賈小軍

（山西西山礦業(yè)管理有限公司，山西 太原 030053）

引言

刮板輸送機(jī)作為煤礦綜采工作面重要的運(yùn)輸設(shè)備，其性能的好壞直接影響綜采工作面的采掘效率，針對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的刮板輸送機(jī)調(diào)控精度差、扭矩低、運(yùn)輸效率低，且易發(fā)生故障的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了永磁電機(jī)半直驅(qū)作為刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)對(duì)運(yùn)行負(fù)載信號(hào)的監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)且可調(diào)控，有效提高了綜采工作面的工作效率。

1 刮板輸送機(jī)機(jī)電耦合模型的構(gòu)建

刮板輸送機(jī)永磁電機(jī)半直驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是將電磁力、傳動(dòng)力和摩擦力相互耦合的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，變頻驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)主要是通過(guò)變頻器控制鏈輪的驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行速度的調(diào)控，永磁電機(jī)半直驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則是根據(jù)輸送機(jī)負(fù)載狀態(tài)，通過(guò)負(fù)載信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的矢量控制，閉環(huán)控制的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能和電磁能之間的轉(zhuǎn)化。針對(duì)機(jī)電耦合狀態(tài)，眾多學(xué)者針對(duì)負(fù)載調(diào)控進(jìn)行了研究，但對(duì)于機(jī)電耦合系統(tǒng)的研究卻頗少[1-2]。

永磁電機(jī)半直驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、齒輪和刮板輸送機(jī)構(gòu)成。其中，電機(jī)產(chǎn)生的電磁力、齒輪產(chǎn)生的傳動(dòng)力以及管板輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力之間相互耦合構(gòu)成了半直驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]。本文以刮板輸送機(jī)為主，對(duì)系統(tǒng)機(jī)電模型進(jìn)行分析研究。

不同于傳統(tǒng)的電機(jī)，永磁電機(jī)磁場(chǎng)的產(chǎn)生主要依賴于永磁體，輸入的三相電流經(jīng)過(guò)定子繞組形成了磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的形成將電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)勢(shì)能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)子的同步運(yùn)動(dòng)。

為了簡(jiǎn)化刮板輸送機(jī)機(jī)電耦合模型，將電機(jī)軸和齒輪傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，刮板輸送機(jī)機(jī)電耦合模型圖如圖1所示。其中，ωe為電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度；ω'e為經(jīng)過(guò)齒輪的傳速，電機(jī)轉(zhuǎn)子的輸出角速度；kw，cw分別為輸送機(jī)的剛度系數(shù)以及阻尼系數(shù)；ω'm為機(jī)械傳動(dòng)角速度。

2 永磁電機(jī)半直驅(qū)模擬應(yīng)用分析

永磁電機(jī)半直驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由：電機(jī)系統(tǒng)與刮板輸送機(jī)系統(tǒng)組成。圖2為永磁電機(jī)半直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)圖，在系統(tǒng)圖中，選用TYVZ-3800-280M-16型的永磁電機(jī)，電機(jī)的額定功率為37 kW，額定電流為73.2 A，額定電壓為380 V，定子電阻為0.136Ω，反電勢(shì)常數(shù)為1 060 V，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.98 kg·m2。為了更加真實(shí)地反映刮板輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中載荷的波動(dòng)，利用磁粉式測(cè)功機(jī)系統(tǒng)模擬輸送機(jī)載荷波動(dòng)狀況。為了充分研究不同工況下系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)空載運(yùn)行、穩(wěn)定承載運(yùn)行和隨機(jī)承載運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研究。

圖2 永磁電機(jī)半直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)圖

2.1 空載運(yùn)行工況研究

刮板輸送機(jī)空載運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)工況曲線圖如下頁(yè)圖3所示。由圖3-1分析可知，在空載運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)在運(yùn)行初期轉(zhuǎn)矩最大達(dá)到1.09×104N·m，隨后開(kāi)始快速降低，在運(yùn)行約2 s左右，轉(zhuǎn)矩值穩(wěn)定在0.34×104N·m，分析其原因，為了克服鏈條及刮板的工作阻力，電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而在電機(jī)運(yùn)行初期，會(huì)產(chǎn)生較大的電流，在電流的驅(qū)動(dòng)作用下，電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，且電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)與電流波動(dòng)規(guī)律一致。從圖3-2可以看出，在電機(jī)啟動(dòng)初期，依靠鏈輪鏈條的嚙合作用進(jìn)行運(yùn)行，因此鏈輪鏈條嚙合處速度最大，在嚙合傳遞的作用下，距離電機(jī)較遠(yuǎn)的位置（如圖3-2中x=250 m）速度最低，且承載段和非承載段速度變化趨勢(shì)相同。但是不同關(guān)鍵段內(nèi)速度變化趨勢(shì)有差別，在靠近機(jī)頭（x=100m）機(jī)尾（x=250m）處速度波動(dòng)較大，但是在電機(jī)啟動(dòng)2 s左右的時(shí)間，速度值最終穩(wěn)定在1.8 m/s左右，在電機(jī)啟動(dòng)的短時(shí)間內(nèi)，承載段和非承載段加速度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)的狀況，一定張緊力的皮帶在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到?jīng)_擊力作用，使得鏈條速度加快。根據(jù)速度—時(shí)間公式計(jì)算得到加速度，此時(shí)加速度值最大，達(dá)到24.25 m2/s，這一現(xiàn)象在機(jī)頭機(jī)尾兩側(cè)最為明顯。隨著空載運(yùn)行的持續(xù)進(jìn)行，沖擊力作用逐漸減小，因此加速度值也隨之減小，在2 s左右后，加速度值較為穩(wěn)定，值為0。

圖3 空載運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)工況曲線

2.2 穩(wěn)定承載運(yùn)行工況研究

在空載運(yùn)行3 s后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，由圖4-1可知，在穩(wěn)定運(yùn)行階段前3 s內(nèi)，電機(jī)速度有一定范圍的波動(dòng)，3 s后速度逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)n1、n2變化趨勢(shì)相同，但是n1的變化幅度大于n2，在2 s左右達(dá)到755 r/min，在120 s后穩(wěn)定在750 r/min左右。從圖4-2可以看出，在穩(wěn)定承載階段，輸送機(jī)的運(yùn)行速度經(jīng)過(guò)兩次大的波動(dòng)，兩次波動(dòng)有差異，第一次波動(dòng)輸送機(jī)承載段和非承載段都有明顯的波動(dòng)，第二次波動(dòng)非承載段現(xiàn)象大于承載段的波動(dòng)，分析其原因?yàn)樵谳斔蜋C(jī)運(yùn)行過(guò)程中，鏈條受到?jīng)_擊力作用，此沖擊力會(huì)被鏈條以及運(yùn)輸物料吸收，造成了承載段與非承載段張力的差距，關(guān)鍵段內(nèi)電機(jī)波動(dòng)的最大速度為3.6 m/s，在運(yùn)行15 s后穩(wěn)定在1.8 m/s左右。從速度曲線可以看出，在運(yùn)行的前1 s時(shí)和4 s時(shí)，因?yàn)殒湕l鏈輪的嚙合作用，鏈條運(yùn)行速度波動(dòng)較大，12 s左右時(shí)間開(kāi)始逐漸穩(wěn)定，在15 s時(shí)完全穩(wěn)定下來(lái)。

圖4 穩(wěn)定承載運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)工況曲線

2.3 隨機(jī)承載運(yùn)行工況研究

刮板輸送機(jī)隨機(jī)承載運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)工況曲線如下頁(yè)圖5所示。由圖5-1可知，在隨機(jī)承載階段，電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有大范圍的波動(dòng)，20 s左右受到載荷作用，電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，且持續(xù)一段時(shí)間，分析其原因，在長(zhǎng)距離長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)輸過(guò)程中，刮板輸送機(jī)上的物料會(huì)出現(xiàn)堆積，隨著堆積物的增加，電機(jī)運(yùn)行速度也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，機(jī)頭電機(jī)波動(dòng)范圍大于機(jī)尾電機(jī)波動(dòng)范圍。從圖5-2可以看出，在20 s開(kāi)始，隨著負(fù)載的增加，鏈條運(yùn)行速度開(kāi)始波動(dòng)，處于承載段的鏈條速度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，非承載段的鏈條速度則呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。23 s時(shí)，鏈條運(yùn)行速度達(dá)到最大，值為2.8 m/s，在刮板輸送機(jī)長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)臈l件下，鏈條速度的增加對(duì)鏈條沖擊較大，離刮板輸送機(jī)端頭550 m的位置，速度波動(dòng)較為平緩，在250 m的位置，速度波動(dòng)最大。根據(jù)速度曲線分析鏈條運(yùn)行過(guò)程中加速度的變化，當(dāng)刮板輸送機(jī)鏈條運(yùn)行速度波動(dòng)較大時(shí)，鏈條的加速度會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)。離刮板輸送機(jī)端頭550 m的位置計(jì)算得出加速度值，其數(shù)值接近0，在250 m的位置，加速度波動(dòng)最大。

圖5 隨機(jī)承載運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)工況曲線

從不同工況下系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)分析可以看出，無(wú)論刮板輸送機(jī)處于何種工況，永磁電機(jī)半直驅(qū)電機(jī)都有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，且可以根據(jù)負(fù)載信號(hào)的不同進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后電機(jī)及鏈條運(yùn)行速度有波動(dòng)，但是減少了傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)大轉(zhuǎn)速小運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題，由此可見(jiàn)，永磁電機(jī)半直驅(qū)刮板輸送機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，有效提升了刮板輸送機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

基于永磁電機(jī)半直驅(qū)刮板輸送機(jī)系統(tǒng)機(jī)電耦合動(dòng)態(tài)特性研究，對(duì)空載運(yùn)行、穩(wěn)定承載運(yùn)行和隨機(jī)承載三種運(yùn)行工況進(jìn)行模擬分析。實(shí)驗(yàn)證明，永磁電機(jī)半直驅(qū)電機(jī)在復(fù)雜工況下可根據(jù)負(fù)載信號(hào)迅速做出動(dòng)態(tài)響應(yīng)，降低設(shè)備的故障率，提高刮板輸送機(jī)的調(diào)控精度和運(yùn)行可靠性，可大幅提升綜采工作面的采掘工作效率。