采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统分析

张 波

（山西阳煤翼城石丘煤业有限责任公司， 山西 翼城 045000）

在煤炭生产的过程中，采煤机始终都发挥着较大的作用。作为一个包括机械、电气和液压等诸多部分的复杂系统，其主要完成落煤和装煤两个主要的工序。截割部作为滚筒式采煤机的主要工作机构之一，其输出的总功率占据采煤机装机总功率的80%。只有保证截割部分的可靠性，才能够真正提高机器本身的可靠性。本文通过全面分析采煤机可靠性，对机电液短程截割传动系统进行全面的分析，并采取了相应的措施，才能够更好地提高截割系统的工作效率。

1 采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统改良的意义

在运用滚筒采煤机来切割煤岩体的同时，尤其煤岩体内部的强度多数存在不均匀的现象，加之煤岩体本身的脆性很大，所以使得采煤机在操作的过程中具有较大的随机性和强冲击性[1]。由于采煤机在漫长重载作业的过程中主要是通过长链齿轮系统的传递来有效地实现的。由于负荷过重，所以也就使得其摇臂的箱体会发生变形，这样使啮合的情况变得更加恶劣。如果在工作过程中一旦发现有一个齿轮失去作用，那么就会使得整个机器停止工作，从而使采煤机的可靠性降低。因此，需要全面对采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统进行全面的分析，只有这样才能够全面提高采煤机本身的性能。

2 采煤机机电液短程截割传动系统的结构和控制策略

2.1 采煤机机电液短程截割传动系统的结构

图1 机电液短程传动系统的结构

图2 机电液短程传动系统液压原理

图1 是最基本的采煤机截割传动系统图，图2是液压系统内部的原理图。一般而言，截割电机主要是三相异步交流电机，并采用电子压力切断的方式来控制变量泵出量的大小。内部的减速器主要由3个小齿轮、1 个大齿轮和1 个大齿轮合并外啮合人字齿轮行星传动系统组成。截割电机首先需要在操作的过程中先增加速度，再通过驱动变量泵组来有效地驱动定量的马达。把信息输入马达组之后，通过行星轮带动滚轮开始转动。

2.2 具体控制策略

具体操作方式如下：先需要在采煤机电控箱内部放入控制器，之后再输入截割电机的电流，以便能够更好地牵引出内部的电流和滚筒的转速。最后，其输出信号将会直接控制开关阀的状态、泵的排量和牵引机构的速度。

另外，如果泵组或者马达组中的某个元件失去功用时，那么这一元件就会在输出信号控制下有效地断开与液压系统的联系。此外，也需要有效地调整控制器在工作过程中的失效元件的功率比，从而更好地调整截割电流的给定值。只有这样才能够让传动系统本身更好地得以运行。例如，如果液压马达1失去效用，控制器就会通过信号来让电磁阀得到电流，从而再改变插装阀的工作状态，液压马达的出油口就可以因此和油箱连接在一起，从而让系统能够更好地工作。

3 各类数学模型在机电液短程截割传动系统中的运用

3.1 泵控马达模型

本文主要是采用泵控马达来替代传统截割传动过程中的长链齿轮传动系统，只有这样才能更加有效地实现短程传动和滚筒调速。其中，泵控液压马达装置的运用可以有效地实现无级调速，目前已经被广泛运用于伺服系统的操作过程中。变量泵作为主要的控制元件和主要的能源动力，通过改变泵的排量来改变马达传输的速度[2]。因此，通过对泵控马达的动态数学模型进行深入分析显得尤为重要。其中，变量泵流量方程如下：

式中：Dp为泵弧度的排放量；Kp为泵的排放梯度；φ为泵的调节角度和倾斜角度；Qp为泵输出总流量；ωp为泵本身的角速度；Cip和Cep分别为泵内、外的泄漏系数，Ps为系统内部的工作压力。

整个泵控马达模型的动态特性都和阻尼比有着直接的关系。在整个二阶系统发展的过程中，随着阻尼比的增加，其谐振峰值将会有所减小，最终才能够有缓冲和减振的效果。

3.2 蓄能器模型

蓄能器主要是为了缓冲减振和存储的能量而存在的。如果采煤机因此出现突变的情况，截割传动系统的受力状况将会变得越来越恶劣。因此，一般只能够通过蓄能器来缓冲和减振，以便更好地提高可靠性。本文是以气体波义耳定律为基础的，通过将压缩气体所产生的压力转化成气体压缩的能力，并存储。只有通过选择合适的充气压力和总容积，才能够更好地发挥作用。

由于蓄能器进入油阀的直径普遍较大，并不能真正达到减振的目的，所以，需要在蓄能器的入口处串联节流阀。节流阀压力-流量的方程如下：

式中：Q指的是蓄能器的进油流量；Cd为节流阀内部的流量系数；d为节流阀的等效通径；Ps为节流阀的入口压力；Pb指的则是蓄能器的油腔压力。

4 各均匀煤层下滚筒变转速截割

采煤机在切入煤层之后，大部分情况下，其截割阻抗将会保持不变。但是只有对截割滚筒的转速进行全面调节才能使块煤率有所提升。并在之后通过调节牵引速度使截割电机的效能达到最大。在额定工作功率下，整体牵引速度的调节也会被电机额定功率所限制。在实验的过程中，可以让其在软煤层、中煤层和硬煤层的条件下输入截割的转速正弦信号，从而更好地模拟各个均匀煤层下，滚筒变转速截割的状态。

图3 滚筒转速跟踪效果

从图3 可以看出，煤层中的滚筒转速将会对指令产生较好的跟踪效果，也进一步说明系统本身有良好的调速性能。再结合下页图4—图6 进行分析，采煤机在中硬煤层和硬煤层工作的过程中，其整体牵引的速度较低，因而牵引电机的功率也较小。牵引的速度势必会受到截割电机功率的限制，并将截割电机的工作功率始终控制在300 kW 左右。从图6 也可以看出，采煤机在三种不同的煤层下工作的过程中，其传动系统的效率都会被控制在70%以上。

5 结语

针对现有滚筒采煤机截割的可靠性和适应性差的问题设计专业的机电液短程截割传动系统，通过采用泵控马达系统来全面实现传动和滚筒的调速。通过建立泵控马达系统、蓄能器和滚筒负载的数学模型，能够更好地从理论上分析蓄能器的缓冲减振原理。

图5 不同煤层下的截割阻力

图6 不同煤层下的截割电机功率