采煤机机电传动系统调速动态特性分析

工程科学学报，第39卷.第8期：1215-1223,2017年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.8:1215-1223,August 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.011;http://journals.ustb.edu.cn 采煤机机电传动系统调速动态特性分析 易园园，秦大同⑧ 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400044 区通信作者，E-mail:dtqin@cq.cdu.cn 摘要为研究滚筒调速的可行性及调速对传动系统动态性能的影响，采用MATLAB/Simulink搭建了采煤机截割-牵引耦 合机电传动系统动力学模型.针对截割部过载工况，综合考虑采煤机可靠运行和高效生产，制定了4种调速降载方案，并提 出了通过截割电机电流计算目标切削厚度、依据目标切削厚度选择调速方案的方法.最后通过仿真对比了各种调速方案下 电机和传动系统的动态啊应特性，结果表明：当截割电机过载倍数较小时，采用滚筒调速方案能够在降低系统负载的同时使 采煤生产率不受影响：当过载倍数较大时，采用牵引调速方案可获得较高的系统可靠性，而采用牵引-滚筒顺序调速方案可获 得较高的采煤生产率. 关键词采煤机：调速方案：过载保护：齿轮传动系统：机电动态特性 分类号TH132.41 Speed adjustment characteristics analysis for electromechanical transmission system of coal shearer YI Yuan-yuan,QIN Da-tong State Key Laboratory of Mechanical Transmissions,Chongqing University,Chongqing 400044,China Corresponding author,E-mail:dtqin@cqu.edu.cn ABSTRACT To investigate the feasibility of speed adjustment of the drum and the influence of speed adjustment on the dynamic performance of the transmission system,a cutting-haulage coupled model of the electromechanical transmission system of the coal shearer was established using MATLAB/Simulink.Then,considering reliable operation and efficient production,four types of speed adjustment schemes were formulated for the overload conditions of the cutting unit.The method of selecting the speed adjustment scheme was proposed according to the target cutting thickness,while the motor current was chosen as a feedback signal to calculate the target cutting thickness.Lastly,the electromechanical dynamic characteristics of the system corresponding to different adjustment schemes were simulated and compared.The results show that when the overload ratio of the cutting motor is small,using the drum speed adjustment scheme can not only reduce the system load,but also enable the coal-mining productivity to not be affected. Conversely,the system reliability can be improved when the haulage speed adjustment scheme is used,and using the haulage-drum sequential speed adjustment scheme can lead to high productivity. KEY WORDS coal shearer;speed adjustment scheme;overload protection;gear transmission system;electromechanical dynamic characteristics 采煤机是机械化、现代化采煤的主要装备，被广泛 应用于不同地质条件下的煤炭开采，如何提高采煤机 收稿日期：2016-09-22 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2014CB046304)

工程科学学报,第 39 卷,第 8 期:1215鄄鄄1223,2017 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 8: 1215鄄鄄1223, August 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 08. 011; http: / / journals. ustb. edu. cn 采煤机机电传动系统调速动态特性分析 易园园, 秦大同苣 重庆大学机械传动国家重点实验室, 重庆 400044 苣 通信作者, E鄄mail: dtqin@ cqu. edu. cn 摘 要 为研究滚筒调速的可行性及调速对传动系统动态性能的影响,采用 MATLAB/ Simulink 搭建了采煤机截割鄄鄄 牵引耦 合机电传动系统动力学模型. 针对截割部过载工况,综合考虑采煤机可靠运行和高效生产,制定了 4 种调速降载方案,并提 出了通过截割电机电流计算目标切削厚度、依据目标切削厚度选择调速方案的方法. 最后通过仿真对比了各种调速方案下 电机和传动系统的动态响应特性,结果表明:当截割电机过载倍数较小时,采用滚筒调速方案能够在降低系统负载的同时使 采煤生产率不受影响;当过载倍数较大时,采用牵引调速方案可获得较高的系统可靠性,而采用牵引鄄鄄滚筒顺序调速方案可获 得较高的采煤生产率. 关键词 采煤机; 调速方案; 过载保护; 齿轮传动系统; 机电动态特性 分类号 TH132郾 41 收稿日期: 2016鄄鄄09鄄鄄22 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目(2014CB046304) Speed adjustment characteristics analysis for electromechanical transmission system of coal shearer YI Yuan鄄yuan, QIN Da鄄tong 苣 State Key Laboratory of Mechanical Transmissions, Chongqing University, Chongqing 400044, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: dtqin@ cqu. edu. cn ABSTRACT To investigate the feasibility of speed adjustment of the drum and the influence of speed adjustment on the dynamic performance of the transmission system, a cutting鄄鄄 haulage coupled model of the electromechanical transmission system of the coal shearer was established using MATLAB/ Simulink. Then, considering reliable operation and efficient production, four types of speed adjustment schemes were formulated for the overload conditions of the cutting unit. The method of selecting the speed adjustment scheme was proposed according to the target cutting thickness, while the motor current was chosen as a feedback signal to calculate the target cutting thickness. Lastly, the electromechanical dynamic characteristics of the system corresponding to different adjustment schemes were simulated and compared. The results show that when the overload ratio of the cutting motor is small, using the drum speed adjustment scheme can not only reduce the system load, but also enable the coal鄄鄄 mining productivity to not be affected. Conversely, the system reliability can be improved when the haulage speed adjustment scheme is used, and using the haulage鄄鄄 drum sequential speed adjustment scheme can lead to high productivity. KEY WORDS coal shearer; speed adjustment scheme; overload protection; gear transmission system; electromechanical dynamic characteristics 采煤机是机械化、现代化采煤的主要装备,被广泛 应用于不同地质条件下的煤炭开采,如何提高采煤机

·1216· 工程科学学报，第39卷，第8期 对不同工况的自适应性，充分利用其截割能力，使其高 方案和牵引-滚筒协调控制方案，并与传统牵引调速 产高效并安全运行，已成为人们关注和重点研究的 方案进行了仿真对比. 课题山 实际生产中，由于煤的截割阻抗难以实时准确 现有采煤机通过调节牵引速度来实现截割电机的 获得，因此，本文通过截割电机电流来计算目标控制 恒功率保护和牵引电机的过载保护，而滚筒转速不可 量，针对截割部过载工况制定了4种调速降载方案， 调)].当牵引速度在较大范围内变化时，一种滚筒转 并通过仿真对比了各种调速方案下截割-牵引耦合 速很难保证采煤机处于截割能力强、截割比能耗小、生 系统的机电动态响应，最后综合考虑系统的可靠运 产率高等综合性能最佳的工作状态[)]：所以实际生产 行和高效生产，明确了各种方案分别适用的过载工 中常根据特定的工作面条件，采取更换齿轮副的方式 况.研究结果为实现采煤机智能化和无人化运行奠 形成多种滚简转速供选择使用.但是由于煤岩分布的 定了基础. 随机性，即使在同一工作面系统负载的变化范围也很 1采煤机截割-牵引耦合动力学模型 大，仅调节牵引速度仍无法保证与滚筒转速达到最优 匹配4-].因此，有必要研究对滚简进行无级调速，并 1.1截割部、牵引部机电传动系统动力学模型 通过与牵引调速相互配合，在保证系统不过载前提下 图1(a)、(b)分别为MG300/700-QWD型电牵引 提高采煤生产率和生产质量，增强采煤机应对复杂工 滚筒式采煤机截割部和牵引部的多级齿轮传动系统结 况的适应性和灵活性 构示意图.采用集中参数法建立系统纯扭转动力学模 关于滚筒调速，研究者已逐渐认识到其必要性： 型，并将行走轮与销排啮合等效为齿轮齿条副，将机身 张东升和杜长龙[6]为提高摇臂的工作范围设计了一 的质量转化到销排上.图中，0,62，…，0，分别表示各 种可换挡的双速截割部传动系统.马正兰[]为提高 平行轴齿轮的转角，单位为rad;0,0m,0.,0m,0g,0g, 块煤率，提出了变速截割的思路，并进行了不同截割 0。,0分别表示截割部和牵引部的太阳轮、齿圈、行星 阻抗条件下截割速度和牵引速度的优化研究.桓希 架和行星轮的转角，其中，n表示第n个行星轮(n=1, 传等[)分析了截割电机变频调速控制的必要性和可 2,3,4);0c、0分别表示截割电机转子和牵引电机转 行性.张强等[通过综合调节牵引速度和滚简转速， 子的转角.k和c分别为对应轴N(N=1,2,·,10)的 在实现采煤机恒功率作业的同时保证了工作面粉尘 扭转刚度和扭转阻尼，单位分别为N.m.rad和Nm, 浓度最小，提高了综采工作面的安全性。徐路[o]针 srad-:yu为机身位移，单位为m;Tc、Tc、T分别为 对薄煤层工作面的特点，阐述了采煤机变速截割的 截割电机电磁转矩、滚筒负载转矩和牵引电机电磁转 必要性.葛帅帅等[)以截割阻抗已知为前提计算目 矩，单位为Nm;Jc、Jc、J分别表示截割电机转子、 标切削厚度，制定了针对不同截割阻抗的滚筒调速 滚筒和牵引电机转子的转动惯量，单位为kg·m2. ■ (a) (b) 电机 行暴齿 电机 轮机构 行走轮 图1传动系统动力学模型.(a)截制部：(b)牵引部 Fig.I Dynamic models of the transmission systems:(a)cutting unit;(b)haulage unit 基于山等建立的行星齿轮机构变速过程动力学模 式中：X、M、C、K、F分别为广义坐标向量、质量矩阵、 型)]，依据牛顿第二定律建立截割部和牵引部传动系统 阻尼矩阵、刚度矩阵和外载荷向量 的扭转振动方程，并分别整理成如下式的矩阵形式 采用等效电路法在dg坐标系建立三相异步电机 MX+CX+KX=F. (1) 的空间矢量模型)，其电压方程、磁链方程、电磁转

工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 对不同工况的自适应性,充分利用其截割能力,使其高 产高效并安全运行,已成为人们关注和重点研究的 课题[1] . 现有采煤机通过调节牵引速度来实现截割电机的 恒功率保护和牵引电机的过载保护,而滚筒转速不可 调[2] . 当牵引速度在较大范围内变化时,一种滚筒转 速很难保证采煤机处于截割能力强、截割比能耗小、生 产率高等综合性能最佳的工作状态[3] ;所以实际生产 中常根据特定的工作面条件,采取更换齿轮副的方式 形成多种滚筒转速供选择使用. 但是由于煤岩分布的 随机性,即使在同一工作面系统负载的变化范围也很 大,仅调节牵引速度仍无法保证与滚筒转速达到最优 匹配[4鄄鄄5] . 因此,有必要研究对滚筒进行无级调速,并 通过与牵引调速相互配合,在保证系统不过载前提下 提高采煤生产率和生产质量,增强采煤机应对复杂工 况的适应性和灵活性. 关于滚筒调速,研究者已逐渐认识到其必要性: 张东升和杜长龙[6]为提高摇臂的工作范围设计了一 种可换挡的双速截割部传动系统. 马正兰[7] 为提高 块煤率,提出了变速截割的思路,并进行了不同截割 阻抗条件下截割速度和牵引速度的优化研究. 桓希 传等[8]分析了截割电机变频调速控制的必要性和可 行性. 张强等[9]通过综合调节牵引速度和滚筒转速, 在实现采煤机恒功率作业的同时保证了工作面粉尘 浓度最小,提高了综采工作面的安全性. 徐路[10] 针 对薄煤层工作面的特点,阐述了采煤机变速截割的 必要性. 葛帅帅等[11]以截割阻抗已知为前提计算目 标切削厚度,制定了针对不同截割阻抗的滚筒调速 方案和牵引鄄鄄滚筒协调控制方案,并与传统牵引调速 方案进行了仿真对比. 实际生产中,由于煤的截割阻抗难以实时准确 获得,因此,本文通过截割电机电流来计算目标控制 量,针对截割部过载工况制定了 4 种调速降载方案, 并通过仿真对比了各种调速方案下截割鄄鄄 牵引耦合 系统的机电动态响应,最后综合考虑系统的可靠运 行和高效生产,明确了各种方案分别适用的过载工 况. 研究结果为实现采煤机智能化和无人化运行奠 定了基础. 1 采煤机截割鄄鄄牵引耦合动力学模型 1郾 1 截割部、牵引部机电传动系统动力学模型 图 1( a)、( b) 分别为 MG300 / 700鄄QWD 型电牵引 滚筒式采煤机截割部和牵引部的多级齿轮传动系统结 构示意图. 采用集中参数法建立系统纯扭转动力学模 型,并将行走轮与销排啮合等效为齿轮齿条副,将机身 的质量转化到销排上. 图中,兹1 ,兹2 ,…,兹17分别表示各 平行轴齿轮的转角,单位为 rad;兹sg,兹rg,兹c,兹pn ,兹sg忆,兹rg忆, 兹c忆,兹pn忆分别表示截割部和牵引部的太阳轮、齿圈、行星 架和行星轮的转角,其中,n 表示第 n 个行星轮( n = 1, 2,3,4);兹MC 、兹MH分别表示截割电机转子和牵引电机转 子的转角. kN和 cN分别为对应轴 N(N = 1,2,…,10)的 扭转刚度和扭转阻尼,单位分别为 N·m·rad - 1和 N·m· s·rad - 1 ;yLH为机身位移,单位为 m;TeC 、TLC 、TeH分别为 截割电机电磁转矩、滚筒负载转矩和牵引电机电磁转 矩,单位为 N·m;JMC 、JLC 、JMH分别表示截割电机转子、 滚筒和牵引电机转子的转动惯量,单位为 kg·m 2 . 图 1 传动系统动力学模型. (a) 截割部; (b) 牵引部 Fig. 1 Dynamic models of the transmission systems: (a) cutting unit; (b) haulage unit 基于 Liu 等建立的行星齿轮机构变速过程动力学模 型[12] ,依据牛顿第二定律建立截割部和牵引部传动系统 的扭转振动方程,并分别整理成如下式的矩阵形式. M X ·· + CX · + KX = F. (1) 式中:X、M、C、K、F 分别为广义坐标向量、质量矩阵、 阻尼矩阵、刚度矩阵和外载荷向量. 采用等效电路法在 dq 坐标系建立三相异步电机 的空间矢量模型[13鄄鄄14] ,其电压方程、磁链方程、电磁转 ·1216·

易园园等：采煤机机电传动系统调速动态特性分析 ·1217· 矩方程分别如式(2)至式(4)所示 滚筒转速 截齿 U=RIk+业-ωΨp, 切削厚度 牵引速度 Uh=R,1a+Ψ-(0-o,)Ψp 2 Un=Rln+业n+o业a, 滚筒 截割电机 负载转矩 牵引阻力 牵引电机 Un=R,ln+业n+(o-a,)Ψ Ψ=(L.+L)lh+LI, 被割部 牵引部 传动系统 传动系统 业6=(L.+L)lk+Lk, (3 业n=(L+L)l+L.1e, 图3截割部和牵引部的运动学耦合关系 Ψe=(L.+Ln)lr+L Fig.3 Coupling relationship between the cutting unit and the haul- age unit of a coal shearer T。=l.5p(Ψale-Ψ1h). (4) 式中：UI、平分别为在g轴上定子的电压、电流和 力Fc、滚筒负载转矩Tc以及牵引阻力F[]的计算 磁链，单位分别为V、A、Wb;UI、乎，分别为在q轴 式分别为 上转子的电压、电流和磁链，U.、Ia、平.分别为在d轴 (h,=2Tu(1-cosBuc)/(PBucbuc), 上定子的电压、电流和磁链，U、Ik、平分别为在d轴 Fc=1000Ah,(0.3+3506), 上转子的电压、电流和磁链.，、w分别为电角速度和 dg坐标系的角速度，rad·s';R。、R分别为定子和转子 三FD 电阻，D;P为磁极对数；L、L.、L,分别为定转子互感、 定子和转子漏感，H Fum(r)heFe 将传动系统动力学方程式(1)与电机电磁转矩方程 (9) 式(4)通过如图2所示的关系进行耦合，可分别建立截 式中：B为煤体对滚简的围包角，()；P为滚简每条 割部和牵引部机电传动系统的动力学模型.图2所对应 截线上安装的截齿数：A为煤岩体材料的截割阻抗， 的截割部和牵引部的关系式分别如式(5)至式(8). kNm;b为截齿计算宽度，m:S为同一时刻参与截割 的截齿数量：D,为第s个截齿的齿尖回转圆直径，m; 电磁转矩T 电机系统 传动系统 为采煤机移动时导向部分的附加阻力系数；mu为 机械转矩T。 采煤机整机质量，kg;g为重力加速度：B为煤层倾角， (°)：∫为摩擦系数：fc为与截齿磨损程度有关的系数. 图2电机和传动系统机电耦合关系 根据以上耦合关系，在MATLAB/Simulink仿真平 Fig.2 Coupling relationship between the motor and the transmission 台搭建截割-牵引耦合动力学模型，牵引电机和截割 system 电机均采用DTC控制进行调速，使用的主要技术参数 Juc Ovc Tec Twc, (5) 见表1. Jwew Ton -TMm (6) 表1采煤机截割-牵引系统主要参数 Tc=k(0c-01)+c1(0Mc-01), (7) Table 1 Main parameters of the electromechanical system TMm=k6(0m-0o）+c6(0m-0o). (8) 主要参数 数值 式中：Tc、T分别为截割电机和牵引电机的负载转 煤体对滚筒的围包角/() 180 矩，Nm 每条截线上安装的截齿数 3 1.2截割-牵引耦合动力学模型 截齿齿尖回转圆直径/mm 1600 采煤机截割部滚简旋转割煤的同时，通过牵引部 截制电机功率/kW 300 截割电机额定电压/V 1140 向前推进，根据其工作原理可知，截割部和牵引部之间 截割部传动比 45.5 存在如图3所示的运动学耦合关系：滚简转速和牵引 牵引电机功率/kW 40 速度共同决定了截齿切削厚度，而截齿切削厚度影响 牵引电机额定电压V 380 滚简负载转矩和牵引阻力，进而影响截割部和牵引部 牵引部传动比 368.5 传动系统的动力学响应 电机调速范围/(rmin-1) 01475 其中，截齿平均切削厚度h,)、截齿平均截割阻 调速时电机转速变化率/(r.min-·s1) ±250

易园园等: 采煤机机电传动系统调速动态特性分析 矩方程分别如式(2)至式(4)所示. Uds = Rs Ids + 追 · ds - 棕追qs, Udr = Rr Idr + 追 · dr - (棕 - 棕r)追qr, Uqs = Rs Iqs + 追 · qs + 棕追ds, Uqr = Rr Iqr + 追 · qr + (棕 - 棕r)追dr ì î í ï ï ï ï ï ï . (2) 追ds = (Ls + Lm )Ids + Lm Idr, 追dr = (Lr + Lm )Idr + Lm Ids, 追qs = (Ls + Lm )Iqs + Lm Iqr, 追qr = (Lr + Lm )Iqr + Lm Iqs ì î í ï ï ï ï . (3) Te = 1郾 5p(追ds Iqs - 追qs Ids). (4) 式中:Uqs、Iqs、追qs分别为在 q 轴上定子的电压、电流和 磁链,单位分别为 V、A、Wb;Uqr、Iqr、追qr分别为在 q 轴 上转子的电压、电流和磁链,Uds、Ids、追ds分别为在 d 轴 上定子的电压、电流和磁链,Udr、Idr、追dr分别为在 d 轴 上转子的电压、电流和磁链. 棕r、棕 分别为电角速度和 dq 坐标系的角速度,rad·s - 1 ;Rs、Rr分别为定子和转子 电阻,赘;p 为磁极对数;Lm 、Ls、Lr 分别为定转子互感、 定子和转子漏感,H. 将传动系统动力学方程式(1)与电机电磁转矩方程 式(4)通过如图 2 所示的关系进行耦合,可分别建立截 割部和牵引部机电传动系统的动力学模型. 图2 所对应 的截割部和牵引部的关系式分别如式(5)至式(8). 图 2 电机和传动系统机电耦合关系 Fig. 2 Coupling relationship between the motor and the transmission system JMC 兹 ·· MC = TeC - TMC , (5) JMH 兹 ·· MH = TeH - TMH , (6) TMC = k1 (兹MC - 兹1 ) + c1 ( 兹 · MC - 兹 · 1 ), (7) TMH = k6 (兹MH - 兹10 ) + c6 ( 兹 · MH - 兹 · 10 ). (8) 式中:TMC 、TMH 分别为截割电机和牵引电机的负载转 矩,N·m. 1郾 2 截割鄄鄄牵引耦合动力学模型 采煤机截割部滚筒旋转割煤的同时,通过牵引部 向前推进,根据其工作原理可知,截割部和牵引部之间 存在如图 3 所示的运动学耦合关系:滚筒转速和牵引 速度共同决定了截齿切削厚度,而截齿切削厚度影响 滚筒负载转矩和牵引阻力,进而影响截割部和牵引部 传动系统的动力学响应. 其中,截齿平均切削厚度 hz [3] 、截齿平均截割阻 图 3 截割部和牵引部的运动学耦合关系 Fig. 3 Coupling relationship between the cutting unit and the haul鄄 age unit of a coal shearer 力 FLC 、滚筒负载转矩 TLC以及牵引阻力 FLH [15] 的计算 式分别为 hz = 2仔y · LH(1 - cos茁LC) / (P茁LC 兹 · LC), FLC = 1000Ahz(0郾 3 + 350b), TLC = 移 S s =1 FLCDs / 2, FLH = f LH [ 0郾 5mLHg(sin茁LH + fcos茁LH) + f LC移 S s =1 FLC ] ì î í ï ï ïï ï ï ïï . (9) 式中:茁LC为煤体对滚筒的围包角,(毅);P 为滚筒每条 截线上安装的截齿数;A 为煤岩体材料的截割阻抗, kN·m - 1 ;b 为截齿计算宽度,m;S 为同一时刻参与截割 的截齿数量;Ds为第 s 个截齿的齿尖回转圆直径,m; f LH为采煤机移动时导向部分的附加阻力系数;mLH为 采煤机整机质量,kg;g 为重力加速度;茁LH为煤层倾角, (毅);f 为摩擦系数;f LC为与截齿磨损程度有关的系数. 根据以上耦合关系,在 MATLAB/ Simulink 仿真平 台搭建截割鄄鄄 牵引耦合动力学模型,牵引电机和截割 电机均采用 DTC 控制进行调速,使用的主要技术参数 见表 1. 表 1 采煤机截割鄄鄄牵引系统主要参数 Table 1 Main parameters of the electromechanical system 主要参数 数值 煤体对滚筒的围包角/ (毅) 180 每条截线上安装的截齿数 3 截齿齿尖回转圆直径/ mm 1600 截割电机功率/ kW 300 截割电机额定电压/ V 1140 截割部传动比 45郾 5 牵引电机功率/ kW 40 牵引电机额定电压/ V 380 牵引部传动比 368郾 5 电机调速范围/ (r·min - 1 ) 0 ~ 1475 调速时电机转速变化率/ (r·min - 1·s - 1 ) 依 250 ·1217·

·1218· 工程科学学报，第39卷，第8期 当截割电机过载倍数较小时，切削厚度调整量相 2截割-牵引耦合系统调速方案 对较小，由当前值h,调到目标值h,可采用方案(1)和 滚简负载转矩和截割电机负载的关系式如 (2),如图5(a)所示：当截割电机过载倍数较大时，切 式(10)，联系式(10)和式(9)，绘制了表示截割电机负 削厚度调整量相对较大，由h,调到h,对应的4种方案 载转矩与切削厚度、截割阻抗关系的等值线图，如图4 如图5(b)所示：方案(3)和(4)以牵引速度变动量最 所示.图中粗实线为截割电机额定负载转矩T、对应的 小为原则选择目标牵引速度和滚筒转速：由于滚筒转 曲线.从图中可以看出，对应于某一截割阻抗，具有唯 速最大值的限制，方案(2)达不到目标切削厚度，导致 一的切削厚度使电机负载为额定值；当截割阻抗由A, 电机负载恢复不到额定值，所以此种工况下考虑采用 突增为A2,截割电机负载转矩将由额定值T、增大为 方案(1)、(3)和(4).从图中可以看出，存在某一临界 T,为使负载恢复至额定值以保护电机及齿轮传动系 切削厚度值使图中斜线的斜率为1，经推导可得，临界 统，应将切削厚度由初始值h减小为ha 切削厚度h,的表达式如式(11).在截割电机和牵引 电机变频器预设转速变化率相同的情况下，当切削厚 (10) 度大于时，滚筒调速达到目标切削厚度比牵引调速 式中：i,nc分别为截割部传动系统的传动比和传动 所需时间短：反之，滚筒调速比牵引调速所需时间长 效率 h(1-copue)Rie (11) 350 PBicin 截割电机负载转矩伥N·m 式中：R为行走轮分度圆半径，m;i为牵引部传动系 300 统传动比 由图5(b)可知，方案(2)降载能力存在局限，图6 250 给出了判断方案(2)是否适用的条件.图中阴影区边 界斜线表示的是保持滚简转速为最大值时切削厚度与 200 牵引速度的关系，斜线上的点取值为min(h,),其表达 20 式如式(12).由图可知存在判断条件：当目标切削厚 15 10 20 30 40 50 度h。>min(h,)时，采用方案(2)能够达到目标切削厚 切削厚度/mm 度，对应于图中情况I;当目标切削厚度h。<min(h,) 图4截割电机负载转矩等值线图 时，采用方案2则不能达到目标切削厚度，对应于图中 Fig.4 Contour map of the load torque of the cutting motor 情况Ⅱ.由图中可以看出初始牵引速度y越大，方 图5给出了为达到目标切削厚度h,所制定的4 案(2)适用范围越小 种调速方案：(1)只调节牵引速度，这是目前采煤机上 min(h ) (1-cosBLc)yum 普遍采用的调速方式：(2)只调节滚简转速：(3)牵 (12) PBicmax(0c) 引-滚筒联合调速；(4)牵引-滚简顺序调速.为保证 为保持截割电机及传动系统不过载，根据4种调 截割电机提供的驱动转矩不变，选择在恒转矩区间调 速方案制定了采煤机截割部过载保护调速控制流程， 速，相应的滚筒转速最大可调到32.4r·min1,即 如图7所示 max(0c)=32.4. 通过电机电流I反算电机负载转矩T的公 32r 30 30 4 2) 28 4(2) 28 h 3) 36 36 24 24 0 22 <c切削厚度/mm 60 70 3 60 切削厚度mm 20 20 7 5 牵引速度/(mmin-) 牵引速度m·min) 图5不同切削厚度调整量对应的调速方案.(a)调整量较小：(b)调整量较大 Fig.5 Speed adjustment schemes for different cutting thickness adjustment amounts:(a)small adjustment amount;(b)large adjustment amount

工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 2 截割鄄鄄牵引耦合系统调速方案 滚 筒 负 载 转 矩 和 截 割 电 机 负 载 的 关 系 式 如 式(10),联系式(10)和式(9),绘制了表示截割电机负 载转矩与切削厚度、截割阻抗关系的等值线图,如图 4 所示. 图中粗实线为截割电机额定负载转矩 TN对应的 曲线. 从图中可以看出,对应于某一截割阻抗,具有唯 一的切削厚度使电机负载为额定值;当截割阻抗由 A1 突增为 A2 ,截割电机负载转矩将由额定值 TN 增大为 T2 ,为使负载恢复至额定值以保护电机及齿轮传动系 统,应将切削厚度由初始值 hz1减小为 hz2 . TMC = TLC iC 浊C . (10) 式中:iC 、浊C 分别为截割部传动系统的传动比和传动 效率. 图 4 截割电机负载转矩等值线图 Fig. 4 Contour map of the load torque of the cutting motor 图 5 不同切削厚度调整量对应的调速方案. (a) 调整量较小; (b) 调整量较大 Fig. 5 Speed adjustment schemes for different cutting thickness adjustment amounts: (a) small adjustment amount; (b) large adjustment amount 图 5 给出了为达到目标切削厚度 hz2 所制定的 4 种调速方案:(1)只调节牵引速度,这是目前采煤机上 普遍采用的调速方式; (2) 只调节滚筒转速; (3) 牵 引鄄鄄滚筒联合调速; (4)牵引鄄鄄滚筒顺序调速. 为保证 截割电机提供的驱动转矩不变,选择在恒转矩区间调 速[11] ,相应的滚筒转速最大可调到 32郾 4 r·min - 1 ,即 max( 兹 · LC ) = 32郾 4. 当截割电机过载倍数较小时,切削厚度调整量相 对较小,由当前值 hz1调到目标值 hz2可采用方案(1)和 (2),如图 5(a)所示;当截割电机过载倍数较大时,切 削厚度调整量相对较大,由 hz1调到 hz2对应的 4 种方案 如图 5(b)所示:方案(3)和(4)以牵引速度变动量最 小为原则选择目标牵引速度和滚筒转速;由于滚筒转 速最大值的限制,方案(2)达不到目标切削厚度,导致 电机负载恢复不到额定值,所以此种工况下考虑采用 方案(1)、(3)和(4). 从图中可以看出,存在某一临界 切削厚度值使图中斜线的斜率为 1,经推导可得,临界 切削厚度 hzc的表达式如式(11). 在截割电机和牵引 电机变频器预设转速变化率相同的情况下,当切削厚 度大于 hzc时,滚筒调速达到目标切削厚度比牵引调速 所需时间短;反之,滚筒调速比牵引调速所需时间长. hzc = 2仔(1 - cos茁LC )RH iC P茁LC iH . (11) 式中:RH为行走轮分度圆半径,m;iH为牵引部传动系 统传动比. 由图 5(b)可知,方案(2)降载能力存在局限,图 6 给出了判断方案(2)是否适用的条件. 图中阴影区边 界斜线表示的是保持滚筒转速为最大值时切削厚度与 牵引速度的关系,斜线上的点取值为 min( hz),其表达 式如式(12). 由图可知存在判断条件:当目标切削厚 度 hz2 > min(hz)时,采用方案(2)能够达到目标切削厚 度,对应于图中情况玉;当目标切削厚度 hz2 < min( hz) 时,采用方案 2 则不能达到目标切削厚度,对应于图中 情况域. 由图中可以看出初始牵引速度 y · LH1 越大,方 案(2)适用范围越小. min(hz) = (1 - cos茁LC ) y · LH1 P茁LCmax( 兹 · LC ) . (12) 为保持截割电机及传动系统不过载,根据 4 种调 速方案制定了采煤机截割部过载保护调速控制流程, 如图 7 所示. 通过电机电流 IMC 反算电机负载转矩 TMC 的公 ·1218·

易园园等：采煤机机电传动系统调速动态特性分析 ·1219· ha= (0.9-1.1)h.Tx (14) 40 式中：Uc为截割电机线电压，V;cosPuc为截割电机功 I 30 率因数：0a为当前截割电机转速，r·min. 20 10 3调速过程中耦合系统机电响应特性分析 d 5 假设采煤机运行初始值为：牵引速度6m·min, 牵引速度(mmin) 滚简转速25.5rmin1,切削厚度50mm,则此时对应 图6方案(2)适用条件 的h.和min(h,)均为39.3mm.依据制定的调速控制 Fig.6 Applicable conditions for scheme 2 流程，分别比较了在截割电机过载倍数较小和较大时 采煤机运行初始值h,n8 采用不同调速方案采煤机截割-牵引耦合系统的机电 动态响应特性 3.1目标切削厚度大于min(h,)时调速过程分析 否 控制系统 无动作 假设当前截割阻抗为200kN·m,则截割电机过 载倍数为1.16.通过式(14)计算可知，要恢复至额定 计算目标切削厚度。 负载，目标切削厚度应设为43.1mm,大于min(h,),因 此采用图5(a)中的调速方案，在图中插值得到各调速 方案对应的目标值如表2所示 min(h) 表2各种调速方案对应的目标值 是 调速方案(1) Table 2 Target values corresponding to different speed adjustment 调速方案(1) 调速方案(3) schemes 调速方案2) 调速方案(4) 目标牵引速度/ 目标滚筒转速/ 调速方案 监测被割电机电流I (m'min-1) (rmin-1) (1)牵引调速 5.1 25.5 图7采煤机截割部过载保护调速控制流程图 (2)滚筒调速 6.0 29.7 Fig.7 Speed control flow chart for overload protection of the cutting unit 图8给出的分别是两种调速方案下滚筒转速和牵 引速度的变化.从图中可以看出，为达到目标值，在电 式[如式(13)，当截割电机负载转矩超过额定值T、 机转速变化率相同的条件下，滚筒调速比牵引调速用 的10%，则启动过载保护调速流程，相应的目标切削 时缩短6%，这是由于切削厚度在大于临界切削厚度 厚度ha的计算式如式(14) h范围内进行调整.牵引调速使牵引速度下降15%， T wc 9.55T UMcIMcCosPMC (13) 由于采煤生产率与牵引速度呈正相关关系[)，这将使 306wc 采煤机生产率下降约15% 30 a 10.0 10.0 滚简转速 滚简转速 25 8.3 8.3 0.87s 10.821 20 6.6 20 6.6 牵引速度 牵引速度 15 5.0 15 5.0 1.0 1.5 2.02.53.03.54.0 1.01.5 2.02.53.03.5 4.0 时间s 时间s 图8不同调速方案下系统运动特性.()牵引调速方案：(b)滚筒调速方案 Fig.8 Kinematic behavior of the system corresponding to different speed adjustment schemes:(a)haulage speed adjustment scheme;(b)drum speed adjustment scheme

易园园等: 采煤机机电传动系统调速动态特性分析 图 6 方案(2)适用条件 Fig. 6 Applicable conditions for scheme 2 图 7 采煤机截割部过载保护调速控制流程图 Fig. 7 Speed control flow chart for overload protection of the cutting unit 式[16]如式(13),当截割电机负载转矩超过额定值 TN 图 8 不同调速方案下系统运动特性. (a) 牵引调速方案; (b) 滚筒调速方案 Fig. 8 Kinematic behavior of the system corresponding to different speed adjustment schemes: ( a) haulage speed adjustment scheme; ( b) drum speed adjustment scheme 的 10% ,则启动过载保护调速流程,相应的目标切削 厚度 hz2的计算式如式(14). TMC抑 9郾 55仔 3UMC IMC cos渍MC 30兹 · MC1 , (13) hz2 = (0郾 9 ~ 1郾 1)hz1TN TMC . (14) 式中:UMC为截割电机线电压,V;cos渍MC为截割电机功 率因数;兹 · MC1为当前截割电机转速,r·min - 1 . 3 调速过程中耦合系统机电响应特性分析 假设采煤机运行初始值为:牵引速度 6 m·min - 1 , 滚筒转速 25郾 5 r·min - 1 ,切削厚度 50 mm,则此时对应 的 hzc和 min(hz)均为 39郾 3 mm. 依据制定的调速控制 流程,分别比较了在截割电机过载倍数较小和较大时 采用不同调速方案采煤机截割鄄鄄牵引耦合系统的机电 动态响应特性. 3郾 1 目标切削厚度大于 min(hz)时调速过程分析 假设当前截割阻抗为 200 kN·m - 1 ,则截割电机过 载倍数为 1郾 16. 通过式(14)计算可知,要恢复至额定 负载,目标切削厚度应设为 43郾 1 mm,大于 min(hz),因 此采用图 5(a)中的调速方案,在图中插值得到各调速 方案对应的目标值如表 2 所示. 表 2 各种调速方案对应的目标值 Table 2 Target values corresponding to different speed adjustment schemes 调速方案 目标牵引速度/ (m·min - 1 ) 目标滚筒转速/ (r·min - 1 ) (1) 牵引调速 5郾 1 25郾 5 (2) 滚筒调速 6郾 0 29郾 7 图 8 给出的分别是两种调速方案下滚筒转速和牵 引速度的变化. 从图中可以看出,为达到目标值,在电 机转速变化率相同的条件下,滚筒调速比牵引调速用 时缩短 6% ,这是由于切削厚度在大于临界切削厚度 hzc范围内进行调整. 牵引调速使牵引速度下降 15% , 由于采煤生产率与牵引速度呈正相关关系[11] ,这将使 采煤机生产率下降约 15% . ·1219·

·1220· 工程科学学报，第39卷，第8期 图9和图10给出的分别是两种调速方案下截割 转速，导致截割电机电磁转矩增大.但由于此时过载 电机电流有效值、截割电机轴扭转变形和齿圈-行星 倍数较小，电磁转矩并不会超过截割电机允许的最大 轮沿啮合线方向的相对振动速度.采用滚简调速方 过载转矩，且随着滚筒转速升高，电磁转矩和电流逐渐 案，在调速初始阶段截割电机电流瞬时增大：这是由于 减小.两种调速方案下截割电机轴扭转变形均线性减 在升速过程中，除受滚筒负载外，截割电机需要提供额 小，反映出系统负载逐渐降低的趋势：相应地，传动系 外的加速力矩来带动电机转子、传动系统和滚简提高 统振动强度随之减小，如图10所示 280m 0.22 260 滚筒调速 240 0.20MM 滚简调速 220 200 牵引调速~ 牵引调速 1800 0.16 15 2.02.53.03.5 4.0 .0 1.5 2.02.5 3.03.54.0 时间s 时间/s 图9不同调速方案下系统负载变化特性.(a)截制电机电流有效值：(b)截制电机轴扭转变形 Fig.9 Load variation characteristics of the system corresponding to different speed adjustment schemes:(a)effective current of the motor;(b)tor- sional deformation of the motor shaft 0.15 0.15 (b 牵引调速 滚简调速 0.10 0.10 0.0 0.05 -0.05 0.05 -0.10 -0.10 -0.1 1.0 1.52.02.53.03.5 4.0 -0.15052025303540 时间/s 时间 图10不同调速方案下齿圈-行星轮沿啮合线方向的相对振动速度.(a)牵引调速方案；(b)滚筒调速方案 Fig.10 Relative vibration velocity along the line-of-action of the ring-planet gear pair corresponding to different speed adjustment schemes:(a)haul- age speed adjustment scheme;(b)drum speed adjustment scheme 综合以上分析可知，当截割电机过载倍数较小 和顺序调速比牵引调速的牵引速度提高26%，使采煤 时，采用传统牵引调速方案将使采煤生产率下降：采 机生产率下降相对较少 用滚筒调速方案能够在降低电机负载至额定值的同 表3各种调速方案对应的目标值 时，保持牵引速度不降低，从而使采煤生产率不受 Table 3 Target values corresponding to different speed adjustment 影响. schemes 3.2目标切削厚度小于min(h,)时调速过程分析 目标牵引速度/ 目标滚筒转速/ 假设当前截割阻抗为250kNm',则截割电机过 调速方案 (m.min-1) (rmin-） 载倍数为1.46.通过式(14)计算可知，要恢复至额定 (1)牵引调速 4.1 25.5 负载，目标切削厚度应设为34.3mm,小于min(h,),因 (3)牵引-滚筒联合调速 5.2 32.4 此采用图5(b)中的调速方案，在图中插值得到各调速 (4)牵引-滚筒顺序调速 5.2 32.4 方案对应的目标值如表3所示. 图11给出的分别是三种调速方案下滚简转速和 图12和图13给出的分别是三种调速方案下截割 牵引速度的变化.从图中可以看出，为达到目标值，在 电机电流有效值、截割电机轴扭转变形和齿圈-行星 电机转速变化率相同的条件下，联合调速和顺序调速 轮沿啮合线方向的相对振动速度.采用联合调速方 分别比牵引调速用时缩短31%和延长7%，表明联合 案，截割电机电流在调速初始阶段瞬时增大，这是由于 调速比牵引调速能够更快地降低系统负载.联合调速 截割电机需要提供额外的加速力矩来带动截割部机械

工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 图 9 和图 10 给出的分别是两种调速方案下截割 电机电流有效值、截割电机轴扭转变形和齿圈 - 行星 轮沿啮合线方向的相对振动速度. 采用滚筒调速方 案,在调速初始阶段截割电机电流瞬时增大;这是由于 在升速过程中,除受滚筒负载外,截割电机需要提供额 外的加速力矩来带动电机转子、传动系统和滚筒提高 转速,导致截割电机电磁转矩增大. 但由于此时过载 倍数较小,电磁转矩并不会超过截割电机允许的最大 过载转矩,且随着滚筒转速升高,电磁转矩和电流逐渐 减小. 两种调速方案下截割电机轴扭转变形均线性减 小,反映出系统负载逐渐降低的趋势;相应地,传动系 统振动强度随之减小,如图 10 所示. 图 9 不同调速方案下系统负载变化特性. (a) 截割电机电流有效值; (b) 截割电机轴扭转变形 Fig. 9 Load variation characteristics of the system corresponding to different speed adjustment schemes: (a) effective current of the motor; (b) tor鄄 sional deformation of the motor shaft 图 10 不同调速方案下齿圈鄄鄄行星轮沿啮合线方向的相对振动速度. (a) 牵引调速方案; (b) 滚筒调速方案 Fig. 10 Relative vibration velocity along the line鄄of鄄action of the ring鄄planet gear pair corresponding to different speed adjustment schemes: (a) haul鄄 age speed adjustment scheme; (b) drum speed adjustment scheme 综合以上分析可知,当截割电机过载倍数较小 时,采用传统牵引调速方案将使采煤生产率下降;采 用滚筒调速方案能够在降低电机负载至额定值的同 时,保持牵引速度不降低,从而使采煤生产率不受 影响. 3郾 2 目标切削厚度小于 min(hz)时调速过程分析 假设当前截割阻抗为 250 kN·m - 1 ,则截割电机过 载倍数为 1郾 46. 通过式(14)计算可知,要恢复至额定 负载,目标切削厚度应设为 34郾 3 mm,小于 min(hz),因 此采用图 5(b)中的调速方案,在图中插值得到各调速 方案对应的目标值如表 3 所示. 图 11 给出的分别是三种调速方案下滚筒转速和 牵引速度的变化. 从图中可以看出,为达到目标值,在 电机转速变化率相同的条件下,联合调速和顺序调速 分别比牵引调速用时缩短 31% 和延长 7% ,表明联合 调速比牵引调速能够更快地降低系统负载. 联合调速 和顺序调速比牵引调速的牵引速度提高 26% ,使采煤 机生产率下降相对较少. 表 3 各种调速方案对应的目标值 Table 3 Target values corresponding to different speed adjustment schemes 调速方案 目标牵引速度/ (m·min - 1 ) 目标滚筒转速/ (r·min - 1 ) (1) 牵引调速 4郾 1 25郾 5 (3) 牵引鄄鄄滚筒联合调速 5郾 2 32郾 4 (4) 牵引鄄鄄滚筒顺序调速 5郾 2 32郾 4 图 12 和图 13 给出的分别是三种调速方案下截割 电机电流有效值、截割电机轴扭转变形和齿圈鄄鄄 行星 轮沿啮合线方向的相对振动速度. 采用联合调速方 案,截割电机电流在调速初始阶段瞬时增大,这是由于 截割电机需要提供额外的加速力矩来带动截割部机械 ·1220·

易园园等：采煤机机电传动系统调速动态特性分析 ·1221· 系统升速，导致截割电机电磁转矩增大：当过载倍数本 明显大于牵引调速的斜率，表明系统负载快速降低：顺 身已经较大时，这有可能使电磁转矩超过截割电机允 序调速比牵引调速对应曲线的斜率小，这是由于目标 许的最大过载转矩，对电机产生较大的冲击甚至使电 切削厚度处在低于临界切削厚度h范围内.随着负 机堵转.而采用牵引调速和顺序调速对截割电机造成 载逐渐降低，传动系统振动强度相应减小，如图13 的冲击较小.图12(b)中，联合调速对应曲线的斜率 所示 35 (b) 30 10.0 304 滚简转速 10.0 滚简转速 83 25 8.3 1.9s 1.38 20 6.7 20 6.7 15 5.0 15 5.0 牵引速度 1牵引速度 10 3 10 3 533 时间s 时间s 35 (c) 30 滚简转速 10.0 25 8.3 2.03s 6.7 15 5.0 牵引速度 10 3 33 时间s 图11不同调速方案下系统运动特性.(a)牵引调速方案：(b)联合调速方案；(c)顺序调速方案 Fig.11 Kinematic behavior of the system corresponding to different speed adjustment schemes:(a)haulage speed adjustment scheme;(b)haulage- drum coordination speed adjustment scheme;(c)haulage-drum sequential speed adjustment scheme 350 0.26 联合调速 创 www (b) 300 0.24 ,顺序调速 0.22 牵引调速 250 M 0.20 顺序调速 200 联合调速 牵引调速 0.18 150 0.16 3 时间s 时间s 图12不同调速方案下系统负载变化特性.(a)截割电机电流有效值：(b)截割电机轴扭转变形 Fig.12 Load variation characteristics of the system corresponding to different speed adjustment schemes:(a)effective current of the motor;(b)tor- sional deformation of the motor shaft 综合以上分析可知，当截割电机过载倍数较大时， 4结论 采用牵引调速方案能够稳定可靠地降低电机和传动系 统的负载，但采煤生产率下降较多：采用牵引-滚简联 (1)将变频电机空间矢量模型与多级齿轮传动系 合调速方案可能给电机带来较大的冲击：采用牵 统扭转振动模型集成，分别建立了采煤机截割部和牵 引-滚筒顺序调速方案可使采煤生产率受影响相对较 引部机电传动系统的动力学模型，并根据两者间运动 小，但所需调速时间较长. 学关系，采用MATLAB/Simulink搭建了截割-牵引耦

易园园等: 采煤机机电传动系统调速动态特性分析 系统升速,导致截割电机电磁转矩增大;当过载倍数本 身已经较大时,这有可能使电磁转矩超过截割电机允 许的最大过载转矩,对电机产生较大的冲击甚至使电 机堵转. 而采用牵引调速和顺序调速对截割电机造成 的冲击较小. 图 12( b)中,联合调速对应曲线的斜率 明显大于牵引调速的斜率,表明系统负载快速降低;顺 序调速比牵引调速对应曲线的斜率小,这是由于目标 切削厚度处在低于临界切削厚度 hzc范围内. 随着负 载逐渐降低,传动系统振动强度相应减小,如图 13 所示. 图 11 不同调速方案下系统运动特性. (a) 牵引调速方案; (b) 联合调速方案; (c) 顺序调速方案 Fig. 11 Kinematic behavior of the system corresponding to different speed adjustment schemes: (a) haulage speed adjustment scheme; (b) haulage鄄 drum coordination speed adjustment scheme; (c) haulage鄄drum sequential speed adjustment scheme 图 12 不同调速方案下系统负载变化特性. (a) 截割电机电流有效值; (b) 截割电机轴扭转变形 Fig. 12 Load variation characteristics of the system corresponding to different speed adjustment schemes: (a) effective current of the motor; (b) tor鄄 sional deformation of the motor shaft 综合以上分析可知,当截割电机过载倍数较大时, 采用牵引调速方案能够稳定可靠地降低电机和传动系 统的负载,但采煤生产率下降较多;采用牵引鄄鄄 滚筒联 合调速 方 案 可 能 给 电 机 带 来 较 大 的 冲 击;采 用 牵 引鄄鄄滚筒顺序调速方案可使采煤生产率受影响相对较 小,但所需调速时间较长. 4 结论 (1)将变频电机空间矢量模型与多级齿轮传动系 统扭转振动模型集成,分别建立了采煤机截割部和牵 引部机电传动系统的动力学模型,并根据两者间运动 学关系,采用 MATLAB/ Simulink 搭建了截割鄄鄄 牵引耦 ·1221·

·1222· 工程科学学报，第39卷，第8期 0.2 0.2 (a) (b) 0.1 0.1 0 0.1 -0. -0.2 -0.2 3 时间/s 时间s 0.2 0. -0.1 0.2 时间s 图13不同调速方案下齿圈-行星轮沿啮合线方向的相对振动速度.(a)牵引调速方案：(b)联合调速方案：（©）顺序调速方案 Fig.13 Relative vibration velocity along the line-of-action of the ring-planet gear pair corresponding to different speed adjustment schemes:(a)haul- age speed adjustment scheme;(b)haulage-drum coordination speed adjustment scheme;(c)haulage-drum sequential speed adjustment scheme 合系统的仿真模型 [2]Liu DD,Zhao C,Tang C R.Application of constant power con- (2)为防止截割电机和传动系统过载破坏，制定 trol of shearer based on magneto-rheological valve.I China Coal Sac,2009.34(7):988 了截割部过载保护调速控制流程和4种调速降载方 (刘丹丹，赵灿，汤春瑞.基于磁流变阀的采煤机恒功率控制 案，在此基础上对不同调速方案下系统的机电动态响 应用.煤炭学报，2009,34(7)：988) 应进行了仿真对比 [3]Liu C S,Yu X W,Ren C Y.Operating Mechanism of Drum (3)结果表明，当截割电机过载倍数为1.16时， Shear.Harbin:Harbin Engineering University Press,2010 滚简单独调速与牵引单独调速相比，电机负载降至额 (刘春生，于信伟，任昌玉.滚简式采煤机工作机构.哈尔滨： 定值所需时间缩短6%，调速后采煤生产率提高15%： 哈尔滨工程大学出版社，2010) 当截割电机过载倍数为1.46时，联合调速、顺序调速 [4]Liu S Y,Du C L,Cui XX,et al.Analysis and research on cut- ting drum movement parameters of coal drum shearer.Coal Sci 与牵引单独调速相比，电机负载降至额定值所需时间 Technol,2008,36(8):62 分别缩短31%和延长7%，调速后采煤生产率提高 (刘送永，杜长龙，崔新霞，等.采煤机滚简运动参数的分析 26%,但联合调速会对电机产生冲击.因此，当截割电 研究.煤炭科学技术，2008,36(8)：62) 机过载倍数较小时，应优先采用滚筒调速方案：当过载 [5]Qin D T,Wang Z,Hu M H,et al.Dynamic matching of optimal 倍数较大时，若追求高可靠性应优先采用牵引调速方 drum movement parameters of shearer based on multi -objective 案，若追求高生产率则应采用牵引-滚筒顺序调速 optimization.J China Coal Soc,2015,40(Suppl 2)532 (素大同，王镇，胡明辉，等.基于多目标优化的采煤机滚筒 方案 最优运动参数的动态匹配.煤炭学报，2015,40（增刊2）： 532) 参考文献 [6]Zhang D S,Du C L.Design of the transmission system's speed [1]Li X H,Li YJ,Wang C,et al.Constant power control of shearer changing mechanism of the shearer's cutting unit.Opencast Min cutting motor based on ES.Comput Syst Appl,2012,21(1):140 Technol.2005(4):31 (李晓豁，李烨健，王超.等.基于专家系统的采煤机截制电 (张东升，杜长龙.滚筒采煤机截割部传动系统变速机构的设 动机恒功率控制.计算机系统应用，2012,21(1)：140) 计.露天采矿技术，2005(4)：31)

工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 图 13 不同调速方案下齿圈鄄鄄行星轮沿啮合线方向的相对振动速度. (a) 牵引调速方案; (b) 联合调速方案; (c) 顺序调速方案 Fig. 13 Relative vibration velocity along the line鄄of鄄action of the ring鄄planet gear pair corresponding to different speed adjustment schemes: (a) haul鄄 age speed adjustment scheme; (b) haulage鄄drum coordination speed adjustment scheme; (c) haulage鄄drum sequential speed adjustment scheme 合系统的仿真模型. (2)为防止截割电机和传动系统过载破坏,制定 了截割部过载保护调速控制流程和 4 种调速降载方 案,在此基础上对不同调速方案下系统的机电动态响 应进行了仿真对比. (3)结果表明,当截割电机过载倍数为 1郾 16 时, 滚筒单独调速与牵引单独调速相比,电机负载降至额 定值所需时间缩短 6% ,调速后采煤生产率提高 15% ; 当截割电机过载倍数为 1郾 46 时,联合调速、顺序调速 与牵引单独调速相比,电机负载降至额定值所需时间 分别缩短 31% 和延长 7% ,调速后采煤生产率提高 26% ,但联合调速会对电机产生冲击. 因此,当截割电 机过载倍数较小时,应优先采用滚筒调速方案;当过载 倍数较大时,若追求高可靠性应优先采用牵引调速方 案,若追求高生产率则应采用牵引鄄鄄 滚筒顺序调速 方案. 参 考 文 献 [1] Li X H, Li Y J, Wang C, et al. Constant power control of shearer cutting motor based on ES. Comput Syst Appl, 2012, 21(1): 140 (李晓豁, 李烨健, 王超, 等. 基于专家系统的采煤机截割电 动机恒功率控制. 计算机系统应用, 2012, 21(1): 140) [2] Liu D D, Zhao C, Tang C R. Application of constant power con鄄 trol of shearer based on magneto - rheological valve. J China Coal Soc, 2009, 34(7): 988 (刘丹丹, 赵灿, 汤春瑞. 基于磁流变阀的采煤机恒功率控制 应用. 煤炭学报, 2009, 34(7): 988) [3] Liu C S, Yu X W, Ren C Y. Operating Mechanism of Drum Shear. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2010 (刘春生, 于信伟, 任昌玉. 滚筒式采煤机工作机构. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2010) [4] Liu S Y, Du C L, Cui X X, et al. Analysis and research on cut鄄 ting drum movement parameters of coal drum shearer. Coal Sci Technol, 2008, 36(8): 62 (刘送永, 杜长龙, 崔新霞, 等. 采煤机滚筒运动参数的分析 研究. 煤炭科学技术, 2008, 36(8): 62) [5] Qin D T, Wang Z, Hu M H, et al. Dynamic matching of optimal drum movement parameters of shearer based on multi - objective optimization. J China Coal Soc, 2015, 40(Suppl 2): 532 (秦大同, 王镇, 胡明辉, 等. 基于多目标优化的采煤机滚筒 最优运动参数的动态匹配. 煤炭学报, 2015, 40 ( 增刊 2 ): 532) [6] Zhang D S, Du C L. Design of the transmission system蒺s speed changing mechanism of the shearer蒺s cutting unit. Opencast Min Technol, 2005(4): 31 (张东升, 杜长龙. 滚筒采煤机截割部传动系统变速机构的设 计. 露天采矿技术, 2005(4): 31) ·1222·

易园园等：采煤机机电传动系统调速动态特性分析 ·1223· [7]MaZL.Study on Key Technology of Shearer with Variable Speed 控制策略研究.煤炭学报，2015,40(11)：2569) Cutting [Dissertation].Xuzhou:China University of Mining and [12]Liu CZ,Qin D T,Lim T C.et al.Dynamic characteristics of Technology,2009 the herringbone planetary gear set during the variable speed (马正兰.变速截制采煤机关键技术研究[学位论文].徐州： process.J Sound Vib,2014,333(24):6498 中国矿业大学，2009) [13]Han R C,Pan F,Zhi Z Y.The Direct Torgue Control Theory and [8]Huan X C,Cao G H,Wang T.Discussion on miner cutting motor Application.Beijing:Publishing House of Electronics Industry, frequency-change speed adjusting control.Shandong Coal Sci 2012 Technol,2009(1):99 (韩如成，潘峰，智泽英.直接转矩控制理论及应用。北京： (桓希传，曹广海，王涛.采煤机截割电机变频调速控制的探 电子工业出版社，2012) 讨.山东煤炭科技，2009(1)：99) [14]Yang Y,Zou J H,Qin D T,et al.High reliability electrome- [9]Zhang Q,Wang H J,Li H F.Coal winning machine's constant chanical-hydraulic short-range cutting transmission system of power and self-adaptive regulation control system based on optimi- shearer.Mech Eng,2016,52(4):111 zation of fallen dust.Mach Des Res,2015,31(1):153 (杨阳，邹佳航，秦大同，等采煤机高可靠性机电液短程截 (张强，王海舰，李宏峰.基于最优化降尘的采煤机恒功率自 割传动系统.机械工程学报，2016,52(4)：111) 适应调节控制系统.机械设计与研究，2015,31(1)：153) [15]Wang D Y,Wang Q J,Sun W.Analysis and selection of shearer [10]Xu L.Analysis on the influence of shearer parameters on lump haulage speed.Coal Mine Machinery,2012,33(10):195 coal rate in the thin coal seam.Energy Technol Manage,2016, (王丹玉，王启佳，孙维.采煤机牵引速度的分析与选择.煤 41(2):87 矿机械，2012,33(10)：195) (徐路。薄煤层采煤机参数对块煤率的影响分析.能源技术 [16]Yang J J.Research on the Affect Relationship between Shearer 与管理，2016,41(2)：87) Working Condition Parameters and Coal-Rock Hardness Disser- [11]Ge S$Qin DT,Hu M H.Research on drum shearer speed con- tation].Beijing:China University of Mining and Technology, trol strategies under impact conditions.China Coal Soc,2015, Beijing,2013 40(11):2569 (杨健健.采煤机工作状态参数与煤岩硬度影响关系研究 (葛帅帅，素大同，胡明辉.突变工况下滚筒式采煤机调速 [学位论文].北京：中国矿业大学（北京），2013)

易园园等: 采煤机机电传动系统调速动态特性分析 [7] Ma Z L. Study on Key Technology of Shearer with Variable Speed Cutting [Dissertation]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2009 (马正兰. 变速截割采煤机关键技术研究[学位论文]. 徐州: 中国矿业大学, 2009) [8] Huan X C, Cao G H, Wang T. Discussion on miner cutting motor frequency鄄change speed adjusting control. Shandong Coal Sci Technol, 2009(1): 99 (桓希传, 曹广海, 王涛. 采煤机截割电机变频调速控制的探 讨. 山东煤炭科技, 2009(1): 99) [9] Zhang Q, Wang H J, Li H F. Coal winning machine蒺s constant power and self鄄adaptive regulation control system based on optimi鄄 zation of fallen dust. Mach Des Res, 2015, 31(1): 153 (张强, 王海舰, 李宏峰. 基于最优化降尘的采煤机恒功率自 适应调节控制系统. 机械设计与研究, 2015, 31(1): 153) [10] Xu L. Analysis on the influence of shearer parameters on lump coal rate in the thin coal seam. Energy Technol Manage, 2016, 41(2): 87 (徐路. 薄煤层采煤机参数对块煤率的影响分析. 能源技术 与管理, 2016, 41(2): 87) [11] Ge S S Qin D T, Hu M H. Research on drum shearer speed con鄄 trol strategies under impact conditions. J China Coal Soc, 2015, 40(11): 2569 (葛帅帅, 秦大同, 胡明辉. 突变工况下滚筒式采煤机调速 控制策略研究. 煤炭学报, 2015, 40(11): 2569) [12] Liu C Z, Qin D T, Lim T C, et al. Dynamic characteristics of the herringbone planetary gear set during the variable speed process. J Sound Vib, 2014, 333(24): 6498 [13] Han R C, Pan F, Zhi Z Y. The Direct Torque Control Theory and Application. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2012 (韩如成, 潘峰, 智泽英. 直接转矩控制理论及应用. 北京: 电子工业出版社, 2012) [14] Yang Y, Zou J H, Qin D T, et al. High reliability electrome鄄 chanical鄄hydraulic short鄄range cutting transmission system of shearer. J Mech Eng, 2016, 52(4): 111 (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. 机械工程学报, 2016, 52(4): 111) [15] Wang D Y, Wang Q J, Sun W. Analysis and selection of shearer haulage speed. Coal Mine Machinery, 2012, 33(10): 195 (王丹玉, 王启佳, 孙维. 采煤机牵引速度的分析与选择. 煤 矿机械, 2012, 33(10): 195) [16] Yang J J. Research on the Affect Relationship between Shearer Working Condition Parameters and Coal鄄Rock Hardness [Disser鄄 tation]. Beijing: China University of Mining and Technology, Beijing, 2013 (杨健健. 采煤机工作状态参数与煤岩硬度影响关系研究 [学位论文]. 北京: 中国矿业大学(北京), 2013) ·1223·