馬清亮， 李妙伶

（1.汾西礦業(yè)水峪煤業(yè)， 山西 孝義 032300； 2.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300）

引言

目前的采煤機械僅能對牽引速度進行調(diào)節(jié)而無法對滾筒的截割速度進行調(diào)整，由此導(dǎo)致了截割滾筒在切割質(zhì)地較硬的煤層時要通過降低采煤機牽引速度的方式減小采煤時煤層對采煤機截割機構(gòu)的沖擊，使采煤機的生產(chǎn)效率下降，工況適應(yīng)性變差，嚴重影響了煤炭生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率[1]，因此本文研究一種變速切割控制技術(shù)。

1 采煤機截割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

采煤機截割系統(tǒng)主要包括截齒、滾筒、驅(qū)動電機與搖臂減速機構(gòu)噴霧降塵裝置等，現(xiàn)大多數(shù)截割機構(gòu)的驅(qū)動電機均采用的是三相異步電機，其無法根據(jù)采煤機的工作負載情況對驅(qū)動滾筒的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。采煤機的搖臂減速機構(gòu)主要是用于將驅(qū)動電機輸出的工作轉(zhuǎn)矩傳遞給截割滾筒進行切割煤炭作業(yè)，同時依靠滾筒上的螺旋槽完成落煤作業(yè)，其多采用直齒傳動結(jié)構(gòu)，傳動比大，傳動效率高。采煤機截割系統(tǒng)的螺旋滾筒和設(shè)置在滾筒四周的截齒是用于切割煤炭的機構(gòu)，其作用是依靠驅(qū)動電機傳輸?shù)男D(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩完成對煤層內(nèi)煤炭的落煤和裝煤工作。

2 采煤機截割系統(tǒng)變速控制策略

采煤機截割系統(tǒng)的傳動部分在工作中所受的工作載荷就是采煤機截割滾筒在切割煤層時所受的截割阻力，因此要降低截割沖擊載荷對采煤機截割系統(tǒng)傳動機構(gòu)的影響就要采取有效的措施，減小作用在截割滾筒上的截割阻力。由于在一定的截割阻力的作用下，截割滾筒端部所受的負載將會隨著滾筒轉(zhuǎn)速的升高而降低，隨著采煤機牽引速度的增大而增大，利用此特性，可以通過對采煤機滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度的方法對作用在采煤機截割系統(tǒng)上的負載沖擊進行調(diào)節(jié)，針對井下最常見的同一煤層中截割阻力不均勻變化的情況，由圖1可知，單純的依靠降低采煤機滾筒轉(zhuǎn)速的方案對降低載荷沖擊的效果有限，而降低采煤機的牽引速度則能顯著的降低作用于截割滾筒上煤層的載荷沖擊，因此在工作時，應(yīng)先降低采煤機的牽引速度，將截割阻力對滾筒的沖擊載荷降低，然后提升截割滾筒的轉(zhuǎn)速，最后為了不影響采煤機的生產(chǎn)率再逐漸恢復(fù)采機的牽引速度[2]。圖1中Ap為煤壁的平均截割阻力，N/mm。

圖1 在不同截割阻力下在同一調(diào)速區(qū)間滾筒的負載變化情況

由下頁圖2（由于該圖為曲線合成圖，所以縱軸只顯示滾筒負載）分析可知，該變速控制方案能夠有效降低截割滾筒在工作中所受的負載沖擊，采煤機在執(zhí)行截割煤層作業(yè)時，會受到一個極大的移動阻力。經(jīng)測試，該減速度約為2 m/s2，因此在調(diào)整時，可充分利用該阻力來實現(xiàn)對采煤機牽引速度的控制，從而減小作用在采煤機截割滾筒上的負載沖擊[3]。

3 基于直接轉(zhuǎn)矩控制的截割部驅(qū)動電機的數(shù)學(xué)模型

由電機學(xué)原理可知，直流電機的定子磁通Φm和電磁轉(zhuǎn)矩Te之間的關(guān)系可表示為[4]：

式中：CT為直流電機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Φm為電機的磁通量；Ia為電機的電樞電流；Lf為電機轉(zhuǎn)子寬度；if為電機的勵磁電流。

圖2 滾筒負載隨轉(zhuǎn)速和牽引速度的變化趨勢

由上式可知，直流電機的磁通量和其電樞電流是非耦合的關(guān)系，這表明，在直流電機中當(dāng)其勵磁電流不變時，可以通過調(diào)整電樞電流的方法來控制電機轉(zhuǎn)子輸出的轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)子的運動方程可表示為：

式中：J為直流電機的轉(zhuǎn)動慣量；T1為電機的負載轉(zhuǎn)矩；ω為電機轉(zhuǎn)動角速度。

由此可將直流電機工作時的數(shù)學(xué)模型表示為：

4 仿真分析

首先對現(xiàn)有采煤機通過降低牽引速度來降低采煤機滾筒沖擊負載的方案進行分系，設(shè)置采煤機驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，采煤機的牽引速度為4 m/min，初始時巖壁的截割阻抗為210 N·mm-1，當(dāng)在3 s時巖層的截割阻抗增加為310 N·mm-1，仿真分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 調(diào)整牽引速度對負載沖擊的影響曲線

由圖3可知，當(dāng)采煤機在工作時遇到截割阻力突然增大的情況時，在3.1 s開始將采煤機的牽引速度由原來的4 m/min變成3 m/min，此時電機的輸出軸轉(zhuǎn)矩及滾筒的負載轉(zhuǎn)矩快速降低，因此該控制方案能夠在遇到阻力時突然增加，使其能夠有效的降低作用在傳動系統(tǒng)上的沖擊載荷，由分析可知，當(dāng)完成牽引速度調(diào)整后，其滾筒的負載扭矩和電機的輸出軸扭矩分別降低為2 272 N·m及2 164 N·m，但因其轉(zhuǎn)速降低，將會極大的降低采煤的效率。

在相同的仿真運行參數(shù)下，對基于直接轉(zhuǎn)矩控制的變速調(diào)節(jié)方案進行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 變速調(diào)節(jié)方案下負載沖擊的影響曲線

由圖4可知，在基于直接轉(zhuǎn)矩控制的變速調(diào)節(jié)方案下，當(dāng)首先對牽引速度進行調(diào)節(jié)，其滾筒的負載扭矩和電機的輸出軸扭矩分別降低為2 412 N·m及2 361 N·m，當(dāng)牽引速度穩(wěn)定在3 m/s后，逐漸增加截割滾筒的運轉(zhuǎn)速度，可以看出此時作用在滾筒上的負載繼續(xù)保持下降，當(dāng)負載下降到約2 172 N·m時，開始增加采煤機的牽引速度，直到達到最初的4 m/s，此時采煤機滾筒的負載扭矩和電機的輸出軸扭矩分別降低為2 372 N·m及2 261 N·m，其負載相比降低牽引速度情況下的負載分別增加了4.4%和4.5%，從而確保了在不影響采煤機工作效率情況下，降低了作用在采煤機滾筒上的負載沖擊。

5 結(jié)論

采煤機變速切割技術(shù)的應(yīng)用，可提高煤炭開采速度，降低作用在采煤機滾筒上的沖擊載荷，同時又不影響采煤機工作效率，大大提高采煤機工作的可靠性和穩(wěn)定性。