电动机加液力变矩器驱动下的采煤机性能分析.pdf

第 44卷 第 “期 2018年 6 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 6 Jun. 2018 文章编号671-251X201806-0046-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017090044 电 动 机 加 液 compared with frequency-convention traction, at the same cutting speed, cutting traction with hydraulic torque converter can increase output torque which increases with reducing of traction speed, and the maximum output torque of hydraulic torque converter greatly exceeds that of frequency converter; and under the condition of low speed cutting traction, cutting traction with hydraulic torque converter can increase output torque of walking wheel and increase traction capacity of shearer, which has important significance for cutting of thin seam and coal seam with large resistance. Key words coal mining； shearer; cutting traction； driving mode; traction capacity; hydraulic torque converter; motor 收稿日期 2017-09-18;修回日期 2018-04-20;责任编辑 胡娴。 作者筒介 吴森峰（ 1978 ），男，河南新乡人，讲师，工程硕士，研究方向为控制工程、机电一体化，E-mailryuecao87126. com。 引用格式 吴森峰.电动机加液力变矩器驱动下的采煤机性能分析工矿自动化，2018，446 46-51. WU Senfeng. Perance analysis of shearer driven by motor and hydraulic torque converter[J]. Industry and Mine Automation， 2018,44646-51. 2 0 1 8 年 第 6 期吴 森 峰 电 动 机 加 液 力 变 矩 器 驱 动 下 的 采 煤 机 性 能 分 析 .引言.引言 目前， 对于薄煤层及截割阻力较大的煤层， 往往 存在采煤机牵引功率与截割功率不匹配的现象， 导 致采煤机在截割相关煤层时输出转矩不足， 严重影 响采煤机的截割牵引效率， 尤其在薄煤层截割牵引 时 ， 由于采煤机配备的牵引电动机功率普遍较小， 当 截割复杂煤层时， 这种影响更为严重[14]。 随着现代煤矿向高产高效的方向发展， 对采煤 机牵引功率的要求也越来越高。目前采煤机主要采 用电动机加变频器的驱动方式牵弓I， 该方式虽然可 以在一定范围内实现无极变速， 并可在一定程度上 节省电能， 但由变频电动机的矩频特性可知， 当截割 牵引速度低于额定功率对应的牵引速度时， 变频电 动机为恒转矩输出， 难以满足低速截割复杂煤层需 要更大输出转矩的要求。针对该问题， 笔者提出了 电动机加液力变矩器的驱动方式， 该方式不仅可以 在一定速度范围内实现采煤机牵引的自动无极变 速 ， 而且与变频电动机截割牵引相比， 提高了采煤机 的最大输出转矩； 另外， 液力变矩器的输出转矩随着 牵引速度的降低而增大， 这对于低速截割是十分有 利的[ 5 6]。以 MG7501860-G D 型采煤机为例， 分析 了采用电动机加液力变矩器驱动方式下的采煤机 性能。 1电动机与液力变矩器的合理匹配理论分析电动机与液力变矩器的合理匹配理论分析 电动机与液力变矩器的匹配特性是指电动机的 机械特性与液力变矩器输入特性所决定的共同工况 点的分布特性。 1.1 电动机机械特性 由采煤机的工作特点可知， 理想情况下采煤机 牵引特性曲线为等轴双曲线， 而采煤机一般采用 三相异步电动机牵弓I， 其输出机械特性曲线为硬特 性曲线（ 图 1 无法直接满足采煤机的工作特性要 求 。为了解决这一问题， 可以在电动机后续传动装 置上增设液力变矩器， 且应保证电动机与液力变矩 器的合理匹配。 1.2 液力变矩器的选用 由于采煤机在截割牵引和空跑时的速度变化剧 烈 ， 工作条件苛刻， 所 以 ， 选用液力变矩器时应注意 以 下 2 点[ 7 - 1 0 ] 1液力变矩器的最高效率要高且高效范围要 宽 。由于电动机具有硬特性特点， 且采煤机在不同 工况下的牵引速度变化范围较宽， 所 以 ， 当与之匹 61三相异步电动机机械特性曲线 Fig. 1 Mechanical property curve of three-phase asynchronous motor 配的液力变矩器效率较高且高效范围较宽时， 可充 分利用电动机的功率。 “ 液力变矩器的透过性要求。对于采煤机而 言 ， 采用不透过性的液力变矩器将不利于电动机功 率的合理利用。因此， 应选用具有一定透过性的液 力变矩器， 使电动机在一定范围内工作， 充分利用电 动机的功率。三相异步电动机具有硬特性特点， 速 度变化范围较小， 这就要求液力变矩器的透过性不 能太大。 1 液力变矩器透过性分析 图 1 中 A 点为最大转矩点， 当载荷超过A 点转 矩时， 电动机将堵转， 此时电流迅速上升6〜7 倍 ， 造 成电动机严重过热以致烧坏。B 点为电动机的额定 转矩点， 电动机在该点运转时功率因数最高。C 点 为电动机工作效率最大的点， 位 于 3/4额定功率处。 从电动机的特性可知， 电动机在B 点 和 C 点之 间运转是比较理想的， 但为了充分利用电动机的功 率 ， 提高采煤机适应超载工况的能力， 可考虑电动机 特性曲线与液力变矩器输入特性曲线匹配的工作范 围在A 点和 C 点之间。由于采煤机的截割牵引为 连续作业， 所 以 ， 电 动 机 与 液 力 变 矩 器 在 A 点和 B 点之间匹配时， 在 A 点右边的第1 个工况点联合 工作时， 超载只能是瞬时的。 由以上分析可知， 选择何种透过性的液力变矩 器是电动机和液力变矩器合理匹配的关键[1115]。 由采煤机的实际工况可知， 截割牵引是其耗费功率 最多的工况， 匹配时应以采煤机在相应牵引速度下 具有较高的输出转矩为出发点， 即要求液力变矩器 变矩能力较高的工况点（ A。 点） 匹配在电动机的最 大转矩点A 点） 。但是电动机不宜长时间工作在最 大转矩点， 因此， A。 点应考虑在A 点以下。对于启 动变矩能力较强的液力变矩器， 可考虑将额定功率 点点） 作为匹配点； 对启动能力较差的液力变矩 器 ， 可 考 虑 在 A 点 和 B 点 中 间 选 择启动工况匹 48 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 配点。 采煤机的截割牵引工况是其工作的长时工况， 其特点是牵引阻力较大， 牵引速度较慢， 因此， 该工 况的匹配问题应以传动系统较大的输出转矩为出发 点 ， 即采煤机能在截割牵引工况下慢速行走且能克 服较大转矩， 这要求液力变矩器的最高效率工况点 应 匹 配 在 电 动 机 特 性 曲 线 的 B 点 或 者 在 B 点和 C 点之间。为了保证截割牵引及空跑时不出现欠功 率现象， 在匹配设计中， 要求泵轮负荷拋物线所决定 的匹配输出转矩大于相对应工况的阻力值。 2电动机与液力变矩器的合理匹配计算模型电动机与液力变矩器的合理匹配计算模型 2iMH n ia x为电动机最大 转矩， N m， MH m a xAmMH， Am为过载系数， 一般取 1.8〜2. 2 ，Mh为电动机的额定转矩S m 为电动机 的最大转矩转差率， SmCSbAm 槡 m 1， Sh为 额定转差率， SH n n〇为同步转速， r/min; n n0 为电动机转速， r/min。 设电动机与液力变矩器中间传动比为im， 效率 为 “m， 代入式（ 3可得经中间传动比连接液力变矩 器和电动机后， 液力变矩器泵轮的机械特性为 Mp 2iM H m ax Sm n〇 n〇 ， m ne p imn2 p 一 2 imnepn〇 n〇 n〇 S m m “m 4 液力变矩器输入特性为 Mp _ Xpt D 5n2 p 式中为液力变矩器所用油液比重， N/m3 ; A,为变 速比i 对 应 的 液 力 变 矩 器 传 动 工 况 的 转 矩 系 数 ， r/min2/m;D 为循环圆直径， m。 由式（ 4及式（ 5可知， 电动机与液力变矩器的 联合 性为 对 于 MG750/1860-G D 型采煤机， 牵引电动机 选 用 YBC-80S， 其性能参数见表1。根据实测数据 点 ， 在 Matlab中得到电动机机械特性曲线， 如 图 2 所示。 表1 YBC-80S电动机性能参数 图2 YBC-80S电动机机械特性曲线 Fig. 2 Mechanical characteristic curve of YBC-80S motor 选 用 YJ-375液力变矩器， 其原始特性数据见 。 由于液力变矩器生产厂家给出的具体型号的液 力变矩器原始特性数据是实际测试得到的， 故在对 液力变矩器原始特性数据进行曲线拟合时应尽可能 使曲线通过大部分离散点， 以符合实际测试得出的 情况。本文采用5 次多项式对液力变矩器原始特性 数据进行拟合， 拟合方程为 2 0 1 8 年 第 6 期吴 森 峰 电 动 机 加 液 力 变 矩 器 驱 动 下 的 采 煤 机 性 能 分 析 9 表2 Y J-375液力变矩器原始特性数据 Table 2 Original characteristics data of YJ-375 hydraulic torque converter 变 速 比 ， 103,/ 变 矩 系 数K N r2 min-2 变 矩 效 率r m 4 02. 851 1 26.0 0 0.1 2. 533 2 26.50.2812 0.22.422126.70.5431 0.3 2. 212 2 28.0 0. 567 2 0.4 1. 981 1 27.2 0. 612 2 0.51.881226.0 0. 716 1 0.6 1. 713 1 25.1 0. 746 4 0.7 1. 542 3 24.2 0. 845 1 0.8 1. 234 2 22.5 0. 872 2 0.9 0. 914 2 14.3 0. 851 1 0.950.725112.0 0. 726 1 K “ 0. 178 5, -一 1. 383 1,一 0. 834 9, 2. 468 6,-一 2. 783 6i 2. 837 9 rji一 7. 085 5, 6. 971 6i4 5. 509 0, 8. 847 8i2 4. 006 7i 0.006 5 103A,y 209. 512 6, 397. 213 2, 271 391 1, 60. 77 7, 1. 835 5i 25. 952 0 8 式中，为液力变矩器的变速比； K “ 为液力变矩器 的变矩系数q “ 为液力变矩器的变矩效率。 在 Matlab中得到YJ-375液力变矩器原始特 性拟合曲线， 如 图 3 所示。 hydraulic torque converter 假设在电动机与液力变矩器之间设置一增速齿 轮 ， 其 中 间 机 械 传 动 比 0. 9， 传动效率彳m 0. 98， 最大转差率 Sm 0. 095， 。 1 500 r/min， MH n ia x 522. 6 N m， 液力变矩器循环圆有效直径 D0. 375 m，代入式（ 7可计算得到每个变速比下 泵轮的转速， 结果见表3。 将不同变速比下泵轮的输入转速， 及 A,代入 式（ 3，可计算得到相对应的泵轮输入转矩， 见 表 4。 由于液力变矩器涡轮转速r , ， 液力变矩器 涡轮输出转矩MM PK ， 结合表2 及 表 4 中相关数 据可得液力变矩器匹配工况输出点的情况（ 表 5， 输出特性曲线如图4 所示。 表3不同变速比下泵轮转速 Table 3 Rotating speed of pump wheel at different speed ratio i 0 0.10 0. 20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 p/r min1 1 534.1 1 526.1 1 522. 4 1 479.7 1 511.5 1 534.1 1 545.7 1 555.1 1 569.5 1 614.0 1 623.4 表4液力变矩器匹配工况输入点转速和转矩 Table 4 Matching points of hydraulic torque converter i00. 10 0.20 0. 30 0.40 0. 500. 600. 70 0.80 0. 900. 95 p/r min11 534.11 526. 11 522. 4 1479.7 1 511. 51 534.11 545.71 555.11 569. 51 614. 01 623.4 Mp/N m 453.8441.9458.9454.6460.8453.8444.7434.0411.0276.3234.5 Table 表5液力变矩器匹配工况输出点转速和转矩 5 Matching output points of hydraulic torque converter i00. 100. 200. 30 0.40 0. 500. 60 0.700.80 0. 900. 95 r/r min10 152.6304.4443.9604.6767.1927.41088.6 1 255. 61 452. 61 542.2 Mr/N m1 293.81 119. 41 111. 51 005. 7 912.9853.7761.8669.4507.3252.6170.0 由图4 可知， 将三相异步电动机和液力变矩器 当采煤机截割牵引速度w 7 〜8 m/min时 ， 结合 经中间传动装置相连， 共同为采煤机牵引提供动力， MG750/1860-G D 型采煤机的减速传动比转换计 50 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 Fig. 4 Output characteristic curve while motor and hydraulic torque converter are working together 算可得， 液 力 变 矩 器 涡 轮 对 应 转 速 〜 817. 9 〜 934. 7 r/min， 对应输出转矩Mr 824. 5〜757. 6 N m， 该输出转矩高于变频牵引截割相同工况下的输出转 矩 522. 6 N m， 满足截割转矩需求。 4电动机与变频器牵引的性能分析电动机与变频器牵引的性能分析 MG750/1860-G D 型采煤机牵引用变频器型号 为 ACS880-01-246A-3,额定电压 Un 400 V 380〜 415 V， 额定功率在额定电压为400 V 时有效。详细 参数见表6。表 6 5 为 变 频 器 40 C无过载时连续 可用的额定电流％m ax为最大输出电流， Pn为无过载 应用时的典型电动机功率， Id为轻过载应用时的连 续电流， P 为轻过载应用时的典型电动机功率， I™ 为重过载应用时连续电流， PH d为重过载应用时的典 型电动机功率。 表6壁挂式变频器ACS880-01-246A-03参数 Table 6 Parameters of wall-mounted ACS880-01-246A-03 inverter 额定值轻过载应用重过载应用 /散热量//功率因数 效 率“/ g In/AImax/ APN/kWW APd/kWIb d/APb d/kW dB AWm3 h- 1cos 246350132 23413220611065 3 300 550 0. 93〜0. 9598 变频器性能特征 变频器在5〜50 H z内呈恒转 矩特性， 达到最大转矩后速度自动下降， 50 H z至最 高频率呈恒功率特性。变频器采用U/f 控制方式， 在 截割牵引时采用恒转矩输出， 空跑时可采用恒功率输 出。由试验可得变频器恒转矩和恒功率下的调速特 性 ， 见 表 7。电动机与变频器共同工作输出特性曲线 如 图 5 所示。 表7变频电动机恒转矩、 恒功率下的调速特性 Table 7 Speed regulation characteristics of motor under constant torque and constant power 工作频 率/Hz 负载转矩/ N m 转速/ “ min 1 工作频 率/Hz 负载 矩/ N m / r min-1 5 521.2 121. 250 522.6 1 460. 5 10521.8 257. 660 434.5 1 774.4 20522.3 568. 670 372.42068.3 30522.5 871. 183.4 312.82458.1 40523.1 1 172. 5 由图5 可知， 采用三相异步电动机和变频器搭配 工作， 共同为采煤机牵引提供动力， 当采煤机截割牵 引速度幻7〜8 m/min时， 结 合 MG750/1860-G D 型采煤机的减速传动比转换计算可得， 电动机对应输 出转速队 817. 9〜934. 7 r/min， 对应输出转矩Mr 522. 6 N m， 该输出转矩为目前实际使用的电牵引 采煤机截割普通煤层时的转矩。 图5电动机与变频器共同工作时的输出特性曲线 Fig. 5 Output characteristic curve while motor and inverter are working together 3结论结论 “ 由电动机加液力变矩器共同工作驱动采煤 机牵引的特性分析可知， 该驱动方式在一定速度范围 内可以实现采煤机牵引的无极变速。 “ 与变频电动机牵引相比， 在相同截割牵引速 度下， 采用液力变矩器截割牵引可增大输出转矩， 且 液力变矩器的输出转矩随着牵引速度的降低而增大， 最大输出转矩远超过变频驱动情况下的最大输出 转矩。 “ 电动机加液力变矩器驱动方式提高了采煤 机的牵引能力， 这对于薄煤层及截割阻力较大的煤层 开采意义重大。此外， 液力变矩器较变频器价格低 廉 ， 更有利于其推广及应用。 2 018 年 第 6 期吴 森 峰 电 动 机 加 液 力 变 矩 器 驱 动 下 的 采 煤 机 性 能 分 析 51 参考文献 References 1 *吴海雁， 惠万里， 高晓光.大功率薄煤层智能工作面电 牵引采煤机研制[] .重型机械，2012632-35. 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