采煤机截割与牵引功率匹配的理论方法

刘春生, 陈晓平

(黑龙江科技学院 机械工程学院,哈尔滨 150027)

采煤机截割与牵引功率匹配的理论方法

刘春生, 陈晓平

(黑龙江科技学院 机械工程学院,哈尔滨 150027)

采煤机截割功率与牵引功率的合理匹配,直接影响到采煤机的牵引性能、生产能力和装机功率与生产率的比值。根据采煤机截割和牵引功率与整机参数、煤层条件的关系,导出了截割与牵引功率相关联的数学模型。在已知采煤机截割功率的基础上,给出了牵引功率等参数的计算方法,结合具体采煤机机型进行定量数值模拟,获得了截割与牵引功率的比值随不同工作参数变化的曲线。数值模拟反映了牵引速度随煤层倾角的变化规律和牵引速度的有效工作区域。这一方法对采煤机的选型、合理使用、功率等参数的设计有着理论和应用意义。

采煤机;截割功率;牵引功率;参数匹配;数学方法

Abstract:The reasonable matching of cutting power and traction power has a direct effect on the traction perfo rmance,the production capacity,the ratio of installed power,and productivity.This paper describes the developmentof themathematicalmodel related to cutting and traction power according to the relationship between cutting power and traction power of shearer on the one hand and overall parameters and seam conditions on the other hand.The paper provides the method of calculating the parameters of traction power,based on the given cutting power of shearer,a quantitative numerical simulation,combined with the concrete shearer type,and the curves of ratios of cutting power and traction power varying with differentworking parameters.The numerical simulation shows that the values reflect the law varying with traction speeds and coal seam dip angles,the law of traction speeds varyingwith coal seam dip angles,and the effective work area of traction speeds.This method is of theoretical and practical for type selection,fair use of shearer and fairmatching design of the parameters of traction power and so on.

Key words:shearer;cutting power;traction power;parametermatching;mathematicalmethod

为实现采煤机高效生产,采煤机截割和牵引电动机需在相互平衡状态下运转。因此,采煤机截割功率与牵引功率的合理配置,是采煤机设计的最基本要素。牵引能力不足将导致截割功率不能充分发挥;牵引能力过大,超过截割承担能力,会带来设计难度、安全强度等其它不良的问题[1-3]。目前,关于采煤机截割与牵引功率的匹配问题以及牵引功率、牵引速度和牵引力的参效问题,尚无一个确切的标准,缺乏理论依据。为此,笔者着重探讨多电机横向布置、中厚煤层采煤机截割与牵引功率匹配等参数的设计问题。

1 截割功率与牵引功率的匹配

在采煤机截割功率和主要技术参数已知的条件下,确定牵引功率[4-5]。在一定工况下或一定范围工况下,使得截割功率与牵引功率到达基本匹配。

1.1 牵引力及牵引功率

采煤机牵引力与牵引方式有关。在采煤机设计时,采用牵引力阻力构成比重估算法。即

式中:F——采煤机牵引力,kN;

割阻力的 0.6～0.8倍,计算取 0.8,kN,

PH——驱动单截割部电机的额定功率,kW;

ηj——截割部的传动效率,取ηj=0.8;

n——螺旋滚筒的转速,r/min;

Dc——螺旋滚筒的直径,当截割功率已确定时,计算滚筒产生的截割阻力时,取滚筒直径与滚筒转速乘积数值小者,nDc=min{n(i)·Dc(j)},m;

±Gsinα为采煤机下滑力 (向上牵引时取 +号),其占总牵引阻力的比重,当工作面倾角达到 35°,且向上牵引时,约为 50%～60%(取 55%)。该项阻力可按式 Gsinα计算。经整理,由式 (1)得

对于双驱动采煤机,牵引功率为

式中:Pq——采煤机单牵引电机功率,kW;

k4——双电机牵引系数,k4=1.2;

ηq——牵引部传动效率,取ηq=0.75;

vq——采煤机设计牵引速度,m/min。

当截割功率已确定时,则采煤机牵引速度受单截割割电动机功率 PH的限制,即

1.2 牵引功率与截割功率匹配关系

由式 (2)和 (3)得,在截割功率和采煤机总体技术参数给定的条件下[6-7],牵引功率与截割功率关系 (验算公式)为

以截割功率 2×400 kW相同的采煤机为例,在采煤机的实际参数已确定的条件下,进行验算,计算结果见表 1;在不同截割功率下,采煤机牵引功率与计算出的牵引功率的对比,见表 2。

表 1 相同截割功率的牵引参数计算值Table 1 Calculation values of traction parameters of same cutting power

表 2 不同截割功率的牵引参数计算值Table 2 Calculation values of traction parameters of different cutt ing powers

2 截割功率与牵引功率的关系模型

2.1 截割功率

螺旋滚筒的截割功率采用单位生产力所消耗的能量方法来计算[3],即

式中:Pj——采煤机实际截割总功率,截割部分别驱动时,通常 Pj=2PH,kW;

d——滚筒的有效截深,m;

k1——功率利用系数,分别驱动时,k1=0.8;

k2——功率水平系数,自动调速时,k2=0.95;

k3——后滚筒的工作条件系数,一般 k3=0.8。

式(5)整理可得单个截割部驱动电机的额定功率(或按前滚筒满截割条件下确定)

2.2 截割与牵引功率的关系模型

前述分析和计算显示,采煤机截割与牵引功率间有其内在的数学关系。将式 (4)和 (6)整理得其功率的设计公式,即

该式可获得截割功率和牵引功率比值与煤层倾角和牵引速度的关系。

3 模拟分析

推导的牵引功率公式 (7)中,第一项主要反映了在截煤过程中消耗的牵引功率,第二项主要是克服下滑力消耗的牵引功率,式中给出了截割功率、牵引功率与采煤机整体主要参数 (滚筒截深、直径和转速,煤质、煤层厚度和倾角,机重以及牵引速度等参数)的数学关系。以MG400/940—WD采煤机为实例,截割与牵引功率比值随牵引速度和煤层倾角而改变的仿真曲线,如图 1所示。

图 1 功率比与牵引速度和煤层倾角关系Fig.1 Relation surface between ratios of traction power to cutting power and traction speeds&coal seam dip angles

在煤层倾角α分别为 0°、15°和 35°时,截割和牵引功率的比值与牵引速度关系的曲线,如图 2所示。在牵引速度 vq分别为 4、6和 8 m/min时,截割和牵引功率的比值与煤层倾角关系的曲线,如图 3所示。

当牵引额定功率 2Pq=2×55 kW、截割额定功率 (PH=400 kW或 PH=500 kW)确定的条件下,牵引速度随着煤层倾角的变化及工作牵引速度的范围,见图 4。

图中:当 PH=400 kW时,1为截割限定的最大牵引速度,1’为牵引速度随着煤层倾角的变化曲线;当 PH=500 kW时,2为截割限定的最大牵引速度,2’为牵引速度随着煤层倾角的变化曲线;3为采煤机额定牵引速度。在曲线 1’(2’)与 1(2)交点b(a)以下才是牵引速度的工作区域。

图 4 牵引速度与煤层倾角关系Fig.4 Relation curve between traction speeds and coal seam dip angles

4 结束语

牵引功率与截割功率的比值随工作条件和工作参数的不同而变化,且随采煤机牵引速度与工作面倾角的增大而增大。在给定的额定牵引功率和截割功率下,可计算出采煤机牵引速度的工作范围。计算参数与实际是吻合的。该计算结果为截割功率与牵引功率的合理配置和关键参数的合理确定提供理论方法。

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(编辑 晁晓筠)

Theoreticalmethod ofmatching between traction power and cutting power of shearer

LIU Chunsheng, CHEN X iaoping
(College ofMechanical Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

TD421.61

A

1671-0118(2011)01-0057-04

2010-12-09

国家自然科学基金项目(51074068);黑龙江省国际科技合作重点项目(WB01104)

刘春生 (1961-),男,山东省牟平人,教授,研究方向:机械设计和液压传动与控制,E-mail:liu-chunsheng@163.com。