采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统.pdf

第 52 卷第 4 期 2016 年 2 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.52 No.4 Feb. 2016 DOI10.3901/JME.2016.04.111 采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统* 杨 阳 邹佳航 秦大同 袁瑷辉 重庆大学机械传动国家重点实验室 重庆 400044 摘要截割部是滚筒采煤机最重要的组成部分，也是最易产生失效的部分。针对现有滚筒采煤机截割部可靠性低和适应性差 的问题，设计一种高可靠性机电液短程截割传动系统，该系统实现了负载突变下的缓冲减振和煤层变化下的滚筒调速。建立 截割电动机、泵控马达系统和蓄能器的数学模型，基于 AMESim 软件建立 MG300 采煤机截割传动系统的仿真模型并进行系 统调速性能、应对突变工况性能仿真分析和效率分析，结果表明系统既能实现滚筒转速的良好调节又具有一定的缓冲减振功 能并且在典型工况下有着较高的传递效率。因此，所设计系统能提高采煤机的可靠性和自适应性，仿真结果验证了该方案的 有效性和可行性，为深部危险煤层无人采煤机的研发奠定了基础。 关键词采煤机；截割传动系统；滚筒调速；缓冲减振 中图分类号TD421 High Reliability Electromechanical-hydraulic Short-range Cutting Transmission System of Shearer YANG Yang ZOU Jiahang QIN Datong YUAN Aihui State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044 AbstractThe cutting unit is the most important component of the shearer, but it is also the part that produces failure easily. Aim at solving the shearer’s low reliability and poor adaptability, a new kind of high reliability electromechanical-hydraulic short-range cutting transmission system is designed. The system can realize buffering and damping with the load’s mutation and the roller speed can be controlled with the variation of coal seam. The mathematical models of the cutting motor, the pump control motor system and the accumulator are established. The simulation model of MG300 shearer cutting transmission system is established based on AMESim software. The efficiency and the perance of speed regulation and coping with the load’s mutation are analyzed by the simulation. The results show that the system can not only regulate roller speed well but also process the buffering and damping function and keep high transmission efficiency in the typical working conditions. Consequently, the system can improve shearer’s reliability and adaptability. The simulation results illustrate the effectiveness and feasibility of the program which lays the foundation for the design and optimization of the cutting transmission system of shearer. Key wordsshearer；cutting transmission system；roller speed regulation；buffering and damping 0 前言1 制约我国经济发展的突出瓶颈是能源。至今在 能源结构中煤炭占 70，油气为 20，其他为 10[1]。我国开采煤层越来越深，深部煤层下环境 恶劣，设备易发生故障不易维修，并且矿井下伤亡 事故频发。因此，研发适用于深部危险煤层的高可 * 国家重点基础研究发展计划资助项目973 计划，2014CB046304。 20150223 收到初稿，20151009 收到修改稿 靠性和高智能化采掘装备将是我国煤炭行业发展的 必然趋势。 滚筒式采煤机是综采成套装备的主要设备之 一，是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂 系统，被广泛应用于大型煤矿的开采。截割部是滚 筒式采煤机主要工作机构之一，包括电动机、齿轮 传动系统和滚筒。它是采煤机进行落煤和装煤的部 分， 其消耗的功率占整个采煤机功率的 80～90。 目前，截割部采用的都是长链齿轮传动系统即截割 电动机通过一系列齿轮将动力传递到截割滚筒。因 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 4 期期 112 此，采煤机截割部传动系统的性能优化和改进成为 国内外学者的研究热点。 赵丽娟等[2-4]利用仿真软件对采煤机截割部振 动特性及传动系统的可靠性进行了分析与仿真，并 通过对传动系统的优化提高了截割部的稳定性。张 超[5]对采煤机截割部传动系统动态特性进行了研 究，得到了不同加载方式对输出特性的影响，蔡桂 英等[6]提出了双电动机传动这一新的传动方案。 BILGIN 等[7]通过对煤岩体强度和性质的研究， 得出 了滚筒的载荷具有随机性、 大波动和强冲击的特点。 苏联学者 E.З.保晋[8]对采煤机破煤过程进行了研 究，提出的滚筒负载计算方法表明切削厚度对滚筒 载荷的影响最为显著。李晓豁等[9-10]根据对连续采 煤机截割滚筒结构特殊性和工作条件复杂性的分 析，建立了采煤机动力学模型及其截割阻力数学模 型。由于滚筒载荷直接影响传动系统稳定性，而在 采煤机滚筒载荷控制中，切削厚度又是一个非常重 要的影响因素，高红斌等[11]计算了被截煤层的平均 切削厚度并提出了用切削厚度的波动系数来分析其 变化程度的方法。采煤机在截割煤层过程中，切削 厚度是由采煤机的滚筒转速、牵引速度和一系列结 构参数综合决定的。由于目前采煤机的截割滚筒通 常只有固定的转速，因而难以对滚筒载荷和块煤率 进行有效的控制。 实现采煤机截割部短程传动和调速方法有两 种即多电动机集中驱动和多液压马达集中驱动。 然而，多电动机驱动存在着变频器体积大、协调控 制复杂和电动机资源稀缺等问题，故本文提出了一 种采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统。此系 统采用液压传动系统传递功率，实现了短程传动， 能避免因重载摇臂变形产生破坏，可靠性高；其截 割滚筒转速可以调节，实现截割滚筒按合理切削厚 度进行切割，发挥出整机最大的截割功效的能力； 其采用的液压传动系统相对传统齿轮传动系统而言 有着更为理想的抗冲击性能；其采用的多泵多马达 系统可在某个元件失效时降功率继续工作，能避免 停工损失。本文利用 AMEsim 仿真平台对该系统进 行了建模与仿真分析，为深部危险煤层无人采煤机 的研发奠定了基础。 1 采煤机高可靠性机电液短程截割传 动系统的设计 本文所设计的采煤机截割传动系统如图 1 所 示，其液压系统原理如图 2 所示。 图 1 采煤机截割传动系统的结构布置图 图 2 采煤机截割传动系统液压系统的原理图 该系统主要包括截割电动机、增速器、变量泵 组、阀组、蓄能器、马达组、减速器、滚筒、电流 传感器、转速传感器、控制器和补油路。截割电动 机为鼠笼式三相异步交流电动机，增速器为一级直 齿传动， 变量泵采用带有压力切断的电子控制方式。 减速器包括一个大齿轮与三个小齿轮外啮合的人字 齿传动和一级行星轮系，小齿轮分别与三个马达连 接，大齿轮与行星轮系太阳轮连接，行星轮系行星 架固定齿圈与滚筒连接。截割电动机增速后带动变 量泵组运转泵油，驱动定量马达组，再通过减速器 后带动滚筒运转。控制器放在采煤机电控箱中，搜 集来自电流传感器和转速传感器反馈的信息，并发 出指令信号控制泵排量、牵引机构速度和阀开关状 态。采煤机工作过程中，截割电动机电压恒定，电 流传感器检测到的电流值表征电动机工作状态，控 制器通过反馈的电流信号实时调节牵引机构速度使 截割电动机始终工作在额定状态即始终以额定动率 运行。控制器还发出指令信号到变量泵，通过搜集 转速传感器反馈的转速值闭环控制滚筒转速，从而 更好地适应煤层的变化和达到良好的块煤率需求。 蓄能器的功用主要是减缓负载突变带来的冲 击和振动， 减少其对传动系统的破坏， 提高可靠性。 另外，若泵组或马达组中某个元件失效时，控 制器发出信号控制阀组断开失效元件与液压传动系 统的联系。同时，控制器根据失效元件在工作过程 中功率所占比重相应调整功率标准值，使传动系统 降功率继续运行。例如变量泵 1 失效，控制器发出 月 2016 年 2 月 杨 阳等采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统 113 信号使电磁阀 4 得电从而改变插装阀 4 工作状态， 变量泵 1 出油口直接与油箱连接，不影响系统继续 工作， 控制器调整功率标准值为额定功率二分之一， 即系统以额定功率的一半值继续运行。插装阀的优 点如下通流能力大，适用于采煤机截割传动系统 高压大流量的场合；响应速度快；较滑阀的密封性 更好，泄漏小；易于集成，可以大大减小阀组占据 的空间。 因此， 本系统采用插装阀来断开失效元件。 本采煤机截割传动系统在工作过程中避免了 摇臂变形导致的可靠性差，实现了滚筒转速调节， 提高了抗冲击能力，解决了现有齿轮传动系统的 问题。 2 采煤机高可靠性机电液短程截割传 动系统关键元件的数学模型 数学模型是用来表达一个系统或元件的各个 状态变量、输入变量以及输出变量之间关系的数学 表达式。通过建立数学模型，可以从理论上分析现 存的系统或元件中存在的问题，揭示产生这些问题 的根本原因，从而进一步给出解决问题的方案。同 时，也为后面的仿真分析提供必要的理论基础。 2.1 截割电动机模型 截割电动机采用的是鼠笼式三相异步交流电 动机，异步电动机的模型分为稳态数学模型和动态 数学模型。为了更深入地了解截割电动机工作时的 动态响应，必须认真研究其动态数学模型，异步电 动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合 的多变量系统。 建立在三相静止的 ABC 坐标系上的 异步电动机数学模型比较复杂，如果把它变换到两 相坐标系上，由于两相坐标轴互相垂直，两相绕组 之间没有磁的耦合，数学模型简单许多。故本文将 建立异步电动机在两相任意旋转坐标系上的动态数 学模型。 磁链方程 sdsd sm sqsq sm mrrdrd mrrqrq 00 00 00 00 i LL i LL LLi LLi ψ ψ ψ ψ ⎛⎞⎛⎞ ⎛⎞ ⎜⎟⎜⎟ ⎜⎟ ⎜⎟⎜⎟ ⎜⎟ ⎜⎟⎜⎟ ⎜⎟ ⎜⎟⎜⎟ ⎜⎟ ⎜⎟⎜⎟ ⎝⎠ ⎝⎠⎝⎠ 1 式中，Lm为dq坐标系定子与转子同轴等效绕组间 的互感，Lm3Lms/2；Lms是原三相绕组中任意两相 间最大互感；Ls为dq坐标系定子等效两相绕组的自 感，LsLmLls，Lls为定子漏感；Lr为dq坐标系转 子等效两相绕组的自感，LrLm Llr，Llr为转子漏感； ψsd、ψsq、ψrd、ψrq为dq坐标系定子和转子等效两相 绕组的磁链；isd、isq、ird、irq为dq坐标系定子和转 子等效两相绕组的电流瞬时值。 电压方程 sdsd ssdqssmdqsm sqsq dqssssdqsmm mdqrmrrdqrr rdrd dqrmmdqrrrr rqrq ui RL pLL pL uiLRL pLL p L pLRL pLui LL pLRL p ui ωω ωω ωω ωω ⎛⎞⎛⎞−− ⎛⎞ ⎜⎟⎜⎟ ⎜⎟ ⎜⎟⎜⎟ ⎜⎟ ⎜⎟⎜⎟ ⎜⎟ −− ⎜⎟⎜⎟ ⎜⎟ ⎜⎟ ⎜⎟⎜⎟ ⎝⎠ ⎝⎠⎝⎠ 2 式中，usd、usq、urd、urq为dq坐标系定子和转子等 效两相绕组的电压瞬时值；Rs、Rr为定子和转子绕 组电阻；ωdqs、ωdqr为dq坐标系相对定子与转子的 转速；p为微分算子，代替微分符号d/dt。 式2的dq轴电压方程绘成动态等效电路，如 图3所示，d轴与q轴电路是靠4个旋转电动势互 相耦合。 图 3 异步电动机在 dq 坐标系上的动态等效电路 转矩方程 epmsq rdsdrq Tn Li iii− 3 式中，Te为电动机转矩；np为定子和转子极对数。 运动方程 eL p d d J TT nt ω 4 式中，TL为负载转矩；J为机组转动惯量；ω为电 动机转子角速度。 式1～4构成异步电动机在两相以任意转速 旋转的dq坐标系上的模型。它比ABC坐标系上的 数学模型简单得多，阶次也降低了，但其非线性、 多变量、强耦合的性质并未改变。 2.2 泵控马达模型 泵控液压马达装置也称容积式液压传动系统， 可以实现无级调速，广泛应用于液压伺服系统中。 变量泵既是液压能源又是主要控制元件，改变泵排 量的大小就可以改变马达输出转速。本文采用泵控 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 4 期期 114 马达来代替传统截割传动中的齿轮系统，实现短程 传动和滚筒无级调速。因此，需要建立泵控马达动 态数学模型对其进行深入分析[12]。 变量泵流量方程 pp pppipeps 2 s DK QDC pC p φ ω ⎧ ⎪ ⎨ −− ⎪ ⎩ 5 式中，Dp为泵的弧度排量；Kp为泵的排量梯度；φ 为泵的调节角即泵斜盘倾角；Qp为泵输出总流量； ωp为泵的角速度；Cip、Cep为泵的内、外泄漏系数； ps为系统工作压力。 流量连续性方程 0s mpimsemsmc e d 3 d Vp QQCpCpDi t ω β 6 式中，Qm为马达输入总流量；Dm为马达的弧度排 量；ωc为输出轴转角；i为减速器传动比；Cim、Cem 为马达的内、外泄漏系数；βe为有效体积模量，包 括油液、连接管道和缸体的机械柔度；V0为工作总 容积，包括泵的两个工作腔和马达的三个工作腔、 连接管道以及与此有关联的非主要容积。 输出轴上的力矩平衡方程 c mscccL d 3 d D p i JBT t ω ω 7 式中，Jc为等效到输出轴上的总惯量；Bc为输出轴 上的总黏性阻尼系数；TL为作用在输出轴上的外负 载力矩。 式5～7构成泵控马达系统的动态数学模型， 图4为其系统图。 图 4 泵控液压马达系统 联立以上微分方程并进行拉氏变换后可得如 下增量方程，由此可以直观地看出滚筒转速和液压 系统压力随转速指令信号和负载的变化情况，从而 全面描述系统的动态特性 c 2 pp t0h 22 methh m 2 2 11 3 3 K CVs sTs DC D ω ω ξ φ βωω ∆⎧ ⎪ ⎡⎤ ⎛⎞⎛⎞⎪ ∆ −∆⎢⎥ ⎨⎜⎟⎜⎟ ⎢⎥⎝⎠⎝⎠ ⎪ ⎣⎦ ⎪ ⎩ s 2 pp Lh cc 22 mhh m 2 hem0c tecc0 h m0mec 2 2 1 3 3 3 66 p K Ts J sBs D D DV J CJBV DVDJ ω ξ φ ωω ωβ β ξ β ∆⎧ ⎪ ⎡⎤ ⎛⎞⎪∆ ∆ ⎢⎥ ⎜⎟ ⎪ ⎢⎥⎝⎠ ⎣⎦⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ 8 式中，Ct为总泄漏系数，Ct2CipCep 3CimCem； ωh为无阻尼液压固有频率； h ξ为系统阻尼比。 阻尼比决定着整个系统的动态特性，对于二阶 系统，阻尼比增加，其谐振峰值减小[13]，从而达到 缓冲减振效果。本来设置旁路泄漏通道，增加泄漏 损失，可以增大阻尼比，但又会使整个系统效率大 大降低。故本文采用另一种方法即节流阀蓄能器 来增加系统阻尼比，节流阀蓄能器也叫动压反馈 装置，本质就是产生压力微分反馈，是一种廉价有 效的增加阻尼的方法，下面将对其进行研究。 2.3 蓄能器模型 蓄能器的基本功用主要是存储能量、缓解冲击 及减小振动。采煤机突变工况下，截割传动系统的 受力情况十分恶劣，因此希望通过采用蓄能器来缓 冲和减振，从而改善系统受力情况，提高可靠性。 气囊式蓄能器是技术最为成熟，使用最为广泛 的一种，它的工作原理是通过压缩气体将系统压力 能转化为气体压缩能存储，其理论基础是气体波义 耳定律，选择合适的充气压力和总容积是这种蓄能 器有效使用的关键，接下来将建立其动态数学模 型[14-15]。 蓄能器由于进油阀直径较大不能直接达到减 振的目的，故需要在蓄能器入口处串联节流阀，在 本节中节流阀的压力-流量方程如下 2 dsb 4 Q Cdpp π − 9 式中，Q为蓄能器进油流量；Cd为节流阀流量系数； d为节流阀等效通径；ps为节流阀入口压力；pb为 蓄能器油腔压力。 与气体相比较，液压油的压缩性可以忽略不 计，蓄能器气腔的体积变化主要是充放油所致，故 蓄能器流量连续性方程为 a d dt V Q− 10 式中，Va为蓄能器内气腔容积。 气囊内气体的质量与油腔内液压油的质量相 比太小，可以忽略不计，因此可以将蓄能器内部的 整体质量等效为液腔内液压油的质量，则这部分质 月 2016 年 2 月 杨 阳等采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统 115 量的受力平衡方程为 2 a bab 2 d1 d V ppA m At − 11 式中，pa为蓄能器气腔压力；A为蓄能器横截面积； mb为油腔液体质量。 气体在流动过程中产生内摩擦力的性质叫气 体的黏性，不计黏性的气体称为理想气体。理想气 体是一种假想的气体，它的分子是一些弹性的、不 占据体积的质点，分子间除了相互碰撞外，没有相 互作用力。一般情况下的空气可视为理想气体，蓄 能器皮囊中充入的氮气也可视为理想气体。由热力 学波义耳定律可得理想气体热力过程方程 a0a0aa kk p Vp V 12 式中，pa0、Va0为气腔中某确定工作点压力和容积； k为气体多变系数， 绝热过程取1.4， 等温过程取1， 采煤机负载变化较快，因此可以等效为绝热过程。 式9～12构成蓄能器的动态数学模型，图5 为其结构图。 图 5 气囊式蓄能器结构图 为进一步分析蓄能器的缓冲减振特性，将以上 数学模型进行拉氏变换并整理后即可得到蓄能器传 递函数，如式13所示 2 a0n n 22 sa0nnn nab nab 2 aa0a0 22 d 2 2 4 VQs G s pkpss km Bk m kkp A V BACd ω ω ξω ω ξ ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ π⎛⎞ ⎪ ⎜⎟ ⎪ ⎝⎠ ⎩ 13 式中，ωn为蓄能器固有频率； n ξ为蓄能器阻尼比； ka为蓄能器刚度系数；B为蓄能器阻尼系数。 结合泵控马达数学模型可知，加入蓄能器后本 质上就是增加了泵控系统阻尼比，所得阻尼比 ecn h m0 6 JG s DV β ξ ξ 14 式中，ξ为采用蓄能器后系统的阻尼比；Gns为蓄 能器传递函数。 所增加的阻尼比稳态时趋于零，因此采用蓄能 器只改变系统的动态特性， 不影响系统的稳态性能。 2.4 控制器模型 本文采用具有简单紧凑、运行可靠、对硬件要 求低、应用广泛等优点的比例Proportion-积分 Integral-微分Derivative控制算法，即PID控制算 法，PID控制器是一种线性控制器，它根据给定转 速值Wt与实际转速值ωt构成控制偏差etWt− ωt，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构 成控制量It，对截割传动系统进行控制，故称PID 控制器，其控制规律为 PD I 1d d d e t I tKe te ttT Tt ⎡⎤ ⎢⎥ ⎣⎦ ∫ 15 式中，It为模拟控制量；et为偏差；KP为比例增 益；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。 控制系统原理如图6所示。 图 6 控制系统原理图 3 采煤机高可靠性机电液短程截割传 动系统特性仿真分析 3.1 仿真模型建立 为了分析系统性能的优劣，以便采用相应的对 策进一步提高系统的动态特性，需要通过仿真来了 解各物理参数变化对系统性能的影响。本文基于 AMESim仿真平台建立了MG300采煤机截割传动 系统模型[16-17]， 如图7所示， 包括截割电动机模型、 泵控马达模型、蓄能器模型和减速器模型，模型中 主要参数如表1～4所示。 3.2 采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统调 速性能分析 2 s时在机电液短程截割传动系统模型的负载 端输入60 000 Nm信号模拟截割系统正常工作受 到的重载，4 s时在滚筒转速控制端分别输入阶跃信 号、斜坡信号和正弦信号，得到滚筒转速的阶跃响 应曲线、斜坡响应曲线和正弦响应曲线如图8、图 10和图11所示，图9为图8的局部放大图。 从仿真结果可以看出，1 s后滚筒空载起动完毕 转速稳定，2 s时的重载信号使滚筒转速有轻微波动 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 4 期期 116 图 7 基于 AMEsim 的采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统模型 表 1 截割电动机数学模型主要仿真参数 参数名称 数值 功率/kW 300 额定电压/V 1 140 额定电流/A 200 频率/Hz 50 额定转速/r/min 1 475 极对数 2 接法 Y 转动惯量/kgm2 3 定子漏感/H 0.302 710 −3 定子电阻/Ω 0.3 转子漏感/H 0.302 710 −3 转子电阻/Ω 9.29510 −3 互感/H 0.04 表 2 泵控马达数学模型主要仿真参数 参数名称 数值 变量泵排量/mLr 250 变量泵最大转速/r/min 2 500 马达排量/mLr 160 马达最大转速/r/min 4 000 马达斜轴角/ 34 变量泵泄漏系数/m3Pa −1 s −1 0.8710 −12 马达泄漏系数/m3Pa −1 s −1 0.8510 −12 系统工作压力/MPa 15～22 溢流阀设定值/MPa 35 软管 1 外径，壁厚/mm 38.1，15.4 软管 2 外径，壁厚/mm 31.8，13.4 硬管外径，壁厚/mm 25，10 阀芯直径/mm 6 输出轴总惯量/kgm2 0.022 有效体积模量/MPa 1 700 总黏性阻尼系数/mNsrad −1 0.1 表 3 蓄能器数学模型主要仿真参数 参数名称 数值 容量/L 4 预充压力/MPa 10 节流阀通径/mm 4 流量系数 0.7 液压油密度/kgm3 850 液压油体积模量/MPa 1 700 液压油黏度/mPas 51 表 4 增速器减速器等其他参数 参数名称 数值 增速器传动比 0.655 耦合齿轮传动比 9 行星齿轮传动比 5.562 5 滚筒惯量/kgm2 2 000 图 8 系统阶跃输入响应曲线 图 9 系统阶跃输入响应曲线放大图 图 10 系统斜坡输入响应曲线 月 2016 年 2 月 杨 阳等采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统 117 图 11 系统正弦输入响应曲线 但很快恢复平衡状态。4 s过后的响应曲线表明，系 统在阶跃信号、斜坡信号和正弦信号下都能对目标 值信号进行很好的跟踪。另外，从图9可以看出阶 跃信号下系统的调整时间为0.5 s且稳态误差很小。 综上所述， 机电液短程截割传动系统调速性能良好。 3.3 采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统应 对突变工况性能分析 本文提出的截割传动系统引入液压传动，除避 免长链带来的问题外还具有缓冲减振的功能，能更 好地应对采煤机截割滚筒输入的突变载荷。液压系 统中常采用气囊式蓄能器来实现缓冲减振，由前文 蓄能器传递函数式12可以看出，蓄能器最重要的 参数是刚度和阻尼系数， 而其又直接受到蓄能器结构 参数的影响。本文将通过仿真来分析节流阀通径、蓄 能器预充压力和容积等结构参数对缓冲减振的影响。 机电液短程截割传动系统模型的滚筒转速控 制端输入35 r/min的恒值信号模拟滚筒恒速截割。2 s时在负载端输入60 000 Nm阶跃信号模拟煤层 突然变化滚筒所受载荷，3 s时输入幅值为100 000 Nm持续时间为0.05 s的冲击信号模拟滚筒遇到 夹矸或包裹体所受的冲击载荷， 如图12所示。 运用 物理学中的控制变量法，保证其他变量恒定的情况 下分别改变节流阀通径、蓄能器预充压力和容积进 行仿真分析，图13、14和15分别为液压系统压力 关于各变量的批量仿真曲线。 图 12 滚筒负载信号 从图13可以看出，随着节流阀通径的增大阶 跃载荷与冲击载荷产生的振动衰减加快，超调量减 图 13 不同节流阀通径下的压力变化 图 14 不同蓄能器预充压力下的压力变化 图 15 不同蓄能器容积下的压力变化 小。由式8、13和14可得，节流阀通径直接影响 蓄能器阻尼比，进一步影响系统阻尼比。然而，随 着通径的进一步加大系统的稳定性也变差，原因是 系统综合弹性模量变低。 从图14可以看出， 随着蓄 能器预充压力的改变系统压力有些变化但并不是很 明显。 从图15可以看出， 蓄能器容积太小也会影响 到系统的稳定性，当蓄能器容积增加到一定值时其 变化对系统的压力的影响也不明显。 因此，影响蓄能器缓冲性能的主要因素在于节 流阀通径，预充压力和容积选定合适值即可。本文 考虑到截割系统工作参数和结构布置因素，确定了 蓄能器的一组参数节流阀通径4 mm、预充压力 10 MPa、容积4 L。另外，基于此参数还做了使用 蓄能器前后的对比仿真，如图16、17所示。从系统 压力和滚筒转速来看，使用带节流阀的蓄能器对原 系统有着很好的缓冲减振功能。 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 4 期期 118 图 16 使用蓄能器前后的压力变化 图 17 使用蓄能器前后的转速变化 3.4 采煤机高可靠性机电液短程截割传动系统效 率分析 异步电动机损耗包括机械损耗、铁损和铜损， 机械损耗与电动机结构参数和转速有关，铁损只与 结构参数有关， 而铜损是绕组通过电流引起的损耗， 其大小取决于负载电流和绕组电阻值。本文采用 AMESim中自带异步电动机模块进行建模，通过调 节其中参数值即可改变其输出特性，模型中电动机 工作在额定工况下的效率为0.92。 泵和液压马达损失包括泄漏损失和机械损失。 泄漏损失主要取决于工作压力和泄漏系数，本文采 用并联液阻的方式模拟其泄漏损失，根据元件流量 压力特性设置液阻参数从而改变泄漏系数。机械损 失主要来自元件内部摩擦，可用机械效率表征，式 16即为泵和马达的机械效率[18]，在模型中可用函 数模块模拟。模型中泵和马达额定工况下总效率都 在0.92左右。 pmpss mmmss 1 10.0001160.0340.2/ 10.000 260.0420.2/ npp npp ηβ η ⎧⎡⎤ ⎪ ⎣⎦ ⎨ −⎪ ⎩ 16 式中，ηpm、ηmm为泵、液压马达的机械效率；np、 nm为泵、液压马达转速；ps为液压系统工作压力； β为泵的排量比。 齿轮传递效率较高，故模型中减速器每对齿轮 啮合效率均取的0.99；滚筒部位的损失主要来自库 仑摩擦和黏性摩擦， 模型中设定其参数分别为1 000 Nm和50 Nm/r/min。 AMESim模型完善后即进行仿真分析，通过图 18批量仿真曲线可发现 系统的总效率随着滚筒转 速的升高而变大， 随着负载的增大而先增大后降低， 变大是因为滚筒输出功率占总功率比重越来越大， 降低是因为负载增大带来的液压元件泄漏损失变 大。系统典型工况下，即滚筒转速29～42 r/min负 载30 000～100 000 Nm， 总效率相对较高， 在70 左右。 图 18 系统总效率 4 结论 1 针对现有滚筒采煤机截割部可靠性低和自 适应性差的问题设计了机电液短程截割传动系统， 采用变量泵-多马达液压系统实现短程传动和调速。 2 建立了截割电动机、泵控马达系统和蓄能 器的数学模型， 利用AMESim软件建立各元件仿真 模型并完成系统参数匹配。 3 基于AMESim仿真平台，进行了系统调速 性能、应对突变工况性能等仿真分析，结果表明系 统能够实现滚筒转速的良好调节并具有一定的缓冲 减振功能，并且系统在典型工况下有着较高的传递 效率。 4 仿真结果验证了所设计的机电液短程截割 传动系统方案的有效性和可行性，为深部危险煤层 无人采煤机的研发奠定了基础。 参 考 文 献 [1] 钱鸣高. 煤炭的科学开采[J]. 煤炭学报，2010，354 529-534. 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