李躍

（山西晉神能源有限公司，山西 沂州 036500）

1 概 況

采煤機是綜采工作面的主要設(shè)備，由于煤礦地質(zhì)條件、煤層負載等原因，MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機承受的載荷處于動態(tài)變化狀態(tài)，加上采煤機設(shè)備本身質(zhì)量較大，在行走過程中齒輪容易折斷，若工作面煤層傾角較大，行走機構(gòu)中的銷輪、銷軌等零部件的塑性變形和表面磨損情況就會比較嚴重。采煤機在牽引行走過程中，理論上2個行走輪的轉(zhuǎn)速是一致的，但在實際牽引時由于其中一個行走輪和銷軌之間并未瞬間接觸，導致另外一個行走輪的齒輪和銷軌所承受的載荷為雙倍驅(qū)動載荷。

MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機牽引系統(tǒng)由2臺等功率的電機驅(qū)動，由于現(xiàn)場工況復雜且工況處于動態(tài)變化狀態(tài)，導致采煤機的2臺牽引電機經(jīng)常出現(xiàn)偏載情況，導致其中一臺電機長期過載運行，而另一臺電機載荷不足。

本文重點研究MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機牽引系統(tǒng)的雙電機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)雙電機等功率平衡運行。

2 采煤機牽引系統(tǒng)的參數(shù)匹配

通過數(shù)值模擬方式對MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機牽引系統(tǒng)進行建模，對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行仿真分析，對相關(guān)參數(shù)進行匹配設(shè)計。

2.1 采煤機牽引部工作原理

采煤機牽引部主要由調(diào)速系統(tǒng)、動力傳動箱、行走箱等組成。調(diào)速系統(tǒng)主要包括電機控制器以及變頻調(diào)速裝置等；動力傳動箱包括牽引電機和其他傳動部件；行走箱包括傳動相關(guān)的零部件，如驅(qū)動輪和銷輪。

當采煤機牽引電機得到控制器的信號后，通過逆變器對驅(qū)動電機進行控制，在左右牽引箱結(jié)構(gòu)作用下將動力傳送至銷輪，在銷輪和銷軌的嚙合作用下實現(xiàn)采煤機沿著工作面的左右往復行走。采煤機單側(cè)牽引部的傳動如圖1所示。

圖1 采煤機單側(cè)牽引部傳動示意圖Fig.1 Transmission schematic diagram of unilateral traction part of shearer

采煤機牽引部的傳動屬于四級傳動，其中前三級傳動為圓柱齒輪傳動，最后一級傳動為行星傳動。采煤機的工作載荷較大，所需的牽引力也較大，對應的采煤機傳動比要求也很大。MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機牽引部的行星輪系為2K-H。

2.2 采煤機傳動參數(shù)的匹配設(shè)計

2.2.1 牽引部傳動系統(tǒng)參數(shù)

采煤機牽引部傳動系統(tǒng)參數(shù)的匹配需結(jié)合采煤機機電系統(tǒng)的主要參數(shù)，MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機機電系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：

截割電機額定功率/kW 300

截割電機額定轉(zhuǎn)速/（r·min-1） 1 475

牽引電機額定功率/kW 37.3

牽引電機額定轉(zhuǎn)速/（r·min-1） 1 500

牽引傳動系統(tǒng)總傳動比 237.643

當前采煤機牽引部的總傳動比為237.643，查閱相關(guān)資料和經(jīng)驗值，最終確定一級傳動系統(tǒng)傳動比為2.38，二級傳動系統(tǒng)傳動比為3.82，三級傳動系統(tǒng)傳動比為4.61，四級傳動系統(tǒng)傳動比為5.67。結(jié)合已知參數(shù)和相關(guān)理論計算，初步確定一級傳動系統(tǒng)中齒輪1的分度圓直徑為67 mm，并依次完成齒輪齒數(shù)、中心距、齒寬等尺寸的初步確定。對初步確定尺寸齒輪的齒面接觸疲勞強度、齒根彎曲疲勞強度進行驗算，最終得出一級傳動齒輪的最終尺寸。

按照上述思路分別得出四級傳統(tǒng)齒輪的齒數(shù)、模數(shù)以及齒寬等參數(shù)，見表1。

表1 采煤機牽引部各級傳動齒輪主要參數(shù)Table 1 Main Parameters of Traction Gears of Shearer

2.2.2 行走機構(gòu)銷輪與銷齒嚙合參數(shù)

為避免非共軛嚙合引起的問題，采用漸開線牽引齒輪齒廓推算共軛銷軌齒廓。從理論上講，可以通過增加銷軌之間的節(jié)距提升采煤機牽引部的性能。因此，結(jié)合采煤機牽引部現(xiàn)有銷軌節(jié)距尺寸，選取最大標準值147 mm，與之匹配的銷輪模數(shù)為43.79 mm，銷輪齒數(shù)為11，銷輪壓力角為常規(guī)的20°。

為了進一步提升銷軌和銷輪嚙合時的耐磨損能力和抗彎曲能力，銷軌與銷輪采用正變位傳動方式，減少銷輪齒根部的摩擦力，降低銷輪磨損。但正變位傳動方式對應的銷軌與銷輪之間的重合度會降低，須采用較小的變位系數(shù)解決嚙合線過短的問題。最終確定銷軌與銷輪嚙合的變位系數(shù)為0.4，銷輪與銷軌的參數(shù)如下：

銷軌齒頂高/mm 46.79

銷軌齒根高/mm 58.49

銷軌齒高/mm 105.28

銷軌齒間距/mm 147

銷軌長度/mm 107

銷輪分度圓直徑/mm 514.69

銷輪齒頂高/mm 65.51

銷輪齒根高/mm 39.77

銷輪齒高/mm 105.28

銷輪齒寬/mm 82

3 采煤雙電機協(xié)調(diào)控制的仿真分析

3.1 傳統(tǒng)采煤機雙電機控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

根據(jù)采煤機牽引部傳動系統(tǒng)和銷輪與銷齒參數(shù)的匹配結(jié)果，基于UG建立采煤機牽引系統(tǒng)的三維模型，導入ADAMS軟件，根據(jù)牽引部的各零部件之間的約束關(guān)系在模型中添加對應的約束。

在此基礎(chǔ)上，為解決傳統(tǒng)采煤機單電機驅(qū)動功率不足和雙電機驅(qū)動時所采用的主從同步控制方式存在的左右牽引電機控制精度不一致且運行參數(shù)存在差異的問題，提出一套適用于雙電機的協(xié)調(diào)控制方式，保證2電機的運行功率處于相對平衡狀態(tài)。

MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機采用主從控制方式對牽引部的左右電機進行控制。從實際應用效果來看，左右牽引電機的同步精度不夠，機械裝置受到?jīng)_擊磨損嚴重或損壞。經(jīng)仿真分析可知，當工況要求采煤機牽引速度調(diào)整時，主從矢量控制方式下兩電機信號出現(xiàn)延遲，無法實現(xiàn)2電機的同步；當左右牽引電機的負載存在差異時，尤其是電機負載發(fā)生較大波動時，無法保證2電機同步運行。

3.2 基于耦合控制實現(xiàn)雙電機的協(xié)調(diào)控制

采用并行矢量控制方式對左右牽引電機進行控制，即同時通過控制器對左右牽引電機提供信號，解決電機延遲的問題。設(shè)定仿真時長為9 s，并在仿真時刻為5 s時給予一個速度的波動信號，信號波動由60 rad/s上升至90 rad/s。主從控制和并行控制的效果對比如圖2所示。

圖2 主從控制和并行控制效果對比Fig.2 Comparison of master-slave control and parallel control effect

當采煤機牽引速度發(fā)生波動時，采用并行控制方式左右牽引電機的轉(zhuǎn)速偏差始終控制在0左右；而主從控制方式在變速過程中，左右牽引電機的速度偏差最大可達9.8 r/min，且持續(xù)時間較長，約2 s后才能完成同步調(diào)整。因此，采用并行控制方式實現(xiàn)對采煤機左右牽引電機的協(xié)調(diào)控制是可行的。

但單一的采用并行控制方式還存在一個較大的缺陷，當左右牽引的某個電機受到擾動時，左右牽引電機會存在較大的速度偏差。經(jīng)仿真分析可知，當其中一臺電機受到干擾時，2臺電機的最大轉(zhuǎn)速偏差可達8 r/min。造成上述問題的主要原因是并行控制為開環(huán)控制，其中一臺電機受到擾動并不能夠反饋至另一臺電機。

為解決這一問題，采用雙電機交叉耦合控制器將二者的轉(zhuǎn)速偏差作為附加信號傳輸至2電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中，消除兩電機的速度偏差。設(shè)定仿真時長為9 s，并在仿真時刻為5 s時給予一個速度的波動信號，信號波動由60 rad/s上升至90 rad/s，分別對主從控制、并行控制以及交叉耦合并行控制下電機1在5 s時刻受到擾動時速度偏差進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 交叉耦合控制、主從控制和并行控制效果對比Fig.3 Cross-coupling control,master-slave control and parallel control effect comparison

基于交叉耦合控制時，當電機1受到擾動時左右牽引電機的轉(zhuǎn)速偏差可以控制在0；基于主從控制雙電機的最大轉(zhuǎn)速偏差（6.3 r/min）大于并行控制的轉(zhuǎn)速偏差（2.5 r/min）。

綜上所述，采用交叉耦合控制方式對采煤機左右牽引電機實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。

4 采煤機雙電機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的應用研究

對采用交叉耦合控制的雙電機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在正常工況和典型惡劣工況下的運行狀態(tài)進行研究。

4.1 正常工況

重點對交叉耦合控制、并行控制和主從控制方式在正常工況下銷軌與銷輪之間的嚙合力進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 正常工況下銷軌與銷輪嚙合力對比Fig.4 Comparison of meshing force between pin rail and pin wheel under normal working conditions

主從控制方式對應左右牽引電機的同步精度較差，導致左銷輪與銷軌之間的嚙合力大于右銷輪。在正常工況、電機不受擾動的情況下，并行控制和交叉耦合控制左右銷輪與銷軌之間的嚙合力均為45 kN，左右兩側(cè)的負荷的偏差為0.4%。

主從控制方式對應左右牽引電機的同步精度較差，導致左銷輪與銷軌之間的嚙合力大于右銷輪。在正常工況、電機不受擾動的情況下，并行控制和交叉耦合控制左右銷輪與銷軌之間的嚙合力均為45 kN，左右兩側(cè)的負荷的偏差為0.4%。

4.2 惡劣工況

重點對交叉耦合控制、并行控制方式在惡劣工況下（單個電機受到擾動時）銷軌與銷輪之間的嚙合力進行仿真分析（4 s時刻其中一個電機受到擾動），仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 惡劣工況下銷軌與銷輪嚙合力對比Fig.5 Comparison of meshing force between pin rail and pin wheel under harsh working conditions

通過仿真分析可知，當右牽引電機受到擾動時，并行控制方式下左右兩側(cè)受力不均衡，出現(xiàn)偏載現(xiàn)象；交叉耦合控制下，左右銷輪與銷軌之間的嚙合力均衡，抗干擾能力強。

5 結(jié) 論

MG300/700-WD雙滾筒電牽引采煤機牽引系統(tǒng)采用主從控制方式，存在左右牽引電機同步精度差，采煤機牽引系統(tǒng)銷輪、銷軌磨損嚴重等問題。為此，開展采煤機雙電機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究。

（1）MG300/700-WD采煤機牽引部的總傳動比為237.643，采煤機牽引部現(xiàn)有的銷軌節(jié)距尺寸為147 mm，確定銷軌與銷輪嚙合的變位系數(shù)為0.4。

（2）主從矢量控制方式是導致左右牽引電機存在一定滯后性的主要原因。雖然采用并行控制方式能夠保證左右牽引電機的同步性，但當其中一個電機受到擾動時，無法快速實現(xiàn)兩電機的同步運行，為此提出將2電機轉(zhuǎn)速偏差列為電機轉(zhuǎn)速控制器的附加輸入信息，即采用交叉耦合控制。

（3）實踐表明，在正常工況下主從控制方式牽引電機左右負荷分配不均衡，并行控制和交叉耦合控制可實現(xiàn)左右牽引電機的同步運行；在惡劣工況下，交叉耦合控制的抗干擾能力優(yōu)于并行控制方式。