采煤機(jī)傳動系統(tǒng)變負(fù)載工況下的截割響應(yīng)特性分析

張慧勇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司南陽坡礦綜采二隊， 山西 朔州 037200）

引言

近幾年，隨著煤礦開采深度的逐年加深，煤礦巷道的地理條件越來越變得復(fù)雜，煤礦開采過程中首先需要解決的就是巷道工程問題，巷道這不僅僅是煤礦開采生產(chǎn)的重要的交通運輸?shù)耐ǖ?，同樣也是煤礦安全運行的關(guān)鍵，直接關(guān)系到很多人的生命安全。截割部是作為采煤機(jī)的一個重要的工作部件，主要位于采煤機(jī)機(jī)身的兩端，在實際工作過程中是參與裝煤的，能耗占到總的功耗的80%～90%[1]，采煤機(jī)傳動系統(tǒng)主要包括行星齒輪傳動，用來傳遞截割工作的轉(zhuǎn)矩，自身的性能對于采煤機(jī)的工作性能影響非常大，自身受載荷比較復(fù)雜，截割響應(yīng)特性也比較復(fù)雜，為此研究采煤機(jī)傳動系統(tǒng)變負(fù)載工況下的截割響應(yīng)具有重要的研究意義和研究價值。

1 動力學(xué)模型建立

根據(jù)采煤機(jī)在實際井下的工作情況，如圖1 所示，截割部電動機(jī)和傳動系統(tǒng)之間是采用彈性軸進(jìn)行連接，傳動系統(tǒng)具體包括了多級平行軸齒輪和一級行星齒輪。

圖1 采煤機(jī)截割部結(jié)構(gòu)組成圖

根據(jù)采煤機(jī)截割部電動機(jī)傳動系統(tǒng)的主要特點可以假定各級行星齒輪相同的物理和幾何參數(shù)，建立如圖2 所示的采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，采用的主要方法是集中參數(shù)法。在圖2 中：1～8表示平行軸傳動齒輪副；pi為第i 個行星輪；c 為行星架；s 為太陽輪；r 代表齒圈，在實際進(jìn)行運轉(zhuǎn)過程中各個齒輪之間處于嚙合狀態(tài)，齒輪的嚙合存在著傳動誤差e、嚙合剛度k、嚙合阻尼c，各個阻尼的下標(biāo)表示各個嚙合的齒輪對；Tin為截割電動機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩值；Tout為輸出轉(zhuǎn)矩值。在整個輸出和輸入過程中，由于齒輪傳動具有一定的效率，必然會產(chǎn)生功率損耗。

圖2 采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型

在實際進(jìn)行傳動過程中，平行軸傳動的各個齒輪副為外嚙合齒輪傳動，傳動原理和建模的實際方法和之前相同。通過對齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行計算和求解可以得到齒輪傳動系統(tǒng)在不同負(fù)載工況下的動態(tài)響應(yīng)。見下頁表1 為采煤機(jī)截割傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)。

表1 采煤機(jī)截割傳動系統(tǒng)主要參數(shù)

2 變負(fù)載工況與傳動系統(tǒng)響應(yīng)分析

煤層本身屬于一種非均質(zhì)，各向異性的脆性材料，在地底下形成過程中在煤層中往往夾雜著很多的硬質(zhì)石頭以及其他雜質(zhì)，所以采煤機(jī)在進(jìn)行截割的過程中，往往會伴隨著負(fù)載的突變，具有一定的波動沖擊性。負(fù)載的沖擊對于系統(tǒng)的影響將會導(dǎo)致傳動系統(tǒng)的振動，不利于齒輪的嚙合。為此，研究外部負(fù)載變化的工況下，截割傳動系統(tǒng)的實際響應(yīng)具有重要的研究意義。

采煤機(jī)截割部在實際進(jìn)行傳動過程中，一方面?zhèn)软斆簳馗铑^產(chǎn)生一定的沖擊，尤其是當(dāng)在實際工作過程中會遇到嵌入到圍巖中堅硬的石頭同樣會產(chǎn)生一定的沖擊載荷，在不同的工況下會受到不同的載荷作用，主要可以分為三種類型的載荷，第一種是突變載荷，在突變載荷作用下傳動系統(tǒng)中的各個齒輪副的扭轉(zhuǎn)振動會受到負(fù)載轉(zhuǎn)矩的影響比較大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的突變會導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動加強(qiáng)此時嚙合力的沖擊比較大[2]。第二種是在重載工況下，傳動系統(tǒng)自身承受的載荷比較大，齒輪之間的嚙合力比較強(qiáng)，動力特性比較復(fù)雜。第三種是平穩(wěn)運行狀態(tài)，作為系統(tǒng)平穩(wěn)運行狀態(tài)下系統(tǒng)的受力比較穩(wěn)定，傳動系統(tǒng)傳遞的速度和動力是恒定值。

3 截割響應(yīng)特性分析

3.1 突變工況下采煤機(jī)傳動系統(tǒng)響應(yīng)特性分析

在采煤機(jī)截割部處于突變工況時，會受到外部環(huán)境給截割頭的沖擊載荷，在沖擊載荷作用下滾筒的載荷可以使用脈沖載荷進(jìn)行模擬，在實際進(jìn)行模擬分析時，需要在滾筒的端部施加脈沖載荷。在滾筒端部施加脈沖載荷后，滾筒的載荷從最初2.4 s 時的穩(wěn)定態(tài)直接突變?yōu)?00 kN·m，這已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定載荷的1.67 倍，在2.7 s 時載荷恢復(fù)為原始狀態(tài)，僅僅持續(xù)時間為0.3 s，為了研究突變工況對截割頭傳動系統(tǒng)響應(yīng)特性，首先對所有的齒輪副進(jìn)行編號。

隨后就突變工況下截割響應(yīng)特性進(jìn)行模擬分析，實驗得出在齒輪傳動系統(tǒng)中，以高速齒輪的動態(tài)響應(yīng)作為分析的目標(biāo)，首先處于穩(wěn)定負(fù)載下，齒輪副1 的動態(tài)嚙合力比較平穩(wěn)，最大值達(dá)到了36.5 kN，在處于2.4 s 時負(fù)載發(fā)生突變，此時的滾筒載荷從最初的60 kN·m 升高到100 kN·m，齒輪副1 的動態(tài)響應(yīng)出現(xiàn)振蕩，幅值最大達(dá)到了82.9 kN。齒輪副5 和齒輪副7 的振動特性，首先在2.3 s 時開始有劇烈振動，到2.8 s 時表現(xiàn)為振動的衰減，其中延遲的時間僅僅有0.5 s 左右，對于齒輪副5 而言，振動幅度最終保持在0.8 N 左右，齒輪副7 的振幅保持在0.6 N，從以上的負(fù)載突變工況下傳動系統(tǒng)的響應(yīng)特性可以看出，在采煤機(jī)傳動系統(tǒng)中齒輪副1 的動態(tài)響應(yīng)是最好的，振動幅度小，抵抗外部負(fù)載的能力比較大。

3.2 重載突變工況時采煤機(jī)傳動系統(tǒng)響應(yīng)分析

在采煤機(jī)正常工作過程中，齒輪傳動系統(tǒng)不僅會受到突變載荷的作用，同時還會受到外部負(fù)載作用，在啟動后某一時刻截割阻抗會發(fā)生突變，模擬的時間設(shè)定為4 s。在啟動后的1 s 時間內(nèi)處于恒定空載啟動階段，齒輪傳動系統(tǒng)開始提供驅(qū)動力，作為正式截割前的準(zhǔn)備，隨后在2 s 時開始接觸煤層，傳動系統(tǒng)搭建截割阻抗快速實現(xiàn)回升，并且穩(wěn)定在額定工況下，當(dāng)遇到突變載荷時會發(fā)生截割阻抗的突變，維持時間大約為0.3 s[3]。

3.3 平穩(wěn)運行工況下采煤機(jī)截割傳動系統(tǒng)的響應(yīng)分析

采煤機(jī)在實際運行過程中，不僅偶爾會受到來自于外部負(fù)載的突然變化遇到突變工況，或者重載突變工況，很多情況下都是處于穩(wěn)定運行工況。為了研究采煤機(jī)在正常工作狀態(tài)下傳動系統(tǒng)的振動特性，首先設(shè)定仿真參數(shù)，電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為1.8 kN·m，滾筒的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為50 kN·m，初步設(shè)定仿真時間為2 s，分析傳動系統(tǒng)齒輪振動動力學(xué)響應(yīng)特性，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 動力學(xué)響應(yīng)分析

從上頁圖3 可以看出，負(fù)載轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運行工況下，齒輪傳動系統(tǒng)的位移變化在某一個恒定值附近波動，高速級的齒輪副響應(yīng)特性非常明顯，齒輪副的振動逐漸衰減，總的均值比較小，低速級齒輪與外部負(fù)載直接接觸，受到外部負(fù)載的直接作用，振動幅度比較大，振動呈現(xiàn)出無規(guī)律變化，波動的原因是負(fù)載轉(zhuǎn)矩對傳動系統(tǒng)的擾動。

4 結(jié)論

本文以采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)為研究對象，研究了采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)在變負(fù)載工況下的截割響應(yīng)特性，通過建立采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)分析模型，分析了在突變工況、重載工況和平穩(wěn)運行工況下的采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，可以得出，在重載工況下傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性不太平穩(wěn)，受到外部負(fù)載作用時齒輪副動力特性比較復(fù)雜，在突變重載工況時，齒輪副嚙合沖擊振動較大，在平穩(wěn)運行工況時仍然存在微小的振動。為此，在實際進(jìn)行截割部傳動系統(tǒng)設(shè)計時，需要對傳動系統(tǒng)的截割響應(yīng)進(jìn)行多次實驗并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而保證具有良好的截割響應(yīng)特性。