特殊工况下采煤机截割稳态特性的研究

郑艳栋

（大同煤炭集团有限公司安全监管五人小组管理部， 山西 大同 037003）

引言

采煤机是煤矿井下重要的综采设备，作为煤矿“三机”之一，其工作时的稳定性和可靠性直接关系到井下综采作业效率和经济性。煤矿井下的综采作业环境相对恶劣，采煤机在综采作业时需要承受极大的振动、冲击。采煤机在特殊工况过程中其传动系统将承受较大的震荡，给采煤机的稳定工作造成了较大的隐患。大同煤炭集团有限公司针对MG100 型采煤机在特殊工况下振动冲击大、稳定性差的问题，成立了专门的技术攻关小组，利用MATLAB 仿真分析软件对其工作过程中的稳态特性进行分析，为优化采煤机传动系统结构、提升其工作稳定性奠定基础。

1 采煤机传动系统结构模型及分析工况

MG100 型采煤机传动系统结构模型见图1[1]。

图1 采煤机传动系统结构示意图

在进行仿真分析时，项目组根据采煤机在井下实际工作时的工作参数，同时对影响其稳态特性的因素进行分析，最终确定电机在启动工况下煤层的截割阻力为零，驱动电机工作时的转速的最大变化率为250 r/min，采煤机稳定工作时的进给速度为4.5 m/min，该采煤机在工作时采用了直接启动的方式，在截割作业过程中的转速的变化通过变频器进行调节。

当采煤机在井下发生堵转时，根据监测结果，其发生堵转时井下综采面作用在采煤机截割机构上的截割阻抗将在1.9 s 内由正常的200 kN/m 增加到约600 kN/m，作用在截割滚筒上的负载转矩在瞬间增加三倍以上。以实际监测到的采煤机在启动和阻抗工况下的运行参数为基础，设置仿真分析时的边界条件，最大限度地模拟采煤机在各工况下的实际的运行稳态特性[2]。

MG100 型采煤机工作时的驱动功率为290 kW，电机的额定转速为1 400 r/min，采煤机截割机构的传动比为44.6，工作时截割滚筒的转动惯量约为1 980 kg·m2，采煤机工作时的进给功率约为40 kW，进给部的驱动电机的功率为39 kW，工作转速为1 470 r/min，采煤机的整机重量约为45 t。

2 采煤机启动工况下的仿真分析结果

采煤机在启动工况下截割机构的转矩和啮合力变化情况分别如图2、图3 所示。

图2 采煤机启动时截割机构的电机转速和转矩变化曲线

分析图2 可知，在采煤机截割驱动电机开始工作的初期，截割机构的截割转速和截割转矩发生了剧烈的波动，特别是截割转矩波动峰值可达截割机构工作时额定工作转矩的1.67 倍，给采煤机的截割电机带来了极大的冲击。在启动过程中截割机构的转速呈现了先剧烈波动再逐渐上升至平稳的过程，这是由于在截割作业初期，截割滚筒与煤壁接触较浅，截割阻力变化较大，导致了其截割转速的波动，但其总体相对稳定，能够满足综采作业的稳定需求。

图3 采煤机启动时截割机构的啮合力变化曲线

分析图3 可知，在采煤机截割机构工作开始的时候，其传动系统的啮合齿轮发生了脱啮现象，这主要是在采煤机启动的开始时候，截割机构重量大、转动惯量大，启动转矩大而导致的，但是由于电机在启动初期的转速波动小，因此对其啮合轮齿的单边冲击较小。当采煤机进入稳定截割状态后，采煤机的驱动电机的转矩在减小的过程中同样产生了一定的波动，导致啮合轮齿间产生了双边振动冲击[3]，使采煤机在运行过程中产生噪声。

3 采煤机堵转工况下的仿真分析结果

采煤机堵转工况是指在截割作业过程中采煤机截割机构的截割阻力突然增加，导致无法正常进行截割作业而导致的驱动电机的堵转现象，为了研究在堵转工况下采煤机的稳态特性，利用仿真分析软件对此工况下的稳态特性情况进行仿真分析，结果如图4 所示。

分析图4 可知，从1.9 s 给其施加一个截割阻抗，使其由正常的200 kN/m 增加到约600 kN/m，此时所施加的负载转矩已经超出了采煤机的截割驱动电机的最大承受转矩，此时电机的截割转速以及截割转矩迅速下降，而驱动电机的工作电流则开始增加，整个变化周期约为0.6 s，在该变化周期内采煤机的截割系统将承受巨大的过载，其稳态特性受到较大的影响，因此为了确保其工作过程中的稳态特性，就需要加大系统承受过载的能力。最终电机的截割转速降低为零，其截割转矩降低为0.4 kN·m，而电机的工作电流增加为额定工作电流的3.24 倍，因此为了避免电机过热损坏，需要在系统中设置过载电流保护[4]。

图4 堵转工况下采煤机截割特性变化示意图

4 结论

1）在启动工况下，采煤机截割驱动电机开始工作的初期，截割机构的截割转速和截割转矩发生了剧烈的波动，特别是截割转矩波动峰值可达截割机构工作时额定工作转矩的1.67 倍，给采煤机的截割电机带来了极大的冲击；

2）在堵转工况下，在整个调整周期内采煤机的截割系统将承受巨大的过载，其稳态特性受到较大的影响，这就需要加大系统承受过载的能力，同时由于工作电流迅速增加，为了避免电机过热损坏，需要在系统中设置过载电流保护。