采煤机机电短程截割传动系统实验研究_郭二斗.pdf

采煤机机电短程截割传动系统实验研究郭二斗（华阳集团一矿，山西阳泉045000）摘要：为解决采煤机传动齿轮传动系统可靠性低、自适应能力差的问题，以 MG300/700 采煤机为研究对象，提出了机电短程截割传动系统的总体设计思路和液压系统参数的匹配性设计，完成了包括电动机、液压马达、液压泵等关键部件的选型，基于 AMESim 构建机电短程截割传动系统仿真模型，并对其在载荷突变工况下采煤机截割部滚筒旋转速度的跟踪性能进行仿真分析，表明滚筒旋转速度可在短时间内调整并跟随预定设定的速度运行。关键词：采煤机机电短程截割传动液压马达液压泵滚筒旋转中图分类号：TD421.6文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0100-03引言在煤矿开采中，采煤机截割部与煤层直接接触，有工作面煤层的条件处于动态变化，反应至截割部上其所承受的载荷也处于变化状态。在重载、强烈振动以及冲击载荷的联合作用下通过摇臂传递至采煤机变速箱，从而导致变速箱内齿轮发成变形，影响采煤机的工作可靠性。因此，本文将提出一套采煤机机电短程截割传动系统，旨在解决由于重载使得采煤机摇臂、齿轮传动系统变形的问题；同时，基于机电短程截割传动系统可对滚筒旋转速度进行实时调节，保证最大截割效率的同时，提升块煤率。1采煤机机电短程截割传动系统总体设计思路本节将结合采煤机的具体工况提出机电短程截割传动系统的总体设计思路。以 MG300/700 采煤机为例，该型采煤机所应用工作面煤层的厚度范围为24 m，煤层的倾角小于 8，工作面倾角小于 35。该型采煤机的主要工作参数如表 1 所示。目前，采煤机在实际生产中主要面临着可靠性低、自适应能力差的问题，为解决上述问题可采用多电机和多液压马达相结合控制方式；但是，经对市场各类元器件和电动机的调研，同时综合考虑工作面相对狭小空间的问题，采用多电机与多液压马达相结合的控制方式在电机资源、同步控制以及变频器布置三个方面存在制约性问题1-2。因此，最终确定选用多液压马达集中驱动的方式实现对采煤机机电短程截割传动系统的设计，并在初步设计的基础上通过仿真手段对传动系统的结构和参数进行优化。2采煤机机电短程截割传动系统设计及关键部件选型在上述采煤机机电短程截割传动系统总体设计思路的指导下完成采煤机机电短程截割传动系统的布置，并对关键部件进行选型设计。2.1采煤机机电短程截割传动系统的设计本着解决当前采煤机传动系统可靠性低以及滚筒不能调速的问题，设计机电短程截割传动系统，传动结构如图 1 所示。如图 1 所示，液压传统系统实现了短程传动，解决了在重载作用下摇臂变形的问题；可以实现对采煤机滚筒旋转速度的自适应调整控制的功能，实现对工作面煤层最大切削；所采用的多液压马达的传动方式，可在其中一个部件失效时将功率运行，解决了原齿轮传动方式其中一个齿轮变形或损坏导致整机停机的问题3-4。总的来讲，采煤机机电短程截割传动系统可避免截割部在重载作用下变形导致其可靠性低的问题，即提高了整机的抗冲击能力；同时，基于机电短程截割传动系统可对滚筒旋转速度进行实时控制，提高了采煤机的切削效率和块煤率。2.2关键部件的选型2.2.1机电短程截割传动系统的匹配性设计液压泵排量公式为：收稿日期：2022-05-26作者简介：郭二斗（1973），男，山西代县人，本科，毕业于山西大同大学采矿工程专业，采矿工程师，安全副总工程师，主要从事煤矿井下安全生产工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.038工作参数参数指标采高范围/m24最大截割深度/mm800滚筒旋转速度/（r min-1）42、40、35 和 29截割部额定功率/kW2300牵引部额定功率/kW240表 1MG300/700 采煤机主要工作参数图 1采煤机机电短程截割传动系统结构牵引机构截割滚筒控制器转速传感器电流传感器阀组马达组电机泵组蓄能器减速器增速器补油路结构设计2023 年第 2 期Q=（600P）/p.（1）式中：为液压泵的效率，取 0.91；P 为液压泵的输入功率，取 300 kW；p 为液压泵输入端和输出端压力差，取 35 MPa（350 bar）。将相关参数代入式（1）中，得出液压泵在极限工况下所需的排量为 468 mL/r。在对市面上液压泵型号及性能调研的基础上，本系统将选用两个额定排量为250 mL/r 的液压泵实现控制需求。同理，在理论计算的基础上对增速齿轮传动比、液压马达排量、液压马达工作压力醒醒齿轮传动比以及人字齿轮传动比等参数进行核算。最后得出采煤机机电短程截割传动系统的主要参数如表 2 所示。2.2.2关键部件的选型在 2.2.1 中对液压元器件参数匹配性设计的基础上，并充分考虑工作面狭小的工作环境以及关键部件的性能，完成关键部件的选型。选型结果如表 3 所示。3机电短程截割传动系统仿真分析为验证所设计采煤机机电短程截割传动系统的性能，本节基于 AMESim 软件建立仿真模型，对其在不同工况下的调速性能、抗冲击能力以及运行效率进行验证5。3.1采煤机机电短程截割传动系统模型建立结合上页图 1 中采煤机机电短程截割传动系统的结构模型，对其中电机、增速齿轮、变量泵、马达、蓄能器以及减速器等均基于 AMESim软件建模后，根据其相互之间的作用关键完成整机模型的建立。基于AMESim 所构建的采煤机机电短程截割传动系统的模型如图 2 所示。3.2传动系统的调速性能验证仿真条件为待采煤机滚筒和截割电机完全启动后，为图 2 中的仿真模型施加 60 000 N m 的负载信号；滚筒旋转速度以正弦曲线控制。对滚筒旋转速度的跟踪特性进行验证，仿真结果如图 3 所示。如图 3 机电短程截割传动系统调速性能仿真结果所示，当系统引入 60 000 N m的负载信号后，采煤机截割部滚筒的旋转速度出现明显的波动，直接下降8 r/min；在经过 2 s 的短暂调整后采煤机截割部滚筒的旋转速度与其目标速度一致，具有较好的跟随特性。4结论采煤机为煤矿综采工作面的关键设备，其承担着对煤层的截割和落煤任务，对于保证综采工作面的生产效率和生产能力具有重要意义。采煤机传动齿轮传动方式可靠性低且调速性能差，其无法满足实际生产中所承受的动态载荷变化的工况。基于上述问题，本文提出了机电短程截割传动系统的方式，并总结如下：1）机电短程截割传动系统的多液压马达传动方式，可以解决当其中传动部件发生故障时也可将功率运行，避免其整机停机。2）通过仿真分析，在滚筒承受的载荷发生突变时，滚筒旋转速度可在短时间内调整并跟随预定设定的速度运行，即实现了采煤机滚筒转速的自适应控制。参考文献1杨阳，袁瑷辉，邹佳航，等.采煤机机电液短程截割传动系统设计与性能分析J.煤炭学报，2015（11）：2558-2586.2杨阳，邹佳航，秦大同，等.采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统J.机械工程学报，2016，52（4）：111-119.3刘长钊，秦大同，廖映华.采煤机截割部机电传动系统动力学特性分析J.机械工程学报，2016，52（7）：14-22.4郑芝艳，王义亮，杨兆建.滚筒式采煤机截割部机电联合仿真J.矿业研究与开发，2019，39（7）：105-109.5苏秀平，李威，徐志鹏.采煤机工作面截割试验分析J.煤炭学报，参数名称参数指标变量泵额定排量/（mL r-1）2250液压马达额定排量/（mL r-1）160增速器传动比0.655溢流阀卸荷压力/MPa35行星齿轮传动比5.562 5人字齿轮传动比9表 2采煤机机电短程截割传动参数关键部件型号关键参数电动机YBC3-300额定功率 300 kW，额定转速 1 475 r/min，外形尺寸 590 mm990 mm变量泵A4VSG250H额定排量 250 mL/r，额定压力 35 MPa（350 bar），最大转速 2 200 r/min液压马达A2FM160额定排量 160 mL/r，额定压力 40 MPa（400bar），最大转速 4 000 r/min表 3机电短程截割传动系统关键部件选型图 2采煤机机电短程截割传动系统仿真模型图 3机电短程截割传动系统调速性能仿真结果马达组转速信号泵组增速齿轮蓄能器负载信号滚筒惯量减速器截割电机45403530252015105010152005时间/s滚筒转速/（r min-1）实际值目标值郭二斗：采煤机机电短程截割传动系统实验研究101机械管理开发第 38 卷Experimental Study on Electromechanical Short Range Cut-off Transmission System of CoalMining MachineGuo Erdou（Huayang Group No.1 Mine,Yangquan Shanxi 045000）Abstract:In order to solve the problems of low reliability and poor self-adaptive capability of the gear transmission system of coal miningmachine,the general design idea of electromechanical short-range cut-off transmission system and the matching design of hydraulic systemparameters are proposed with MG300/700 coal mining machine as an example,and the selection of key components including motor,hydraulic motor and hydraulic pump is completed;the simulation model of electromechanical short-range cut-off transmission system isconstructed based on AMESim,and the simulation of the rotational speed of the cut-off drum of the coal mining machine under the suddenchange of load is investigated.The simulation model of electromechanical short-range cut-off transmission system is built based onAMESim,and the tracking performance of the rotating speed of the cut-off drum of coal mining machine under the sudden change of loadis simulated and analyzed.It is indicated that the drum rotation speed can be adjusted in a short time and followa predetermined set speed.Key words:coal mining machine;electromechanical short-range cut-off transmission;hydraulic motor;hydraulic pump;drum rotation图 4-2 中 A-局部所示，详见图 8。3结语这个空心卷线托架盘，根据机械机构设计，使用过程中以弹簧、滚珠、齿轮等作为挂线盘的锁定和解锁保护结构，按照 4 步完成卷线的