基于MATLAB的刮板输送机软启动仿真研究

朱文清

（潞安集团五阳煤矿，山西 长治 046205）

刮板输送机是煤矿井下综采作业的核心设备。随着井下综采作业效率的不断提升，对刮板输送机功率的需求越来越大，重型刮板输送机在工作时的启动主要是通过驱动电机、液力耦合器、减速器等共同组成的软启动系统来实现柔性启动，但其在启动过程中仍然存在着满载工况或者带负载启动时振动冲击大，对链条传动系统造成了严重的影响，导致链条断裂、轮齿受力变形等；同时启动时的电流冲击极大，严重影响了煤矿井下供电系统的供电安全性，给刮板输送机的安全运行造成了极大的隐患。因此，迫切需要对刮板输送机的软启动过程进行仿真分析，探索各装置对其软启动特性的影响，为优化刮板输送机软启动系统、提升启动过程稳定性提供依据。本文采用了先构建传动系统动力学模型然后利用MATLAB 仿真分析软件进行仿真的方案对其启动特性进行研究，具有较强的应用参考价值。

1 传动系统动力学模型的建立

为了对刮板输送机传动系统构建适宜的动力学分析模型，本文采用隔离分析法分别构建传动系统各结构的动力学模型，刮板输送机传动系统的动力学模型结构见图1[1]。

图1 刮板输送机传动系统动力学结构

刮板输送机驱动电机的动力学模型在建立时可采用适当化简的方案，以一条直线来表征其工作时的机械特性，即：

式中：Td为刮板输送机驱动电机工作时的实际输出力矩；Te为驱动电机的额定输出力矩；vd为驱动电机工作时的实际转速；v0为驱动电机的同步输出转速；ve为驱动电机的额定输出转速。

假设刮板输送机的液力耦合器在工作时不存在特性跌落，因此可利用该特性构造出一个与液力耦合器的工作外特性曲线符合的分析函数，以此构造的分析函数为基础，来对刮板输送机液力耦合器工作时的特性进行研究。液力耦合器在充液过程中的特性方程可表示为[2]：

式中：Tc为液力耦合器的传递力矩；μ，δ 为常数，本文取μ=2.5，δ=8.72；ρ 为液力耦合器的实际充液量；ρ0为液力耦合器的理论充液量；Vc为液力耦合器泵轮的理论转速；Vw为液力耦合器泵轮的实际输出转速，j 为减速器的传动比，j=Vw/Vd。

链传动系统是刮板输送机的动力源，刮板输送机在启动的时候链条只承受拉力，为了确保链传动系统的正常运行，需要对链条进行一定的预紧，确保在启动过程中不会出现过大的松弛。因此在对链传动系统进行分析时可假设链传动为线性结构，其工作时的弹性振动可用波动方程进行表述，因此本文结合实际分析，采用有限段单元法对刮板输送机系统的链传动模型进行分析，其链传动系统的动力学微分方程可表示为[3]：

式中：M 为各质量单元构成的质量矩阵；C 为各质量单元阻尼所构成的阻尼矩阵；K 为各质量单元刚度所构成的刚度矩阵；FX为各质量单元在外力下构成的列阵；X"为系统的加速度阵列；X′为系统的速度阵列；X 为系统的位移阵列。

2 MATLAB仿真分析研究

利用MATLAB 仿真分析软件[4]创立刮板输送机驱动系统的数学仿真分析模型。由于刮板输送机在启动过程中需要较大的启动力矩，因此，为了获得较大的可应用启动力矩，应该合理的选择液力耦合器工作时的充液流量。充液流量Q 能够有效的反应出其工作时的充液速度，通过对液力耦合器工作时充液情况下刮板输送机驱动电机力矩和链传动系统链条速度变化的仿真，即可分析出液力耦合器在不同充液流量下对刮板输送机启动过程的影响。

不同流量下电机输出力矩的变化曲线见图2，链条速度的变化曲线见图3。

图2 不同流量下电机输出力矩的变化曲线

图3 不同流量下链条的速度变化曲线

由仿真分析结果可知，在当耦合器的充液流量为150 L/min 时其启动过程中电机的最大力矩值约为7 700 N·m，当耦合器的充液流量为100 L/min 时其启动过程中电机的最大力矩值约为7 100 N·m；因此，通过增加耦合器的充液流量能够有效的提升耦合器启动时的力矩值。当耦合器的充液流量降低时不但会导致启动时的力矩值降低，而且将导致链条工作时的蠕动时间增加，使液力耦合器发热严重，故在实际工作时应该根据刮板输送机的实际工作情况合理的设定耦合器的充液流量，以提升刮板输送机工作时的稳定性和可靠性。

链传动系统链条阻尼对刮板输送机启动过程的影响见图4。

图4 不同阻尼情况下刮板输送机链条速度的变化曲线

由仿真分析结果可知，刮板输送机链传动系统上链条工作时的阻尼直接决定了刮板输送机工作时链条速度震荡的衰减速度，其阻尼系数越大链条速度震荡越小，工作时的稳定性就越高。

3 结语

本文通过建立刮板输送机传动系统的动力学分析模型，利用MATLAB仿真分析软件对其工作过程中不同充液流量及链条阻尼对软启动过程的影响进行了研究，结果表明：

1）通过增加耦合器的充液流量能够有效的提升耦合器启动时的力矩值，当耦合器的充液流量降低时不但会导致启动时的力矩值降低，而且将导致链条工作时的蠕动时间增加，使液力耦合器发热严重。

2）刮板输送机链传动系统上链条工作时的阻尼直接决定了刮板输送机工作时链条速度震荡的衰减速度，其阻尼系数越大链条速度震荡越小，工作时的稳定性就越高。