是礦井工作面開采的主要設(shè)備，當在采煤機內(nèi)部布設(shè)功率調(diào)節(jié)器時牽引電機發(fā)生偏載的概率會大幅降低，一般會降低至8%以內(nèi)，進而延長了電機的服務(wù)時長，保證了工作面開采的順利進行[1-3]。采煤機牽引電機的工作方式為主從控制，故從電機的工作狀態(tài)由主電機決定，當主電機發(fā)生故障時，則會影響從電機功率的輸出，這就會對采煤機的正常截割工作造成影響；功率過小則采煤機割煤效果下降，功率過大則采煤機內(nèi)部電路容易損壞[4]。為了避免此類現(xiàn)象發(fā)生，對牽引電機在不同協(xié)調(diào)控制方法下的響應(yīng)特征進行研究，避免采煤機電機現(xiàn)有控制方式下的偏載事故，提高采煤機運行的穩(wěn)定程度。本文在研究過程中，建立了牽引部機電的仿真模型，對不同工況下采煤機的響應(yīng)特征進行系統(tǒng)分析。

1　牽引部機電的仿真模型建立

采煤機牽引部機電的聯(lián)合仿真指的是機械系統(tǒng)和電機系統(tǒng)。建模時，通過ADAMS建立虛擬樣機模型，在Matlab中建立聯(lián)合仿真模型；在ADAMS中建立機械系統(tǒng)，通過Matlab中的control模塊讀取ADAMS中導入的數(shù)據(jù)，從而顯示聯(lián)合仿真系統(tǒng)。ADAMS可對輸出的電機轉(zhuǎn)速值進行實時控制，同時Matlab可實時反饋電機轉(zhuǎn)矩值，同時該轉(zhuǎn)矩值又會作為電機所受的外載荷。ADAMS和Matlab間的協(xié)調(diào)關(guān)系如圖1所示，由此實現(xiàn)了牽引電機雙電機的共同控制，最終得到的牽引部機電的仿真模型如圖2所示。

2　不同協(xié)調(diào)控制方法下的仿真結(jié)果分析

2.1　主從控制工況下仿真結(jié)果分析

當采煤機牽引電機的工作方式為主從控制時，認為從電機的轉(zhuǎn)速為主電機的輸出轉(zhuǎn)速，其原理如圖3所示。

圖1　ADAMS和Matlab之間的協(xié)調(diào)關(guān)系示意圖

圖2　牽引部機電的仿真模型示意圖

圖3　主從控制工況原理示意圖

當工作面開采過程中煤層的強度不變且兩個電機均處于滿負荷狀態(tài)工作時，則兩個電機的參數(shù)相同，設(shè)置牽引電機的輸入轉(zhuǎn)速為140 r/s，通過斜坡函數(shù)的方式來添加牽引阻力，在0.5 s內(nèi)達到了90 kN，這樣可以避免采煤機傳動齒輪運行過程中嚙合力發(fā)生突變。該工礦條件下主從電機的轉(zhuǎn)速偏差特征如下頁圖4所示。

在圖4中，正值表示主電機的轉(zhuǎn)速比從電機的高，而負值表示主電機的轉(zhuǎn)速比從電機低，從圖4中可以看出，在時間為1 s的范圍內(nèi)，主從電機的轉(zhuǎn)速偏差從10 r/min減小到了-3 r/min，這是由于從電機接受主電機輸出信號的時間有所滯后，故剛開始二者轉(zhuǎn)速偏差較大；在時間為1～2.5 s的范圍內(nèi)，主從電機轉(zhuǎn)速偏差從-3 r/min增加到0，即二者轉(zhuǎn)速同步，這是二者轉(zhuǎn)速趨于同步的過程。通過偏載率η可反應(yīng)主從控制工礦的穩(wěn)定性特征，偏載率η可通過式（1）計算。

式中：F左為左銷輪動態(tài)的嚙合力；F右為右銷輪動態(tài)的嚙合力；F均為兩個銷輪平均的嚙合力；F均=（F左+F右）/2。

該工礦條件下兩個銷輪動態(tài)嚙合力的變化特征如圖5所示。

圖4　主從控制條件下主從電機的轉(zhuǎn)速偏差特征示意圖

圖5　主從控制條件下兩個銷輪動態(tài)嚙合力的變化特征示意圖

在圖5中，左銷輪受主電機控制，右銷輪受從電機控制。從圖5中可以看出，剛開始左銷輪動態(tài)嚙合力增大到61 kN，然后在2 s的時間內(nèi)在該值上下波動，波動幅度較??；右銷輪動態(tài)嚙合力增大至40 kN后同樣進行2 s的波動；左銷輪的偏載率達到了62%，該值較大，而且在這時間范圍內(nèi)左銷輪的動態(tài)嚙合力要高于右銷輪，這是由于左銷輪的響應(yīng)速率要高于右銷輪。在2 s后，左右銷輪動態(tài)的嚙合力均達到穩(wěn)定值，其中，左銷輪動態(tài)嚙合力圍繞55 kN上下波動，右銷輪動態(tài)嚙合力圍繞50 kN上下波動，同時左銷輪的偏載率從62%減小到了12%。綜合而言，在主動控制工礦條件下電機的牽引性能被限制，且左銷輪的工作穩(wěn)定性低于右銷輪。該工礦條件下兩個電機有效電流的變化特征如圖6所示。

圖6　主從控制條件下兩個電機有效電流的變化特征示意圖

從圖6中可以看出，在1.6 s的時間范圍內(nèi)，從電機的有效電流為76A，而主電機的有效電流為78A，從電機的有效電流要低于主電機，由此也說明了從電機運行的滯后性，這就容易引起電機的偏載，而電機在高電流狀態(tài)下偏載工作極易導致電機發(fā)熱，從而影響電機工作的平穩(wěn)性，綜合說明了該工況形式的不合理。

2.2　改進協(xié)調(diào)控制工況下仿真結(jié)果分析

基于主動控制工況的不合理性，在此提出另外兩種工礦：并行控制和交叉耦合控制。在這兩種工況條件下兩個銷輪動態(tài)嚙合力的變化特征如圖7和圖8所示。

圖7　并行控制條件下兩個銷輪動態(tài)嚙合力的變化特征示意圖

圖8　交叉耦合控制控制條件下兩個銷輪動態(tài)嚙合力的變化特征示意圖

從圖7和圖8中可以看出，并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下左右銷輪動態(tài)嚙合力的變化趨勢較為相似，嚙合力的值均大約為45 kN，偏載率極低，僅為0.3%，遠遠低于主動控制工況條件，幾乎未發(fā)生偏載現(xiàn)象，由此說明了左右電機的工作性能良好，受力均勻。兩種工礦條件下兩個電機有效電流的變化特征如圖9所示。

圖9　兩種工況條件下兩個電機有效電流差值的變化特征示意圖

從圖9中可以看出，在時間為1.6 s的范圍內(nèi)，并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下兩個電機有效電流差值在1 A范圍內(nèi)波動，差值極小，而后兩個電機有效電流差值保持為0；而主從控制工況條件下一開始兩個電機有效電流差值就較大，而后差值也大約為1 A，對比說明了并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下電機工作的穩(wěn)定性較高。兩種工礦條件下牽引速率變化特征如圖10所示。

圖10　兩種工況條件下采煤機牽引速率的變化特征示意圖

從圖10中可以看出，在時間為1.9 s的范圍內(nèi)，采煤機牽引速率增大到大約8.2 m/min，而后牽引速率保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。從右下角的濾波圖中可以發(fā)現(xiàn)，主動控制工況條件下電機的響應(yīng)速率要滯后于其他兩種工況條件，滯后時間大約為0.3 s。

從采煤機牽引電機的動態(tài)嚙合力變化、有效電流變化以及采煤機牽引速率的變化規(guī)律角度綜合分析，主從控制工況條件下牽引電機的偏載現(xiàn)象嚴重，牽引性能無法得到充分發(fā)揮，且電機的響應(yīng)速率更為滯后，故電機工作不穩(wěn)定；并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下牽引電機幾乎不會發(fā)生偏載，牽引性能得到較大程度的利用，故這兩種工況條件更為合理。

3　結(jié)論

采煤機牽引電機的偏載現(xiàn)象影響采煤的開采效率和服務(wù)年限，不同工況條件下采煤機電機的偏載率不同，故本文對牽引電機在不同協(xié)調(diào)控制方法下的響應(yīng)特征進行了研究。主要結(jié)論如下：

1）從左右兩個銷輪動態(tài)嚙合力的變化特征角度分析，主從控制工況條件下偏載率從62%減小到了12%，而并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下偏載率僅為0.3%

2）并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下電機的有效電流差值要小于主動控制。

3）主從控制工況條件下牽引電機的偏載現(xiàn)象嚴重，牽引性能無法得到充分發(fā)揮，且電機的響應(yīng)速率更為滯后，故電機工作不穩(wěn)定；并行控制工況和交叉耦合控制工況條件下牽引電機幾乎不會發(fā)生偏載，牽引性能得到較大程度的利用，故這兩種工況條件更為合理。

[1]孫承潔.滾筒采煤機變速控制策略及實驗研究[D].重慶：重慶大學，2016.

[2]楊文奇.采煤機牽引部雙電機驅(qū)動協(xié)調(diào)控制研究[D].重慶：重慶大學，2016.

[3]劉長釗.非穩(wěn)態(tài)工況下采煤機截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性研究[D].重慶：重慶大學，2016.

[4]楊陽，袁璦輝，鄒佳航，等.采煤機機電液短程截割傳動系統(tǒng)設(shè)計與性能分析[J].煤炭學報，2015（11）：2 558-2 568.