路 鑫

（山西焦煤西山煤电古交煤焦公司， 山西 古交 030200）

引言

采煤机为煤矿现代综采装备，其应用直接提升了煤矿工作面的综采效率，降低现场作业人员劳动强度并保证了人员、设备的安全性。采煤机截割部为直接与煤层接触的部件，其性能直接决定截割效率和截割成本。传统采煤机截割部传动系统主要以多级传动齿轮为主，在实际生产中主要表现为摇臂容易变形、传动链过长以及滚筒转速不可调的问题[1]。

为提升采煤机对综采工作面的适应性和可靠性，本文重点开展多源驱动采煤机截割传动系统的动态特性和调速降载方案研究，并建立实验平台对研究成果进行验证。

1 采煤机截割部传动系统动力学模型

采煤机截割部为直接与煤层、岩层接触的部件，由于煤层、岩层条件不均匀导致截割部所承受的载荷处于动态变化状态；加之采煤机截割部传动系统本身结构缺陷导致其传动链过长。总之，采煤机截割部传动系统在实际生产中主要问题表现为截割转速不可调，对工况适应性差[2]。本节以MG300/700-WD 采煤机为研究对象，重点建立截割部传动系统的动力学模型，该型采煤机的主要参数如表1 所示。

表1 MG300/700-WD 采煤机关键参数

该型采煤机截割部传动系统主要由截割电机、耦合轮系（直齿圆柱齿轮轮系）、行星轮系和截割滚筒组成。由直齿圆柱齿轮轮系与行星轮系相结合的传动核心可极大缩减采煤机截割传动链，对于提升采煤机自适应生产能力具有重要意义。

基于MG300/700-WD 采煤机的相关参数，分别建立截割部截割电机、直齿圆柱齿轮轮系、人字齿行星轮系、滚筒以及各连接轴的动力学模型，并根据各动力学模型的相互关系建立采煤机的截割部传动系统的动力学模型，如图1 所示。

图1 采煤机截割部传动系统动力学模型

2 采煤机截割部传动系统实验研究

鉴于采煤机在实际生产中其截割部所承受的载荷处于动态变化状态，为保证采煤机在不同工况下均可保持高效、安全的运行状态，需为其配置合理的调速方案实现对采煤机截割部滚筒转速、牵引速度的控制[3]。可采用的控制方案包括有仅调整牵引速度、仅调整滚筒截割速度、同时对牵引速度和截割速度进行联合控制、顺序控制。本文将对上述四种调速方案下对应整个系统的相应特性进行实验研究。

2.1 实验平台的搭建

根据采煤机截割传动系统动态特性研究内容，设计如下页图2 所示的试验平台。

如图2 所示，所建立的实验平台包括有测功机、液压制动器、升速箱、5 套转速转矩传感器、飞轮、人字齿行星轮系、转矩耦合轮系以及驱动电机。测功机主要作用是对本次实验平台所添加的负载转矩进行检测，保证所添加的负载与设定值一致。

图2 采煤机截割部传动系统动态性能验证实验平台

2.2 实验结果分析

基于如图2 所示的实验平台对不同调速方案下系统的响应特性进行验证。实验结果具体分析如下：

2.2.1 调整牵引速度时系统的响应特性

设定的实验背景如下：当采煤机截割部所承受的负载由180 kN·m 增大至210 kN·m，截割部电机转速不变并保持在1 150 r/min。通过对牵引速度进行调整保证其具有较强的适应能力，对应牵引速度从5.4 m/min 减小为4.6 m/min。

截割阻抗增大的时间点为17 s。通过对采煤机截割部滚筒转速和滚筒负载的变化情况反映截割部传动系统的动态响应特性，如图3 所示。

图3 牵引调速时系统的动态响应特性

如图3 所示，当截割部滚筒所承受的负载增大时，基于直接转矩控制方式下对应滚筒转速先降低后稳定在给定值；同时，当截割部滚筒负载增大时，在牵引调速的控制作用下，最终截割部负载稳定在突变前的值，耗时约4 s，从而达到调速降载的控制效果。

2.2.2 调整截割速度时系统的响应特性

设定的实验背景如下：当采煤机截割部所承受的负载由180 kN·m 增大至210 kN·m，牵引部电机转速不变并保持在5.4 m/min。通过对截割速度进行调整保证其具有较强的适应能力，对应截割速度从1 150 r/min 增大至1 400 r/min，调整时长为2 s。

截割阻抗增大的时间点为17 s。通过对采煤机截割部滚筒转速和滚筒负载的变化情况反映截割部传动系统的动态响应特性，如图4 所示。

图4 截割调速时系统的动态响应特性

如图4 所示，当截割部滚筒负载增大时，在截割调速的控制作用下，最终截割部负载稳定在突变前的值，耗时约2.5 s，从而达到调速降载的控制效果。

2.2.3 牵引- 截割联合调速时的响应特性

设定的实验背景如下：当采煤机截割部所承受的负载由180 kN·m 增大至210 kN·m，牵引部电机转速从5.4 m/min 将为4.7 m/min，对应截割速度从1 150 r/min 增大至1 400 r/min，调整时长为2 s。

截割阻抗增大的时间点为17 s。通过对采煤机截割部滚筒转速和滚筒负载的变化情况反映截割部传动系统的动态响应特性，如下页图5 所示。

如图5 所示，采煤机滚筒转速与截割电机变化趋势一致。截割部滚筒负载增大时，在截割牵引联合调速的控制作用下，最终截割部负载稳定在突变前的值，耗时约1 s，从而达到调速降载的控制效果。

图5 截割牵引联合调速时系统的动态响应特性

2.2.4 顺序调速时系统的响应特性

设定的实验背景如下：当采煤机截割部所承受的负载由180 kN·m 增大至210 kN·m，牵引部电机转速从5.4 m/min 降为5.2 m/min 后，截割速度从1 150 r/min 增大至1 460 r/min，牵引速度从5.2 m/min 增大为5.4 m/min。

截割阻抗增大的时间点为17 s。通过对采煤机截割部滚筒转速和滚筒负载的变化情况反映截割部传动系统的动态响应特性，如下页图6 所示。

如图6 所示，采煤机滚筒转速与截割电机变化趋势一致。截割部滚筒负载增大时，在顺序调速的控制作用下，最终截割部负载稳定在突变前的值，耗时约2.5 s，但是该种调速方式存在一定的滞后性，从而达到调速降载的控制效果。

图6 顺序调速时系统的动态响应特性

3 结论

1）当截割部滚筒负载增大时，在牵引调速的控制作用下，最终截割部负载稳定在突变前的值，耗时约为4 s；

2）当截割部滚筒负载增大时，在截割调速的控制作用下，最终截割部负载稳定在突变前的值，耗时约为2.5 s；

3）截割部滚筒负载增大时，在截割牵引联合调速的控制作用下，最终截割部负载稳定在突变前的值，耗时约1 s；

4）截割部滚筒负载增大时，在顺序调速的控制作用下，最终截割部负载稳定在突变前的值，耗时约2.5 s，但是该种调速方式存在一定的滞后性。