工程科学学报，第39卷.第8期：1215-1223,2017年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.8:1215-1223,August 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.011;http://journals.ustb.edu.cn 采煤机机电传动系统调速动态特性分析 易园园，秦大同⑧ 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400044 区通信作者，E-mail:dtqin@cq.cdu.cn 摘要为研究滚筒调速的可行性及调速对传动系统动态性能的影响，采用MATLAB/Simulink搭建了采煤机截割-牵引耦 合机电传动系统动力学模型.针对截割部过载工况，综合考虑采煤机可靠运行和高效生产，制定了4种调速降载方案，并提 出了通过截割电机电流计算目标切削厚度、依据目标切削厚度选择调速方案的方法.最后通过仿真对比了各种调速方案下 电机和传动系统的动态啊应特性，结果表明：当截割电机过载倍数较小时，采用滚筒调速方案能够在降低系统负载的同时使 采煤生产率不受影响：当过载倍数较大时，采用牵引调速方案可获得较高的系统可靠性，而采用牵引-滚筒顺序调速方案可获 得较高的采煤生产率. 关键词采煤机：调速方案：过载保护：齿轮传动系统：机电动态特性 分类号TH132.41 Speed adjustment characteristics analysis for electromechanical transmission system of coal shearer YI Yuan-yuan,QIN Da-tong State Key Laboratory of Mechanical Transmissions,Chongqing University,Chongqing 400044,China Corresponding author,E-mail:dtqin@cqu.edu.cn ABSTRACT To investigate the feasibility of speed adjustment of the drum and the influence of speed adjustment on the dynamic performance of the transmission system,a cutting-haulage coupled model of the electromechanical transmission system of the coal shearer was established using MATLAB/Simulink.Then,considering reliable operation and efficient production,four types of speed adjustment schemes were formulated for the overload conditions of the cutting unit.The method of selecting the speed adjustment scheme was proposed according to the target cutting thickness,while the motor current was chosen as a feedback signal to calculate the target cutting thickness.Lastly,the electromechanical dynamic characteristics of the system corresponding to different adjustment schemes were simulated and compared.The results show that when the overload ratio of the cutting motor is small,using the drum speed adjustment scheme can not only reduce the system load,but also enable the coal-mining productivity to not be affected. Conversely,the system reliability can be improved when the haulage speed adjustment scheme is used,and using the haulage-drum sequential speed adjustment scheme can lead to high productivity. KEY WORDS coal shearer;speed adjustment scheme;overload protection;gear transmission system;electromechanical dynamic characteristics 采煤机是机械化、现代化采煤的主要装备，被广泛 应用于不同地质条件下的煤炭开采，如何提高采煤机 收稿日期：2016-09-22 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2014CB046304)
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期:1215鄄鄄1223,2017 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 8: 1215鄄鄄1223, August 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 08. 011; http: / / journals. ustb. edu. cn 采煤机机电传动系统调速动态特性分析 易园园, 秦大同苣 重庆大学机械传动国家重点实验室, 重庆 400044 苣 通信作者, E鄄mail: dtqin@ cqu. edu. cn 摘 要 为研究滚筒调速的可行性及调速对传动系统动态性能的影响,采用 MATLAB/ Simulink 搭建了采煤机截割鄄鄄 牵引耦 合机电传动系统动力学模型. 针对截割部过载工况,综合考虑采煤机可靠运行和高效生产,制定了 4 种调速降载方案,并提 出了通过截割电机电流计算目标切削厚度、依据目标切削厚度选择调速方案的方法. 最后通过仿真对比了各种调速方案下 电机和传动系统的动态响应特性,结果表明:当截割电机过载倍数较小时,采用滚筒调速方案能够在降低系统负载的同时使 采煤生产率不受影响;当过载倍数较大时,采用牵引调速方案可获得较高的系统可靠性,而采用牵引鄄鄄滚筒顺序调速方案可获 得较高的采煤生产率. 关键词 采煤机; 调速方案; 过载保护; 齿轮传动系统; 机电动态特性 分类号 TH132郾 41 收稿日期: 2016鄄鄄09鄄鄄22 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目(2014CB046304) Speed adjustment characteristics analysis for electromechanical transmission system of coal shearer YI Yuan鄄yuan, QIN Da鄄tong 苣 State Key Laboratory of Mechanical Transmissions, Chongqing University, Chongqing 400044, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: dtqin@ cqu. edu. cn ABSTRACT To investigate the feasibility of speed adjustment of the drum and the influence of speed adjustment on the dynamic performance of the transmission system, a cutting鄄鄄 haulage coupled model of the electromechanical transmission system of the coal shearer was established using MATLAB/ Simulink. Then, considering reliable operation and efficient production, four types of speed adjustment schemes were formulated for the overload conditions of the cutting unit. The method of selecting the speed adjustment scheme was proposed according to the target cutting thickness, while the motor current was chosen as a feedback signal to calculate the target cutting thickness. Lastly, the electromechanical dynamic characteristics of the system corresponding to different adjustment schemes were simulated and compared. The results show that when the overload ratio of the cutting motor is small, using the drum speed adjustment scheme can not only reduce the system load, but also enable the coal鄄鄄 mining productivity to not be affected. Conversely, the system reliability can be improved when the haulage speed adjustment scheme is used, and using the haulage鄄鄄 drum sequential speed adjustment scheme can lead to high productivity. KEY WORDS coal shearer; speed adjustment scheme; overload protection; gear transmission system; electromechanical dynamic characteristics 采煤机是机械化、现代化采煤的主要装备,被广泛 应用于不同地质条件下的煤炭开采,如何提高采煤机
·1216· 工程科学学报，第39卷，第8期 对不同工况的自适应性，充分利用其截割能力，使其高 方案和牵引-滚筒协调控制方案，并与传统牵引调速 产高效并安全运行，已成为人们关注和重点研究的 方案进行了仿真对比. 课题山 实际生产中，由于煤的截割阻抗难以实时准确 现有采煤机通过调节牵引速度来实现截割电机的 获得，因此，本文通过截割电机电流来计算目标控制 恒功率保护和牵引电机的过载保护，而滚筒转速不可 量，针对截割部过载工况制定了4种调速降载方案， 调)].当牵引速度在较大范围内变化时，一种滚筒转 并通过仿真对比了各种调速方案下截割-牵引耦合 速很难保证采煤机处于截割能力强、截割比能耗小、生 系统的机电动态响应，最后综合考虑系统的可靠运 产率高等综合性能最佳的工作状态[)]：所以实际生产 行和高效生产，明确了各种方案分别适用的过载工 中常根据特定的工作面条件，采取更换齿轮副的方式 况.研究结果为实现采煤机智能化和无人化运行奠 形成多种滚简转速供选择使用.但是由于煤岩分布的 定了基础. 随机性，即使在同一工作面系统负载的变化范围也很 1采煤机截割-牵引耦合动力学模型 大，仅调节牵引速度仍无法保证与滚筒转速达到最优 匹配4-].因此，有必要研究对滚简进行无级调速，并 1.1截割部、牵引部机电传动系统动力学模型 通过与牵引调速相互配合，在保证系统不过载前提下 图1(a)、(b)分别为MG300/700-QWD型电牵引 提高采煤生产率和生产质量，增强采煤机应对复杂工 滚筒式采煤机截割部和牵引部的多级齿轮传动系统结 况的适应性和灵活性 构示意图.采用集中参数法建立系统纯扭转动力学模 关于滚筒调速，研究者已逐渐认识到其必要性： 型，并将行走轮与销排啮合等效为齿轮齿条副，将机身 张东升和杜长龙[6]为提高摇臂的工作范围设计了一 的质量转化到销排上.图中，0,62，…，0，分别表示各 种可换挡的双速截割部传动系统.马正兰[]为提高 平行轴齿轮的转角，单位为rad;0,0m,0.,0m,0g,0g, 块煤率，提出了变速截割的思路，并进行了不同截割 0。,0分别表示截割部和牵引部的太阳轮、齿圈、行星 阻抗条件下截割速度和牵引速度的优化研究.桓希 架和行星轮的转角，其中，n表示第n个行星轮(n=1, 传等[)分析了截割电机变频调速控制的必要性和可 2,3,4);0c、0分别表示截割电机转子和牵引电机转 行性.张强等[通过综合调节牵引速度和滚简转速， 子的转角.k和c分别为对应轴N(N=1,2,·,10)的 在实现采煤机恒功率作业的同时保证了工作面粉尘 扭转刚度和扭转阻尼，单位分别为N.m.rad和Nm, 浓度最小，提高了综采工作面的安全性。徐路[o]针 srad-:yu为机身位移，单位为m;Tc、Tc、T分别为 对薄煤层工作面的特点，阐述了采煤机变速截割的 截割电机电磁转矩、滚筒负载转矩和牵引电机电磁转 必要性.葛帅帅等[)以截割阻抗已知为前提计算目 矩，单位为Nm;Jc、Jc、J分别表示截割电机转子、 标切削厚度，制定了针对不同截割阻抗的滚筒调速 滚筒和牵引电机转子的转动惯量，单位为kg·m2. ■ (a) (b) 电机 行暴齿 电机 轮机构 行走轮 图1传动系统动力学模型.(a)截制部：(b)牵引部 Fig.I Dynamic models of the transmission systems:(a)cutting unit;(b)haulage unit 基于山等建立的行星齿轮机构变速过程动力学模 式中：X、M、C、K、F分别为广义坐标向量、质量矩阵、 型)]，依据牛顿第二定律建立截割部和牵引部传动系统 阻尼矩阵、刚度矩阵和外载荷向量 的扭转振动方程，并分别整理成如下式的矩阵形式 采用等效电路法在dg坐标系建立三相异步电机 MX+CX+KX=F. (1) 的空间矢量模型)，其电压方程、磁链方程、电磁转
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 对不同工况的自适应性,充分利用其截割能力,使其高 产高效并安全运行,已成为人们关注和重点研究的 课题[1] . 现有采煤机通过调节牵引速度来实现截割电机的 恒功率保护和牵引电机的过载保护,而滚筒转速不可 调[2] . 当牵引速度在较大范围内变化时,一种滚筒转 速很难保证采煤机处于截割能力强、截割比能耗小、生 产率高等综合性能最佳的工作状态[3] ;所以实际生产 中常根据特定的工作面条件,采取更换齿轮副的方式 形成多种滚筒转速供选择使用. 但是由于煤岩分布的 随机性,即使在同一工作面系统负载的变化范围也很 大,仅调节牵引速度仍无法保证与滚筒转速达到最优 匹配[4鄄鄄5] . 因此,有必要研究对滚筒进行无级调速,并 通过与牵引调速相互配合,在保证系统不过载前提下 提高采煤生产率和生产质量,增强采煤机应对复杂工 况的适应性和灵活性. 关于滚筒调速,研究者已逐渐认识到其必要性: 张东升和杜长龙[6]为提高摇臂的工作范围设计了一 种可换挡的双速截割部传动系统. 马正兰[7] 为提高 块煤率,提出了变速截割的思路,并进行了不同截割 阻抗条件下截割速度和牵引速度的优化研究. 桓希 传等[8]分析了截割电机变频调速控制的必要性和可 行性. 张强等[9]通过综合调节牵引速度和滚筒转速, 在实现采煤机恒功率作业的同时保证了工作面粉尘 浓度最小,提高了综采工作面的安全性. 徐路[10] 针 对薄煤层工作面的特点,阐述了采煤机变速截割的 必要性. 葛帅帅等[11]以截割阻抗已知为前提计算目 标切削厚度,制定了针对不同截割阻抗的滚筒调速 方案和牵引鄄鄄滚筒协调控制方案,并与传统牵引调速 方案进行了仿真对比. 实际生产中,由于煤的截割阻抗难以实时准确 获得,因此,本文通过截割电机电流来计算目标控制 量,针对截割部过载工况制定了 4 种调速降载方案, 并通过仿真对比了各种调速方案下截割鄄鄄 牵引耦合 系统的机电动态响应,最后综合考虑系统的可靠运 行和高效生产,明确了各种方案分别适用的过载工 况. 研究结果为实现采煤机智能化和无人化运行奠 定了基础. 1 采煤机截割鄄鄄牵引耦合动力学模型 1郾 1 截割部、牵引部机电传动系统动力学模型 图 1( a)、( b) 分别为 MG300 / 700鄄QWD 型电牵引 滚筒式采煤机截割部和牵引部的多级齿轮传动系统结 构示意图. 采用集中参数法建立系统纯扭转动力学模 型,并将行走轮与销排啮合等效为齿轮齿条副,将机身 的质量转化到销排上. 图中,兹1 ,兹2 ,…,兹17分别表示各 平行轴齿轮的转角,单位为 rad;兹sg,兹rg,兹c,兹pn ,兹sg忆,兹rg忆, 兹c忆,兹pn忆分别表示截割部和牵引部的太阳轮、齿圈、行星 架和行星轮的转角,其中,n 表示第 n 个行星轮( n = 1, 2,3,4);兹MC 、兹MH分别表示截割电机转子和牵引电机转 子的转角. kN和 cN分别为对应轴 N(N = 1,2,…,10)的 扭转刚度和扭转阻尼,单位分别为 N·m·rad - 1和 N·m· s·rad - 1 ;yLH为机身位移,单位为 m;TeC 、TLC 、TeH分别为 截割电机电磁转矩、滚筒负载转矩和牵引电机电磁转 矩,单位为 N·m;JMC 、JLC 、JMH分别表示截割电机转子、 滚筒和牵引电机转子的转动惯量,单位为 kg·m 2 . 图 1 传动系统动力学模型. (a) 截割部; (b) 牵引部 Fig. 1 Dynamic models of the transmission systems: (a) cutting unit; (b) haulage unit 基于 Liu 等建立的行星齿轮机构变速过程动力学模 型[12] ,依据牛顿第二定律建立截割部和牵引部传动系统 的扭转振动方程,并分别整理成如下式的矩阵形式. M X ·· + CX · + KX = F. (1) 式中:X、M、C、K、F 分别为广义坐标向量、质量矩阵、 阻尼矩阵、刚度矩阵和外载荷向量. 采用等效电路法在 dq 坐标系建立三相异步电机 的空间矢量模型[13鄄鄄14] ,其电压方程、磁链方程、电磁转 ·1216·
易园园等：采煤机机电传动系统调速动态特性分析 ·1217· 矩方程分别如式(2)至式(4)所示 滚筒转速 截齿 U=RIk+业-ωΨp, 切削厚度 牵引速度 Uh=R,1a+Ψ-(0-o,)Ψp 2 Un=Rln+业n+o业a, 滚筒 截割电机 负载转矩 牵引阻力 牵引电机 Un=R,ln+业n+(o-a,)Ψ Ψ=(L.+L)lh+LI, 被割部 牵引部 传动系统 传动系统 业6=(L.+L)lk+Lk, (3 业n=(L+L)l+L.1e, 图3截割部和牵引部的运动学耦合关系 Ψe=(L.+Ln)lr+L Fig.3 Coupling relationship between the cutting unit and the haul- age unit of a coal shearer T。=l.5p(Ψale-Ψ1h). (4) 式中：UI、平分别为在g轴上定子的电压、电流和 力Fc、滚筒负载转矩Tc以及牵引阻力F[]的计算 磁链，单位分别为V、A、Wb;UI、乎，分别为在q轴 式分别为 上转子的电压、电流和磁链，U.、Ia、平.分别为在d轴 (h,=2Tu(1-cosBuc)/(PBucbuc), 上定子的电压、电流和磁链，U、Ik、平分别为在d轴 Fc=1000Ah,(0.3+3506), 上转子的电压、电流和磁链.，、w分别为电角速度和 dg坐标系的角速度，rad·s';R。、R分别为定子和转子 三FD 电阻，D;P为磁极对数；L、L.、L,分别为定转子互感、 定子和转子漏感，H Fum(r)heFe 将传动系统动力学方程式(1)与电机电磁转矩方程 (9) 式(4)通过如图2所示的关系进行耦合，可分别建立截 式中：B为煤体对滚简的围包角，()；P为滚简每条 割部和牵引部机电传动系统的动力学模型.图2所对应 截线上安装的截齿数：A为煤岩体材料的截割阻抗， 的截割部和牵引部的关系式分别如式(5)至式(8). kNm;b为截齿计算宽度，m:S为同一时刻参与截割 的截齿数量：D,为第s个截齿的齿尖回转圆直径，m; 电磁转矩T 电机系统 传动系统 为采煤机移动时导向部分的附加阻力系数；mu为 机械转矩T。 采煤机整机质量，kg;g为重力加速度：B为煤层倾角， (°)：∫为摩擦系数：fc为与截齿磨损程度有关的系数. 图2电机和传动系统机电耦合关系 根据以上耦合关系，在MATLAB/Simulink仿真平 Fig.2 Coupling relationship between the motor and the transmission 台搭建截割-牵引耦合动力学模型，牵引电机和截割 system 电机均采用DTC控制进行调速，使用的主要技术参数 Juc Ovc Tec Twc, (5) 见表1. Jwew Ton -TMm (6) 表1采煤机截割-牵引系统主要参数 Tc=k(0c-01)+c1(0Mc-01), (7) Table 1 Main parameters of the electromechanical system TMm=k6(0m-0o）+c6(0m-0o). (8) 主要参数 数值 式中：Tc、T分别为截割电机和牵引电机的负载转 煤体对滚筒的围包角/() 180 矩，Nm 每条截线上安装的截齿数 3 1.2截割-牵引耦合动力学模型 截齿齿尖回转圆直径/mm 1600 采煤机截割部滚简旋转割煤的同时，通过牵引部 截制电机功率/kW 300 截割电机额定电压/V 1140 向前推进，根据其工作原理可知，截割部和牵引部之间 截割部传动比 45.5 存在如图3所示的运动学耦合关系：滚简转速和牵引 牵引电机功率/kW 40 速度共同决定了截齿切削厚度，而截齿切削厚度影响 牵引电机额定电压V 380 滚简负载转矩和牵引阻力，进而影响截割部和牵引部 牵引部传动比 368.5 传动系统的动力学响应 电机调速范围/(rmin-1) 01475 其中，截齿平均切削厚度h,)、截齿平均截割阻 调速时电机转速变化率/(r.min-·s1) ±250
易园园等: 采煤机机电传动系统调速动态特性分析 矩方程分别如式(2)至式(4)所示. Uds = Rs Ids + 追 · ds - 棕追qs, Udr = Rr Idr + 追 · dr - (棕 - 棕r)追qr, Uqs = Rs Iqs + 追 · qs + 棕追ds, Uqr = Rr Iqr + 追 · qr + (棕 - 棕r)追dr ì î í ï ï ï ï ï ï . (2) 追ds = (Ls + Lm )Ids + Lm Idr, 追dr = (Lr + Lm )Idr + Lm Ids, 追qs = (Ls + Lm )Iqs + Lm Iqr, 追qr = (Lr + Lm )Iqr + Lm Iqs ì î í ï ï ï ï . (3) Te = 1郾 5p(追ds Iqs - 追qs Ids). (4) 式中:Uqs、Iqs、追qs分别为在 q 轴上定子的电压、电流和 磁链,单位分别为 V、A、Wb;Uqr、Iqr、追qr分别为在 q 轴 上转子的电压、电流和磁链,Uds、Ids、追ds分别为在 d 轴 上定子的电压、电流和磁链,Udr、Idr、追dr分别为在 d 轴 上转子的电压、电流和磁链. 棕r、棕 分别为电角速度和 dq 坐标系的角速度,rad·s - 1 ;Rs、Rr分别为定子和转子 电阻,赘;p 为磁极对数;Lm 、Ls、Lr 分别为定转子互感、 定子和转子漏感,H. 将传动系统动力学方程式(1)与电机电磁转矩方程 式(4)通过如图 2 所示的关系进行耦合,可分别建立截 割部和牵引部机电传动系统的动力学模型. 图2 所对应 的截割部和牵引部的关系式分别如式(5)至式(8). 图 2 电机和传动系统机电耦合关系 Fig. 2 Coupling relationship between the motor and the transmission system JMC 兹 ·· MC = TeC - TMC , (5) JMH 兹 ·· MH = TeH - TMH , (6) TMC = k1 (兹MC - 兹1 ) + c1 ( 兹 · MC - 兹 · 1 ), (7) TMH = k6 (兹MH - 兹10 ) + c6 ( 兹 · MH - 兹 · 10 ). (8) 式中:TMC 、TMH 分别为截割电机和牵引电机的负载转 矩,N·m. 1郾 2 截割鄄鄄牵引耦合动力学模型 采煤机截割部滚筒旋转割煤的同时,通过牵引部 向前推进,根据其工作原理可知,截割部和牵引部之间 存在如图 3 所示的运动学耦合关系:滚筒转速和牵引 速度共同决定了截齿切削厚度,而截齿切削厚度影响 滚筒负载转矩和牵引阻力,进而影响截割部和牵引部 传动系统的动力学响应. 其中,截齿平均切削厚度 hz [3] 、截齿平均截割阻 图 3 截割部和牵引部的运动学耦合关系 Fig. 3 Coupling relationship between the cutting unit and the haul鄄 age unit of a coal shearer 力 FLC 、滚筒负载转矩 TLC以及牵引阻力 FLH [15] 的计算 式分别为 hz = 2仔y · LH(1 - cos茁LC) / (P茁LC 兹 · LC), FLC = 1000Ahz(0郾 3 + 350b), TLC = 移 S s =1 FLCDs / 2, FLH = f LH [ 0郾 5mLHg(sin茁LH + fcos茁LH) + f LC移 S s =1 FLC ] ì î í ï ï ïï ï ï ïï . (9) 式中:茁LC为煤体对滚筒的围包角,(毅);P 为滚筒每条 截线上安装的截齿数;A 为煤岩体材料的截割阻抗, kN·m - 1 ;b 为截齿计算宽度,m;S 为同一时刻参与截割 的截齿数量;Ds为第 s 个截齿的齿尖回转圆直径,m; f LH为采煤机移动时导向部分的附加阻力系数;mLH为 采煤机整机质量,kg;g 为重力加速度;茁LH为煤层倾角, (毅);f 为摩擦系数;f LC为与截齿磨损程度有关的系数. 根据以上耦合关系,在 MATLAB/ Simulink 仿真平 台搭建截割鄄鄄 牵引耦合动力学模型,牵引电机和截割 电机均采用 DTC 控制进行调速,使用的主要技术参数 见表 1. 表 1 采煤机截割鄄鄄牵引系统主要参数 Table 1 Main parameters of the electromechanical system 主要参数 数值 煤体对滚筒的围包角/ (毅) 180 每条截线上安装的截齿数 3 截齿齿尖回转圆直径/ mm 1600 截割电机功率/ kW 300 截割电机额定电压/ V 1140 截割部传动比 45郾 5 牵引电机功率/ kW 40 牵引电机额定电压/ V 380 牵引部传动比 368郾 5 电机调速范围/ (r·min - 1 ) 0 ~ 1475 调速时电机转速变化率/ (r·min - 1·s - 1 ) 依 250 ·1217·
·1218· 工程科学学报，第39卷，第8期 当截割电机过载倍数较小时，切削厚度调整量相 2截割-牵引耦合系统调速方案 对较小，由当前值h,调到目标值h,可采用方案(1)和 滚简负载转矩和截割电机负载的关系式如 (2),如图5(a)所示：当截割电机过载倍数较大时，切 式(10)，联系式(10)和式(9)，绘制了表示截割电机负 削厚度调整量相对较大，由h,调到h,对应的4种方案 载转矩与切削厚度、截割阻抗关系的等值线图，如图4 如图5(b)所示：方案(3)和(4)以牵引速度变动量最 所示.图中粗实线为截割电机额定负载转矩T、对应的 小为原则选择目标牵引速度和滚筒转速：由于滚筒转 曲线.从图中可以看出，对应于某一截割阻抗，具有唯 速最大值的限制，方案(2)达不到目标切削厚度，导致 一的切削厚度使电机负载为额定值；当截割阻抗由A, 电机负载恢复不到额定值，所以此种工况下考虑采用 突增为A2,截割电机负载转矩将由额定值T、增大为 方案(1)、(3)和(4).从图中可以看出，存在某一临界 T,为使负载恢复至额定值以保护电机及齿轮传动系 切削厚度值使图中斜线的斜率为1，经推导可得，临界 统，应将切削厚度由初始值h减小为ha 切削厚度h,的表达式如式(11).在截割电机和牵引 电机变频器预设转速变化率相同的情况下，当切削厚 (10) 度大于时，滚筒调速达到目标切削厚度比牵引调速 式中：i,nc分别为截割部传动系统的传动比和传动 所需时间短：反之，滚筒调速比牵引调速所需时间长 效率 h(1-copue)Rie (11) 350 PBicin 截割电机负载转矩伥N·m 式中：R为行走轮分度圆半径，m;i为牵引部传动系 300 统传动比 由图5(b)可知，方案(2)降载能力存在局限，图6 250 给出了判断方案(2)是否适用的条件.图中阴影区边 界斜线表示的是保持滚简转速为最大值时切削厚度与 200 牵引速度的关系，斜线上的点取值为min(h,),其表达 20 式如式(12).由图可知存在判断条件：当目标切削厚 15 10 20 30 40 50 度h。>min(h,)时，采用方案(2)能够达到目标切削厚 切削厚度/mm 度，对应于图中情况I;当目标切削厚度h。<min(h,) 图4截割电机负载转矩等值线图 时，采用方案2则不能达到目标切削厚度，对应于图中 Fig.4 Contour map of the load torque of the cutting motor 情况Ⅱ.由图中可以看出初始牵引速度y越大，方 图5给出了为达到目标切削厚度h,所制定的4 案(2)适用范围越小 种调速方案：(1)只调节牵引速度，这是目前采煤机上 min(h ) (1-cosBLc)yum 普遍采用的调速方式：(2)只调节滚简转速：(3)牵 (12) PBicmax(0c) 引-滚筒联合调速；(4)牵引-滚简顺序调速.为保证 为保持截割电机及传动系统不过载，根据4种调 截割电机提供的驱动转矩不变，选择在恒转矩区间调 速方案制定了采煤机截割部过载保护调速控制流程， 速，相应的滚筒转速最大可调到32.4r·min1,即 如图7所示 max(0c)=32.4. 通过电机电流I反算电机负载转矩T的公 32r 30 30 4 2) 28 4(2) 28 h 3) 36 36 24 24 0 22 <c切削厚度/mm 60 70 3 60 切削厚度mm 20 20 7 5 牵引速度/(mmin-) 牵引速度m·min) 图5不同切削厚度调整量对应的调速方案.(a)调整量较小：(b)调整量较大 Fig.5 Speed adjustment schemes for different cutting thickness adjustment amounts:(a)small adjustment amount;(b)large adjustment amount
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 2 截割鄄鄄牵引耦合系统调速方案 滚 筒 负 载 转 矩 和 截 割 电 机 负 载 的 关 系 式 如 式(10),联系式(10)和式(9),绘制了表示截割电机负 载转矩与切削厚度、截割阻抗关系的等值线图,如图 4 所示. 图中粗实线为截割电机额定负载转矩 TN对应的 曲线. 从图中可以看出,对应于某一截割阻抗,具有唯 一的切削厚度使电机负载为额定值;当截割阻抗由 A1 突增为 A2 ,截割电机负载转矩将由额定值 TN 增大为 T2 ,为使负载恢复至额定值以保护电机及齿轮传动系 统,应将切削厚度由初始值 hz1减小为 hz2 . TMC = TLC iC 浊C . (10) 式中:iC 、浊C 分别为截割部传动系统的传动比和传动 效率. 图 4 截割电机负载转矩等值线图 Fig. 4 Contour map of the load torque of the cutting motor 图 5 不同切削厚度调整量对应的调速方案. (a) 调整量较小; (b) 调整量较大 Fig. 5 Speed adjustment schemes for different cutting thickness adjustment amounts: (a) small adjustment amount; (b) large adjustment amount 图 5 给出了为达到目标切削厚度 hz2 所制定的 4 种调速方案:(1)只调节牵引速度,这是目前采煤机上 普遍采用的调速方式; (2) 只调节滚筒转速; (3) 牵 引鄄鄄滚筒联合调速; (4)牵引鄄鄄滚筒顺序调速. 为保证 截割电机提供的驱动转矩不变,选择在恒转矩区间调 速[11] ,相应的滚筒转速最大可调到 32郾 4 r·min - 1 ,即 max( 兹 · LC ) = 32郾 4. 当截割电机过载倍数较小时,切削厚度调整量相 对较小,由当前值 hz1调到目标值 hz2可采用方案(1)和 (2),如图 5(a)所示;当截割电机过载倍数较大时,切 削厚度调整量相对较大,由 hz1调到 hz2对应的 4 种方案 如图 5(b)所示:方案(3)和(4)以牵引速度变动量最 小为原则选择目标牵引速度和滚筒转速;由于滚筒转 速最大值的限制,方案(2)达不到目标切削厚度,导致 电机负载恢复不到额定值,所以此种工况下考虑采用 方案(1)、(3)和(4). 从图中可以看出,存在某一临界 切削厚度值使图中斜线的斜率为 1,经推导可得,临界 切削厚度 hzc的表达式如式(11). 在截割电机和牵引 电机变频器预设转速变化率相同的情况下,当切削厚 度大于 hzc时,滚筒调速达到目标切削厚度比牵引调速 所需时间短;反之,滚筒调速比牵引调速所需时间长. hzc = 2仔(1 - cos茁LC )RH iC P茁LC iH . (11) 式中:RH为行走轮分度圆半径,m;iH为牵引部传动系 统传动比. 由图 5(b)可知,方案(2)降载能力存在局限,图 6 给出了判断方案(2)是否适用的条件. 图中阴影区边 界斜线表示的是保持滚筒转速为最大值时切削厚度与 牵引速度的关系,斜线上的点取值为 min( hz),其表达 式如式(12). 由图可知存在判断条件:当目标切削厚 度 hz2 > min(hz)时,采用方案(2)能够达到目标切削厚 度,对应于图中情况玉;当目标切削厚度 hz2 < min( hz) 时,采用方案 2 则不能达到目标切削厚度,对应于图中 情况域. 由图中可以看出初始牵引速度 y · LH1 越大,方 案(2)适用范围越小. min(hz) = (1 - cos茁LC ) y · LH1 P茁LCmax( 兹 · LC ) . (12) 为保持截割电机及传动系统不过载,根据 4 种调 速方案制定了采煤机截割部过载保护调速控制流程, 如图 7 所示. 通过电机电流 IMC 反算电机负载转矩 TMC 的公 ·1218·
易园园等：采煤机机电传动系统调速动态特性分析 ·1219· ha= (0.9-1.1)h.Tx (14) 40 式中：Uc为截割电机线电压，V;cosPuc为截割电机功 I 30 率因数：0a为当前截割电机转速，r·min. 20 10 3调速过程中耦合系统机电响应特性分析 d 5 假设采煤机运行初始值为：牵引速度6m·min, 牵引速度(mmin) 滚简转速25.5rmin1,切削厚度50mm,则此时对应 图6方案(2)适用条件 的h.和min(h,)均为39.3mm.依据制定的调速控制 Fig.6 Applicable conditions for scheme 2 流程，分别比较了在截割电机过载倍数较小和较大时 采煤机运行初始值h,n8 采用不同调速方案采煤机截割-牵引耦合系统的机电 动态响应特性 3.1目标切削厚度大于min(h,)时调速过程分析 否 控制系统 无动作 假设当前截割阻抗为200kN·m,则截割电机过 载倍数为1.16.通过式(14)计算可知，要恢复至额定 计算目标切削厚度。 负载，目标切削厚度应设为43.1mm,大于min(h,),因 此采用图5(a)中的调速方案，在图中插值得到各调速 方案对应的目标值如表2所示 <h>min(h) 表2各种调速方案对应的目标值 是 调速方案(1) Table 2 Target values corresponding to different speed adjustment 调速方案(1) 调速方案(3) schemes 调速方案2) 调速方案(4) 目标牵引速度/ 目标滚筒转速/ 调速方案 监测被割电机电流I (m'min-1) (rmin-1) (1)牵引调速 5.1 25.5 图7采煤机截割部过载保护调速控制流程图 (2)滚筒调速 6.0 29.7 Fig.7 Speed control flow chart for overload protection of the cutting unit 图8给出的分别是两种调速方案下滚筒转速和牵 引速度的变化.从图中可以看出，为达到目标值，在电 式[如式(13)，当截割电机负载转矩超过额定值T、 机转速变化率相同的条件下，滚筒调速比牵引调速用 的10%，则启动过载保护调速流程，相应的目标切削 时缩短6%，这是由于切削厚度在大于临界切削厚度 厚度ha的计算式如式(14) h范围内进行调整.牵引调速使牵引速度下降15%， T wc 9.55T UMcIMcCosPMC (13) 由于采煤生产率与牵引速度呈正相关关系[)，这将使 306wc 采煤机生产率下降约15% 30 a 10.0 10.0 滚简转速 滚简转速 25 8.3 8.3 0.87s 10.821 20 6.6 20 6.6 牵引速度 牵引速度 15 5.0 15 5.0 1.0 1.5 2.02.53.03.54.0 1.01.5 2.02.53.03.5 4.0 时间s 时间s 图8不同调速方案下系统运动特性.()牵引调速方案：(b)滚筒调速方案 Fig.8 Kinematic behavior of the system corresponding to different speed adjustment schemes:(a)haulage speed adjustment scheme;(b)drum speed adjustment scheme
易园园等: 采煤机机电传动系统调速动态特性分析 图 6 方案(2)适用条件 Fig. 6 Applicable conditions for scheme 2 图 7 采煤机截割部过载保护调速控制流程图 Fig. 7 Speed control flow chart for overload protection of the cutting unit 式[16]如式(13),当截割电机负载转矩超过额定值 TN 图 8 不同调速方案下系统运动特性. (a) 牵引调速方案; (b) 滚筒调速方案 Fig. 8 Kinematic behavior of the system corresponding to different speed adjustment schemes: ( a) haulage speed adjustment scheme; ( b) drum speed adjustment scheme 的 10% ,则启动过载保护调速流程,相应的目标切削 厚度 hz2的计算式如式(14). TMC抑 9郾 55仔 3UMC IMC cos渍MC 30兹 · MC1 , (13) hz2 = (0郾 9 ~ 1郾 1)hz1TN TMC . (14) 式中:UMC为截割电机线电压,V;cos渍MC为截割电机功 率因数;兹 · MC1为当前截割电机转速,r·min - 1 . 3 调速过程中耦合系统机电响应特性分析 假设采煤机运行初始值为:牵引速度 6 m·min - 1 , 滚筒转速 25郾 5 r·min - 1 ,切削厚度 50 mm,则此时对应 的 hzc和 min(hz)均为 39郾 3 mm. 依据制定的调速控制 流程,分别比较了在截割电机过载倍数较小和较大时 采用不同调速方案采煤机截割鄄鄄牵引耦合系统的机电 动态响应特性. 3郾 1 目标切削厚度大于 min(hz)时调速过程分析 假设当前截割阻抗为 200 kN·m - 1 ,则截割电机过 载倍数为 1郾 16. 通过式(14)计算可知,要恢复至额定 负载,目标切削厚度应设为 43郾 1 mm,大于 min(hz),因 此采用图 5(a)中的调速方案,在图中插值得到各调速 方案对应的目标值如表 2 所示. 表 2 各种调速方案对应的目标值 Table 2 Target values corresponding to different speed adjustment schemes 调速方案 目标牵引速度/ (m·min - 1 ) 目标滚筒转速/ (r·min - 1 ) (1) 牵引调速 5郾 1 25郾 5 (2) 滚筒调速 6郾 0 29郾 7 图 8 给出的分别是两种调速方案下滚筒转速和牵 引速度的变化. 从图中可以看出,为达到目标值,在电 机转速变化率相同的条件下,滚筒调速比牵引调速用 时缩短 6% ,这是由于切削厚度在大于临界切削厚度 hzc范围内进行调整. 牵引调速使牵引速度下降 15% , 由于采煤生产率与牵引速度呈正相关关系[11] ,这将使 采煤机生产率下降约 15% . ·1219·