采煤机截割部双电机机械串接驱动的同步性研究.docx

采煤机截割部双电机机械串接驱动的同步性研究靳立红 1， 刘春生 1， 孙剑锋 2（1. 黑龙江科技学院， 哈尔滨 150027； 2. 中国第一重型机械厂， 黑龙江 齐齐哈尔 161000）摘 要： 基于动力学理论，建立了采煤机截割部双电机机械串接系统的动力学模型，分析了截 割部工作机构在交变载荷、阶跃载荷和冲击载荷作用下，系统刚度、双电动机间连接刚度和双电机 的机械特性差异对电机同步性的影响，证实了连接刚度的增大对双电动机的同步运行有显著的影 响，系统刚度和双电机的机械特性差异对同步性影响不大。关键词： 采煤机； 截割部； 双电机串接驱动中图分类号： td421.6文献标志码：a 文章编号： 1003 0794（2011）07 0042 03shearer cutting unit motor synchronous characteristics driven bytwo-joint-motorjin li-hong1， liu chun-sheng1， sun jian-feng2（1. heilongjiang institute of science and technology, haerbin 150027， china; 2. china first heavy machinery， qiqihaer161000， china）abstract: based on dynamic equations theory, established dynamic model of two-joint-motor machinery series system, analyzed when cutting unit under alternating load, step load and impact load, affected of system stiffness, the connectional stiffness between dual-motor and differences mechanical properties of motor to the motor synchronous, confirmed that increase connectional stiffness has a significant impact, little effect by system stiffness and differences mechanical properties of motor.key words: shearer; cutting unit; two-joint-motor machinery series system引言近几年随着矿山机械自动化的发展，采煤机的 设计有了巨大的改进，截割部采用双电机机械串接 驱动方式广泛出现，这种布局方式的优点是在不增 加机身高度的条件下， 截割功率得到成倍增加，同 时具有机面高度低、采高范围大、适应性好等特点。本文依据动力学理论，计算并仿真了采煤机截 割部双电机机械串接驱动系统在典型载荷条件 下的动态特性， 着重分析系统等效刚度、 双电机间连 接刚度和电动机机械特性差异对双电机同步运行的影响。动力学方程求解由图 1 所示力学模型， 据拉格朗日方程得，双 电机机械串接系统动力学方程02j1 1+k2（q1-q2）=m1（1）j2 2+k2（q2-q1）+k1（q2-q3）=m2j3 3+k1（q3-q2）=-m3将式（1）写成矩阵的形式j kqm（2） qq1，q2，q3t 1， 2， 3t111m111j10 0111模型建立双电机机械串接驱动方式，即采煤机截割部采 用双电机联合驱动， 电机 1 和电机 2 同时驱动，两 驱动电机之间用惰轮连接， 电机 2 与载荷连接，采 煤机其他部分与单电机驱动完全相同。 对采煤机的 截割滚筒和传动机构的转动惯量和刚度进行等效， 依据等效转动惯量和等效弹性扭转刚度原则，机构111111111m 1m2j 10j0 1111211111111111m3 1100j111111113 111111 k2-k2k1+k2-k10-k111k 1-k211111 0k1 111式中m 、m 电机 1、电机 2 的驱动力矩，nm；123 为采煤机等效工作机构，1 所示。4建立系统力学模型如图m 等效工作机构阻力矩，nm；3j 、j 电动机 1、 电动机 2 的转动惯量，1 25kgm2；j3采 煤 机 截 割 部 的 等 效 转 动 惯 量 ，kgm2；k1采煤机截割部机械传动系统的系 统等效刚度，nm/rad；123图 1双电机驱动系统力学模型1. 电机 1 2. 电机 2 3. 等效工作机构 4. 双电机间等效连接刚度5. 系统等效刚度42155150第 32 卷第 07 期采煤机截割部双电机机械串接驱动的同步性研究靳立红，等vol.32no.07k2双电机之间传动惰轮和电机轴的等效连接刚度，nm/rad；1、2、3电机 1、 电 机 2、 等 效 工 作 机 构 的 角速度，rad/s。对（2）式化简得160155150145140135130160155150145140135130221112512500.1 0.2 0.3 0.4 0.5时间/s00.1 0.2 0.3 0.4 0.5时间/s =j-1m-kq（3）（a）k1=3.5104（b）k1=1.810冲击载荷作用5对式（3）的高阶微分方程进行降阶处理，应用 4图 4阶龙格-库塔法，将高阶微分方程转化为适于数值（2）连接刚度的影响由图 5图 7 可以看出，对于双电机串联驱动系 两电机间连接刚度的变化对双电机的同步性有算法的 1 阶线性微分方程组，令 y1=q1，y2=q2，y3=q3，y4=y 1，y5=y 2，y6=y 3，得统，显著的影响。 等效连接刚度的降低会延长 2 台电动机达到同步运行的时间， 为了改善双驱动电机同步 运行性能，在条件允许的情况下，应尽可能增大 2 台电动机间的等效连接刚度。y =j-1m-yyy1，y2，y3，y4，y5，y6t（4） y y 1，y 2，y 3，y 4，y 5，y 6t在进行数值仿真时，设加载前采煤机处于空载运行阶段， 取初始条件为角位移为零 ， 角速度为电 动机额定转速，系统响应在 0.5 s 之内，故取计算步 长为 0.001 s，或采用误差估计及步长调整的策略来 自动改变和控制步长。15815615415215014814601571551531511491122仿真本文讨论了采煤机工作机构在阶跃载荷、交变 载荷和冲击载荷 3 种典型载荷作用下，电机连接刚 度、系统刚度和两电机的机械特性差异对双电机同 步性的影响。以某采煤机截割部为实例，对式（4）应用龙格-库 塔法进行求解，双电机的截割功率相等，其参数为：电 动机同步转速 01=02=157 rad/s，p1=p2=150 kw，j1=j2=31470.1 0.20.30.4 0.50.1 0.2 0.3 0.4 0.50时间/s时间/s（a）k =8.7105（b）k =2.310722图 5交变载荷作用1571561551541531521511501491581561541521501481122148014600.1 0.20.30.4 0.50.1 0.2 0.3 0.4 0.5时间/s（b）k2=2.3107时间/s1.221 kgm2，j3=12.413 kgm2，m1=m2=5.0104-320y ，k1=1.8105 nm/rad，k2=2.32107 nm/rad。（1）系统等效刚度的影响由图 2图 4 中可以看到，在双电机串联驱动系 统中，系统刚度的降低对电机 1 和电机 2 的同步运 行影响不大，但电动机稳定转速会有一些轻微的调 整。 同时，采煤机在工作状态中，系统刚度也不宜太 小，否则容易引起电动机转速较大的波动， 增加系 统的振动性和附加动载荷。（a）k2=8.7105图 6阶跃载荷作用1601551501451401351301601551501451401351301252211125000.1 0.2 0.3 0.4时间/s（a）k2=8.7105图 70.50.10.2 0.3 0.4 0.5时间/s（b）k2=2.3107冲击载荷作用158156154152150148158156154152150148（3）电动机机械特性差异的影响由图 8图 10 可以看出，2 台电动 机机械特性 的差异， 对电动机的同步性几乎没有影响， 反映了 双电机串联驱动系统仍然具有较好的扭矩-转速自 调节特性。 因此，在双电机串联驱动系统设计中，2 台电机机械特性的较小差异是可以接受的。112214614600.1 0.20.3 0.4 0.500.1 0.20.3 0.40.5时间/s时间/s（a）k1=3.5104（b）k1=1.8105图 2交变载荷作用15815615415215014815815615415215014815815615415215014815815615415215014811112222146014601461460.1 0.2 0.3 0.4时间/s（a）m1=m2图 80.50.1 0.2 0.3 0.4 0.500.1 0.2 0.3 0.4时间/s（a）k1=3.5104图 30.500.10.2 0.3 0.40.5时间/s（b）m10.95m2时间/s（b）k1=1.8105阶跃载荷作用交变载荷作用43角速度 /rads-1角速度 /rads-1角速度 /rads-1角速度 /rads-1角速度 /rads-1角速度 /rads-1角速度 /rads-1角速度 /rads-1角速度 /rads-1角速度 /rads-1角速度 /rads-1角速度 /rads-1角速度 /rads-1角速度 /rads-1煤矿机械第 32 卷第 07 期2011 年 07 月vol.32no.07jul. 2011coal mine machinery基于的规约解析研究与应用plc103陈家兴（徐州中矿大传动与自动化有限公司， 江苏 徐州 221116）摘 要： 可编程控制器的通信和联网功能越来越强，而且能适应恶劣的现场环境，具有很高的 可靠性。 针对当前构建煤矿综合自动化系统的需要，采用西门子 s7-300plc， iec870-5-103 规约的通信接口方法进行了研究和系统开发，给出了流程图说明程序功能。该系统已经用于全国多个投产煤矿中，通过 plc 的以太网通信处理器接入矿井综合自动化系统，实现了矿井变电站自动化系统的无人值守。关键词： iec870-5-103 规约；通信接口；可编程控制器；cp340中图分类号： tp391； td61文献标志码： a 文章编号： 1003 0794（2011）07 0044 03research on plc based 103 protocol parser and applicationchen jia-xing(china mining drives and automation co., ltd., xuzhou 221116, china)abstract: the capability of communication and interconnection of plc gets strong enough to be used in terrible field condition with high reliability. to satisfy the requirement of constructing coal mine integrated automation system, a new design using siemens s7 -300 as communication interface is presented foe realizing cdt and iec870-5-103 protocol. a system based on design is exploited, which has been applied in many coal mines in china. trough ethernet communication processor, it is integrated within mining automation system realizing substation in coal mine. the flow chart of system are given in paper.key words: iec870-5-103 protocol； communication interface； plc； cp340前言变电站自动化子系统是 煤矿综合自 动化系统 的一个重要子系统， 主要由地面 35 kv 变电所、地面 6 kv 变电所、井下 6 kv 中央变电所和采区变电自动化系统组成。 鉴于 siemens s7-300 plc 的强 大组网能力和支持多种通信协议， 灵活性强， 故采0!16!0 !16!0!（1） 增大电机间连接刚度是 有益的 ， 能够 较明显地改善串联驱动电机的同步运行性能；（2）系统刚度的降低能够增大系统弹性缓冲作 用， 但刚度太小容易引起电动机转速较大的波动， 增加系统的振动性和附加动载荷；1551501451401351301250155150145140135130125011220.1 0.20.3 0.40.50.1 0.20.30.40.5时间/s时间/s在采煤机截割部双电机机械串接驱动系统（3）（a）m1=m2图 9（b）m10.95m2中，2 台电机机械特性的较小差异是可以接受的，对电机的同步运行性能影响很小。参考文献：1刘春生. 滚筒式采煤机理论设计基础m. 北京:中国矿业大学出 版社，2003.2刘春生 ， 于信伟 ， 闫晓林 采煤机重型滚筒