張鵬飛

0 引言

隨著礦井機(jī)械化水平的不斷提高，采煤機(jī)的功率以及開(kāi)采能力逐漸提高。牽引部是采煤機(jī)的重要部位，牽引部性能的好壞直接影響著采煤機(jī)的工作效率。目前，礦井多采用主從控制的方式控制采煤機(jī)的運(yùn)行。大量實(shí)踐證明，主從控制方式下，雙電機(jī)運(yùn)行的同步性能差，長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)下，左銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌與右銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌受力差別大，設(shè)備容易損壞[1-3]。本文從牽引部的傳動(dòng)原理入手，通過(guò)對(duì)采煤機(jī)牽引部雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制和機(jī)電聯(lián)合分析，得到交叉耦合控制方法下設(shè)備運(yùn)行最為穩(wěn)定的結(jié)論，值得大力推廣。

1 牽引部的工作原理和傳動(dòng)原理

采煤機(jī)是煤礦重要的采煤機(jī)械設(shè)備，其性能的好壞直接影響到工作面的推進(jìn)速度，牽引部直接控制著采煤機(jī)的運(yùn)行速度。采煤機(jī)的牽引部主要由控制系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和行走系統(tǒng)構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)主要由控制器和逆變器組成，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，行走系統(tǒng)由銷(xiāo)輪和銷(xiāo)軌組成。采煤過(guò)程中，采煤機(jī)由控制器通過(guò)逆變器發(fā)出變壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)將信號(hào)傳遞至采煤機(jī)的銷(xiāo)輪，銷(xiāo)輪通過(guò)嚙合作用牽動(dòng)銷(xiāo)軌行走，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的牽引動(dòng)作。

采煤機(jī)的牽引動(dòng)作有多種實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)不同類(lèi)別的組合方式可以實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型的牽引動(dòng)作。牽引動(dòng)作的最終目的是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，考慮到井下惡劣的生產(chǎn)條件，采煤機(jī)性能的可靠性對(duì)于安全生產(chǎn)至關(guān)重要，為了使設(shè)備的運(yùn)行更加平穩(wěn)，應(yīng)該盡可能簡(jiǎn)化牽引部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，既能降低投入成本又便于后期的維護(hù)。

本文中采煤機(jī)牽引部共有四級(jí)傳動(dòng)，前三級(jí)傳動(dòng)以齒輪傳動(dòng)為主，最后一級(jí)傳動(dòng)以行星齒輪傳動(dòng)為主。在實(shí)際工作中，采煤機(jī)的牽引部承受較大的壓力且直接牽引減速箱運(yùn)轉(zhuǎn)，為了使采煤機(jī)有足夠的工作空間，減速箱的尺寸得足夠小，為此將最后一級(jí)傳動(dòng)設(shè)置為行星齒輪傳動(dòng)。這種設(shè)計(jì)下，動(dòng)力由軸1經(jīng)軸2、軸3、軸4傳至行星齒輪，由行星齒輪帶動(dòng)銷(xiāo)輪，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

2 采煤機(jī)牽引部雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制分析

在礦井電氣調(diào)速中，直流電機(jī)有獨(dú)立的電樞，可以獨(dú)立進(jìn)行控制，因此廣受歡迎。為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)速的功能，使用交流電進(jìn)行控制，為使交流電具備直流電的性能，對(duì)其進(jìn)行矢量變頻控制，原理是在交流電機(jī)的外部將勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量做給定控制量，得到兩相交流控制電流，再通過(guò)三相矢量變化后得到三相交流控制電流，從而實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的控制功能。

從現(xiàn)有的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，傳統(tǒng)的采煤機(jī)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因?yàn)榭刂茣r(shí)間的先后問(wèn)題，兩個(gè)電機(jī)在時(shí)間響應(yīng)上有差異，不同步的運(yùn)行導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障。為避免兩臺(tái)電機(jī)在信號(hào)上的延遲問(wèn)題，使用了交叉耦合控制調(diào)控電機(jī)。交叉耦合控制的優(yōu)點(diǎn)是將信號(hào)通過(guò)交叉耦合的方式進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)、調(diào)速、停止的功能。對(duì)比不同調(diào)控方式下兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，得到圖1所示的變化曲線(xiàn)。從圖1中可以看出，采用并行控制時(shí)，電機(jī)1與電機(jī)2的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)差異大，兩臺(tái)電機(jī)同步性能差；當(dāng)采用主從控制時(shí)，電機(jī)1與電機(jī)2可以實(shí)現(xiàn)較好的同步性能，但是兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速還是存在一定的差距；當(dāng)采用交叉耦合控制時(shí)，兩臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了良好的同步性能，可以看出，交叉耦合控制下，兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高度吻合，無(wú)論哪個(gè)電機(jī)受到干擾，另外一臺(tái)電機(jī)都能夠及時(shí)的做出反應(yīng)，保證兩臺(tái)電機(jī)同步工作。

3 采煤機(jī)牽引部機(jī)電聯(lián)合分析

大量實(shí)踐證明，采煤機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過(guò)載燒毀現(xiàn)象，但通過(guò)功率調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用可以有效控制設(shè)備的偏載問(wèn)題，從而減少過(guò)載燒毀現(xiàn)象的發(fā)生。傳統(tǒng)的主從控制方法下，設(shè)備功率的調(diào)節(jié)主要依賴(lài)于主電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，主電機(jī)運(yùn)行良好時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，當(dāng)主電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，電機(jī)的輸出功率仍然以主電機(jī)的輸出功率為主，若主電機(jī)功率較小時(shí)，影響到工作面的正常推進(jìn)，主電機(jī)的功率較大時(shí)，容易導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱造成損壞。為了提高采煤機(jī)的性能，延長(zhǎng)采煤機(jī)的工作年限，需要對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少偏載等現(xiàn)象造成的設(shè)備損壞。

圖1 不同控制方式下電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

在采煤機(jī)牽引部雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同控制方式下的機(jī)電響應(yīng)進(jìn)行研究。圖2為不同控制方式下銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌動(dòng)態(tài)嚙合力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，從圖中看出，采用主從控制時(shí)，采煤機(jī)的左銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌和右銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌擬合力差別大，且左銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌嚙合力較大，長(zhǎng)期載荷不均的運(yùn)行使得設(shè)備之間的滯后現(xiàn)象愈加明顯。采用并行控制時(shí)，左銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌和右銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌的嚙合力差值小，都在44950N左右，且兩者的偏載率在0.8%左右。采用交叉耦合控制時(shí)，左銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌和右銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌的嚙合力差值小，都在50000N左右，且兩者的偏載率在0.3%左右。

綜合對(duì)比不同控制方式下采煤機(jī)的運(yùn)行狀況，主從控制方式下設(shè)備的運(yùn)行效果最差，長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致偏載現(xiàn)象嚴(yán)重，變頻器雖然能起到一定程度的調(diào)控作用，但是較慢的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程使得設(shè)備運(yùn)行中的嚙合力差值增加，容易造成設(shè)備的疲勞損傷；采用并行控制和交叉耦合控制可以有效地避免這一點(diǎn)，兩臺(tái)電機(jī)的高精度耦合使得設(shè)備的調(diào)控速度快，變頻器的利用率高，即使在惡劣環(huán)境下工作，也能有效地避免偏載現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)綜合分析看出，采用交叉耦合控制是最佳的選擇。

圖2 不同控制方式下銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌動(dòng)態(tài)嚙合力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

5 實(shí)際案例分析

在實(shí)際采煤過(guò)程中，受煤體的非均質(zhì)性以及矸石崩落的影響，機(jī)身承受的載荷出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間工作很容易導(dǎo)致滾筒受力不均而損壞牽引電機(jī)。本文以MG300/700采煤機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)并行控制和交叉耦合控制下電機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，得到圖3所示的結(jié)果。從圖中可以看出，并行控制方式下，電機(jī)偏載率隨時(shí)間的增加逐漸增大，最大達(dá)到10%，此時(shí)銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌受力復(fù)雜，容易出現(xiàn)折斷現(xiàn)象；在交叉耦合控制方式下，偏載率較為穩(wěn)定，維持在0.4%左右，此時(shí)銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌受力簡(jiǎn)單，控制效果好。

圖3 不同控制方式下偏載率曲線(xiàn)

圖4為不同控制方式下銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌動(dòng)態(tài)嚙合力，從圖中可以看出，當(dāng)右牽引電機(jī)受到干擾時(shí)，并行控制下右銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌動(dòng)態(tài)嚙合力上升，左銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌動(dòng)態(tài)嚙合力下降，引起受力不均，造成偏載現(xiàn)象；交叉耦合控制方式穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，。實(shí)際應(yīng)用也證明了交叉耦合控制的優(yōu)良性。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)采煤機(jī)牽引部雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)的控制研究，得到以下結(jié)論：

（1）采煤機(jī)牽引部采用行星齒輪傳動(dòng)可以簡(jiǎn)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，占用空間少，運(yùn)行平穩(wěn)；

圖4 不同控制方式下銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌動(dòng)態(tài)嚙合力

（2）由采煤機(jī)牽引部雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制分析得到主從控制方式和交叉耦合控制方式下雙電機(jī)轉(zhuǎn)速吻合度高，兩臺(tái)電機(jī)的同步運(yùn)行可以提高采煤機(jī)的工作效率；

（3）不同控制方式下銷(xiāo)輪銷(xiāo)軌動(dòng)態(tài)嚙合力曲線(xiàn)差異大，并行控制和交叉耦合控制下設(shè)備偏載率低，綜合對(duì)比之下，交叉耦合控制是最佳的控制方法，長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)下有利于設(shè)備的穩(wěn)定性。