（机械电子工程专业论文）采煤机牵引部的虚拟样机及动力学仿真研究.pdf

太原理工人学硕士研究生学位论文 论文题目：采煤机牵引部的虚拟样机 及动力学仿真研究 摘要 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 作为现代 设计制造领域的一门新技术，为传统的机械产品设计注入了新的 活力，本文对把虚拟样机技术应用到采煤机牵引系统来进行动力 学分析作了初步的研究。 为了在计算机上真实地再现采煤机在实际中的工况，本文首 先对采煤机截割部和牵引部的负载特性进行了分析，得出采煤机 截割部的负载特性是符合随机正态分布的随机函数的结论，为后 续仿真中负载的模拟奠定了基础，同时得出了采煤机牵引部的动 力学方程。 以国产m g 3 0 0 6 8 0 d 型电牵引采煤机为例分析了电牵引采煤 机控制系统恒功率自动调速原理，建立了采煤机牵引部控制系统 各环节的数学模型，并利用m a t l a b s i m u l i n k 对控制系统进行了动 态特性仿真。通过分析仿真结果曲线，论证了数学模型的正确性， 从而可以用该模型来优化控制系统和机械系统的参数。 本文采用p r o e 软件建立了采煤机牵引部的机械结构几何模 型，并通过p r o e 与a d a m s 间的调用接口，将机械结构几何模型调 入到动力学分析软件a d a m s 中，完成计算机上机械结构三维实体 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 模型的建立；然后将m a t l a b 下的控制器调入到采煤机虚拟样机 中，实现机械系统和控制系统的联合仿真；通过a d a m s 与m a t l a b 间的交互式仿真，结合a d a m s 三维可视化处理，使采煤机在虚拟 环境下作仿真运动分析，从而获得采煤机在空载和有负载存在的 情况下的动力学特性。 关键词：采煤机，牵引系统，虚拟样机，动态仿真，负载特性 i i 查堕型三盔堂堡堑塞尘主竺堡兰 r e s e a r c ho nt h e v i r t u a lp r o t o t y p e a n dd y n a m i c ss i m u 蝴i o n 0 fs h e a r e r sh a u l a g e s y s t e m a b s t r a c t a san e w t e c h n o l o g yi nt o d a y sd e s i g na n d m a n u f a c t u r ef i e l d s ，t h e v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y b r i n g sn e we n e r g y t ot h et r a d i t i o n a ld e s i g n a n dm a n u f a c t u r e t i f f sp a p e rh a sa t t e m p t e dt ou s et h i st e c h n o l o g yi nt h e d y n a m i ca n a l y s i so fc o m p l i c a t e d s h e a r e r sh a u l a g e s y s t e m a tt h ef i r s tp a r t ，i no r d e rt om a k et h es i m u l a t i o nm o r e a p p r o x i m a t e t ot h er e a lc o n d i t i o n ，t h r o u g ht h e a n a l y s i so r t h el o a do ft h eh a u l a g eu n i t o ft h es h e a r e ra n dt h el o a do ft h ec u t t i n gu n i to ft h es h e a r e r ，w eg e tt h e l o a dp r o p e r t yo fs h e a r e f sc u t t i l l gu n i ta n dd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h e l o a dc a nb e e q u i v a l e n t t oar a n d o mf u n c t i o nw h i c ha c c o r d sw i t han o r m a l d i s t r i b u t i o n t h u si tp r o v i d e sc o n v e n i e n c et ot h e a n a l o g o ft h el o a d t h es e c o n dp a r tt a k e st h em g 3 0 0 6 8 0s h e a r e ra sa ne x a m p l et o i n t r o d u c et h ep t i n d p l eo ft h es h e a r e r sa u t o m a t i s m t i m m gs y s t e m t h e n i d r a wt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi t , c o n s t r u c tt h es i m u l a t i o nf l a m eb y u s i n gm a d a b s i m u l i n k , a tl a s t , ig e t t 1 es y s t e m sd y n a m i c p r o p e r t y f r o m t h es i m u l a t i o n p r o c e s sb ys i m u l a t i n g t h e m o d e l t h r o u g h t h e c o m p a r i s o n b e t w e e nt h er e s u l t f i g u r ew eg e t f r o mt h es i m u l a t i o na n dt h e f i g u r ew eg o t f r o mt h ee x p e r i m e n t ，it e s t i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l t h u su s i n g t h em o d e l ，w ec a l lo p t i m i z et h ep a r a m e t e ro fb o t hc o n t r o ls y s t e ma n d m e c h a n i c a l s y s t e m 1 1 1 奎堕型二盔兰堡主堕壅竺兰! 兰堡苎 a sf o rt h e a n a l y s i so f m e c h a n i c a ls t m c t u f e 、il i s tt h es o f t w a r ep r o e t oc o n s t r u c tt h em e c h a n i c a lm o d e l ，t h e nc o d v e r ti ti n t ot h ea d a m s e n v i r o n m e n t b yt h e i n t e r f a c eb e t w e e nt h et w os o f t w a r e s a f t e rf i m s h i n g t h em e c h a n i c a lm o d e l , ir u nt h es y s t e mi nt h es i m u l a t e de n v i r o n m e n t ，g e t t h es y s t e m sd y n a m i c p r o p e r t y k e yw o r d s - s h e a r e r , h a u l a g e u n i t ，v i r t u a l p r o t o t y p e ，d y n a m i c s i m u l a t i o n ，l o a dc h a r a c t e r i s t i c i v 查堕型王盔= i = 堡婴塞生：兰丝鲨苎 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 随着经济贸易的全球化，要想在竞争闩趋激烈的市场上取胜，缩短产 品的开发周期，提高产品质量，降低设计成本以及提高对市场的灵活反应 成为竞争者们所追求的目标。然而，传统的设计与制造方式无法满足这些 要求。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证然后进行 产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行实验，有 时这些实验甚至是破坏性的。当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计 并再用样机验证。只有通过周而复始的设计- 一实验一设计过程，产品才能达 到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统。设计周期 无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。在竞争的市场的背景下，基于 实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高、成本的降低和 对市场的占有。 如果把基于实际样机的设计验证让计算机来做，计算机不仅会像搭积 木一样把机械系统组装起来形成虚拟模型，而且会告诉我们它是怎样运动 的：通过计算机的仿真结果，工程师和设计师们便可以评价机械系统的设 计质量，这样就可以大大降低产品的设计成本，同时也缩短了产品的研发 周期。这就是采用了虚拟样机技术。 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 是当前设计制造领域的一 门新按术，是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法，它涉及 多体系统动力学、计算方法与软件工程等学科，其核心是机械系统运动学 1 太原理= ：大学硕士研究生学位论文 动力学和控制理论。这些数字模型即虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 将不同工 程领域的开发模型结合在一起，它从外观、功能和行为上模拟真实产品， 支持并行工程方法学。它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模 型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。 例如世界上最大的工程机械制造商卡特皮勒公司的t 程师们在经过j l 天培训后，采用虚拟样机技术进行装载机和挖掘机的工作装置优化设计及 分析，在天时间内，他们对工作装置进行了上万个工位的运动及受力分 析，很容易地实现了理想的设计。 采煤机是综合机械化采煤的主要设备之一。随着滚筒采煤机的广泛应 用，对日产万吨的综合工作面而言，停产一日就等于损失几百万元，滚筒 采煤机能否安全可靠地连续工作已成为人们日益关注的问题。经过前人的 实验验证和理论分析，提高采煤机可靠性的关键在于克服由于外载荷的波 动所带来的影响。由于采煤机工作环境复杂恶劣，载荷变化幅度很大，一 些关键零部件在正常工作中常常出现因过载而损坏的现象。无论是采煤机 的机械传动部件、液压传动部件、电气元件，还是摇臂、截割滚筒等，都 会因采煤机动载荷的加大而出现故障，影响采煤机的工作可靠性。例如采 煤机牵引行走部的负荷大、载荷不均，其支承轴承很容易出现磨损或滚动 体破裂等现象和链轮齿根的断裂。还有采煤机摇臂部位各传动轴承受力很 大，由于摇臂频繁升降，润滑性能较差，也极易损坏，发生故障。另外采 煤机的液压传动系统发生故障的主要原因也是机器承受较大的动载荷，使 液压元件磨损、产生泄漏，系统的控制阀动作失灵，引起液压系统的压力、 流量发生不正常的变化，导致系统发生故障。以上诸多现象和所存在的问 题都与采煤机的整机受力和机器的振动有着直接的关系。关键的问题是对 采煤机的动态特性研究得不够。 对于采煤机这样复杂的大型机械，如果我们利用虚拟样机技术，通过 在计算机上建立其机械系统的样机模型，同时采用m a t l a b s i m u l i n k 来对其控 2 太原理工人学硕士研究生学位论文 制系统进行仿真，就不仅便于对多种控制策略进行深入研究，而且伴之以 三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的负载，就能得出采煤机在不同 工况下的运动和动力学特性，并根据仿真结果来精化和优化系统。 1 2 采煤机的发展与现状 机械化采煤机始于本世纪4 0 年代，是随着采煤机械的出现而开始的。 4 0 年代初，英国、前苏联和德国相继生产了用于长壁采煤的链式采煤机， 实现了工作面落煤、装煤的机械化。至5 0 年代初期，英国和德国相继生产 出滚筒式采煤机，推进了采煤机机械化技术的发展，但此时摇臂是固定的。 6 0 年代是世界综采技术的成熟时期，英、德出现了单摇臂滚筒式采煤机， 解决了采高的调整问题，扩大了采煤机的适用范围。1 9 6 4 年又制成了双摇 臂滚筒式采煤机，解决了工作面自开口问题。进入7 0 年代，综合机械化得 到了进一步发展和提高，相继出现了功率达8 0 0 1 0 0 0 k w 的无链牵引采煤 机；1 9 7 6 年德国首次研制出了电牵引采煤机，大大改善了采煤机的性能， 为8 0 年代的综采发展准备了条件。 8 0 年代，德国、美国、英国都开发成功各种交、直流电牵引采煤机， 同时把计算机控制系统用在采煤机上，至此形成了新一代高产高效综采设 备。其特点如下：以电牵引取代液压牵引，向多电动机、大功率、机电一 体化方向发展，既提高了截割牵引速度和截深，大幅度提高单产，又增强 了运行可靠性，且操作简易安全，维修方便。因而电牵引采煤机已被先进 采煤国家大量选用。多电机的优点在于：截割电机横向布置，除省去圆弧 锥齿轮外，还大量减少了传动齿轮副，简化了机械传动系统，提高传动效 率，并为大幅度提高采煤机装机总功率创造了条件。其另一个特点是装备 了以微型电子计算机为核心的电控系统，该系统采用先进的信息处理技术 和传感技术实现机电一体化。该系统对采煤机的运行工况及各种技术参 数信息进行采集、处理、显示、存储和传输，并通过编程软件对采煤机进 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 行全面控制、监测和保护( 如过载、过热、漏电、供水水压和流量、误操作 等) ，以及实现采煤机电气系统的自动调节，截割电动机功率自动平衡和机 械故障自动查寻诊断等多种功能。 我国也重视电牵引采煤机的发展，1 9 8 7 年从美国久益公司引进了3 l s 直流电牵引采煤机2 台，在鹤岗矿务局兴安煤矿使用；1 9 9 2 年从德国引进 e d w 4 5 0 1 0 0 0 l 采煤机，在古书矿院使用口】；1 9 9 4 年从英国引进 e l e c t r a l o o o 采煤机，在常村矿使用；1 9 9 6 年从美国久益公司引进6 l s 直 流电牵引采煤机，在神府公司大柳塔矿使用，1 9 9 6 年3 月1 9 日四点班产煤 1 1 8 6 9 t ，达到国际先进水平。1 9 9 0 年我国鸡西煤矿机械厂生产了m g 4 6 3 d w 型直流电牵引采煤机：1 9 9 4 年西安煤矿机械厂生产了m x a 3 8 0 型直流电牵 引采煤机，1 9 9 6 年生产了m x b 一8 8 0 型直流电牵引采煤机。太原矿山机械厂 从英国安德森公司引进和合作生产了e l e c t r a l 0 0 0 型电牵引采煤机。 在电牵引采煤机的发展中，除日本外，世界上许多国家先是发展直流 电牵引采煤机，近年来又逐步发展交流调速的电牵引采煤机。直流电牵引 技术能满足采煤机牵引特性( 恒扭矩一恒功率) 的要求，调速平稳，能四 象限运行，适应大倾角工作面的运行，系统简单，但存在着火花、炭粉、 更换电刷和换向器，过载能力较低以及机身较宽、较长等缺点。 电牵引采煤机受到广泛采用的原因很多，其中很重要的一个就是其牵引 特性好。采煤机牵引负载特性在截割时多为恒扭矩特性，所需动力机械特 性为硬特性：调动时为恒功率特性，所需动力机械特性为软特性。这对于 电动机或泵一马达系统只有调速才能满足这种恒转矩恒功率的负载特 性，这种特性是人为机械特性，即负载的变化按人规定的规律来变化。对 调速特性来讲需要速度刚度越大越好，其调速过程或工作速度就越平稳。 从这点出发，直流电动机( 他励、并励、复励) 、交流电动机、液压泵一马 达系统都是硬特性，因此，不论电牵引或液压牵引，应该说都具有良好的 调速特性。但液压牵引的机械特性除了受负载影响外，还受油液的泄漏、 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 粘度、温度和清洁度、制造和维修质量的影响特性曲线慢慢变软。但电 动机特性除了受负载影响外，就没有像液压传动那么多臼勺影响，也就是电 牵引的牵引特性好，调速平稳性好，牵引特性曲线可长时间的保持稳定。 1 3 论文研究的主要内容 采煤机的牵引系统经历了从钢丝绳牵引，圆环链牵引到无链牵引三个 阶段，无链牵引的发展，为长壁采煤技术创造了巨大的发展潜能。目前国 内外广泛采用的无链牵引系统主要有4 种：齿轨式( r o l lr a c k ) 、销轨式 ( e i c o t r a c ) 、动态链轨式和强力链轨式。1 9 7 1 年，英国制成了第一台完全不 用固定链牵引的滚筒式采煤机。这是首创的无链牵引方式，在英格兰的约 克郡进行的井下试验，获得圆满的结果。之后，德国、前苏联、波兰、臼本 以及我国也相继研制出各自的无链牵引系统。近年来，随着国内、外大功 率、高性能电牵引采煤机的不断涌现，国外采煤机的无链牵引系统发展较 快，推出了一些新的承载能力大、适应性广、使用寿命长的链轨式牵引系 统，以满足采煤机高速度和大牵引力的要求。我国使用的无链牵引系统，目 前主要有3 种：即销轨式、齿轨式和动态链轨式。综合国内众多矿井的多年 使用经验，发现还存在以下问慰5 5 】： 在需要大牵引力的煤层中使用齿轨式牵引系统，其啮合副的接触强 度不够，齿条表面普遍存在严重的塑性变形，甚至出现“压陷现象”，由于 齿条受到加工工艺的限制，其机械性能难以有很大的提高。 销轨式牵引系统，啮合、导向情况较好，但在需要大牵引力的煤层 中使用，如煤层倾角较大时，行走轮和圆柱销的磨损及塑性变形也很严重： 且对底板的适应性较差，销轨接合处节距增大或变小带来的不利影响难以 消除： 9 0 年代初，电牵引采煤机逐渐取代液压牵引采煤机后，采煤机的牵 引力有了较大幅度的提高，特别是交流电牵引采煤机的牵引特性较硬，牵 5 盔垦垄三盔兰婴竺壅生堂垡堡塞 一一 引系统的缓冲能力差，行走机构中行走轮、轴承、导向滑靴经常出现损坏 现象，且更换十分困难，严重影响了煤矿井下的生产。 经过近3 0 年的探索与研究，采煤机无链牵引系统取得了迅速发展。但 是无链牵引系统作为采煤机的一个重要工作部分，以及与众不同的传动特 点和工作要求，国内、外围绕如何提高无链牵引的承载能力和改善采煤机 对底板的适应性两个主题，不仅对广泛使用齿轨式和销轨式牵引系统提出 了改进，而且推出了新一代的承载能力大、挠性好、适应性强、使用寿命 长链轨式牵引系统，该系统是大型采煤机无链牵引方式的发展趋势。这项 技术在国外已经比较成熟，德、英、美、日等国均采用这项技术，但国内 对链轨式牵引系统的认识和研究还刚刚起步，有必要对链轨式牵引系统进 行深入、全面的研究。 本课题针对采煤机链轮存在的以上问题，紧紧围绕这一问题，从分析 采煤机在运行中的负载特性入手：建立了采煤机牵引部控制系统的数学模 型，并进行了控制系统的动态仿真，通过比较不同控制策略下采煤机的动 力学特性，有利于选择最佳控制方法；最后，建立了采煤机的虚拟样机模 型，并结合前面所做的控制系统，利用该模型做了机电系统的联合仿真分 析，从仿真结果中，分析了链轮部的受力特性，从而为采煤机的机械结构 设计提供依据。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章采煤机的负载特性分析 2 1 采煤机截割部的负载特性 由于煤层物理性能的变化，以及因牵引系统的弹性变形及非线性摩擦 引起的牵引速度的变化，采煤机在工作过程中负载的变化十分剧烈。图2 一l 是国产m l s 3 型采煤机电动机负载电流的实测曲线。负载的剧烈变化将给 电动机和机械传动系统造成严重的威胁，甚至于引起破坏性事故。 采煤机整机功率控制系统的作用就是根据电动机负载给出控制信号， 调整牵引速度，使采煤机的负载功率恒定在允许的范围内，使采煤机保持 所谓的“恒功率”运行。实践证明，整机恒功率控制系统对保证采煤机的 可靠性，对减小因采煤机事故而损失工时的作用是显著的。 为了使系统适应采煤机的负载特性，有效的工作，收到应有的技术经 济效果，分析研究采煤机的负载特性是十分必要的。综合有关文献和试验 分析结果。采煤机的负载具有以下特性。 采煤机整机功率是符合正态分布的随机变量 1 随机信号的概率密度函数定义为【l0 ： p ( z ) = l i m a x - - - ，0 坠型缝a 型x 坚箜) 对于各态历经过程，p ) 2 去【差凳等】 ( 2 1 2 ) 血寸0 z7 _ ， 式中，p x x ( t ) x + x 表示瞬时值落在a x 范围内可能出现的概率 7 8 -90目】u甚当苫uu葛iu【拦己茁 鼋嚣球蛙事拭譬毒事再罐晕蜡_【上田 太原理工人学硕士研究生学位论文 t 。= k t t + a t 2 + 表示信号瞬时值落在( x ，x + x ) 区问的时间，t 表示分 析时间( 图2 - 2 ) 。 x ( t ) x + x 融尸2m 矿1 l ，1yn x 。1 0 、 。 t 图2 - 2 概率密度函数的计算 f i g u r e2 - 2c a l c u l a t i o no f p r o b a b i l i t yd e n s i t y 上式表明概率密度函数p ( x ) 是信号x ( t ) 的幅值落在指定区间a x 内的概 率与x 的比值，随x 所在位置不同而变化，是幅值x 的函数。 如图2 - 3 中，a 是根据图2 一l 记录的采煤机负载电流曲线取样绘制的， 图中取样间隔i l 平均值的概率密度p ( 1 1 ) ，十分近似正态分布：b 是根据图2 - l ，采样周期t = 1 秒时计算的概率密度曲线。 a 曲线ib 曲线i i a c u r v ei bc h i v ei i 图2 - 3 电流概率密度曲线 f i g u r e 2 - 3p r o b a b i l i t yd e n s i t yo fc u r r e n t 煤层的抗切削强度a ( n m m ) 是按正态分布的随机变量，a 的概率密 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 度函数为i i j ： 一娅 p ( 爿) 2 丽1 e 2 口2 ( 2 - 3 ) 式中：五随机变量a 的平均值： 。a 的方差 采煤机的负载决定于煤的抗切削强度、滚筒及刀具的几何参数，以及 牵引速度。在7 - 作面条件大致相同的条件下，改变牵引速度，采煤机负载 电流的平均值i 将随之变化，但其方差不会发生大的变化。采煤机负载功 率的分布范围为【l 】： _ n i m a x ：2 5 4 ( 2 - 4 ) ，m i n 对于硬煤层取小值，对于软煤层取大值。由图2 - 1 的数据表明，其负载 电流的分布范围为：冬旦丛2 7 ( 2 - 5 ) l 。i 1 1 2 2 采煤机牵引部的负载特性 采煤机牵引部的负载主要有：包括机器质量在内的惯性负载、齿轮弹 性元件构成的弹性负载、摩擦负载以及滚筒在截煤过程中的牵引阻力。图 2 - 4 是电牵引采煤机机构的受力简图。由图中可看出，滚筒截煤时受到的截 割阻力可以分解为互相垂直的两个分力：前滚筒为p 。和p ，：后滚筒为p 。 和p y 。p y 和p y 就是作用在滚筒上的截割阻力，其作用方向应与滚筒的旋 转方向相反；p 。和p 。就是滚筒的推进阻力，其作用方向应与采煤机牵引速 度方向相反。由于螺旋滚筒要受到装煤和截煤g l 起的轴向力的作用，特别 是因为滚筒的推进阻力p x 、p 。与驱动轮的驱动力不在同一直线上作用，形 成使采煤机转动的扭矩，因而滑靴受到侧向力p ：、p ：，。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 r z 图2 - 4 电牵引采煤机的受力简图 f i g u r e 2 - 4 f o r c es k e t c ho f e l e c t r i c a l h a u l e ds h e a r e r 采煤机重量是决定采煤机牵引阻力的重要因素。若把它分解成g c o s o 和g s i na 两个分力，那么，前者垂直于底板，是采煤机对运输机溜槽压力 的组成部分；后者平行于底板沿工作面向下作用，采煤向下牵引时是助力， 向上牵引是阻力。 采煤机牵引移动时必须克服的牵引阻力为： t 5 ( p x + p x ) + t t ( g c o sa p y + p y + p z + p z 】+ g s i n 2 k i g + f g ( c o sq - k 2 + 2 k s ) _ + g s i n o ( 2 - 6 ) 式中：卜一摩擦系数，决定于采煤机导向机构摩擦表面的状况和湿度，以 及采煤机的运动速度等，平均可取0 1 8 ： k l _ 半经验系数，估算时可取o 6 0 8 ： u 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 足2 = 垒 2 估算系数，由于采用“前顺后逆”的滚筒转向， 而且后滚筒的截割阻力比前滚筒小放初步估算 时可偏于安全地取为0 0 2 ： k 3 = 告= 等考虑便4 面导向反力对牵引阻力影响的系数主要 决定于无链牵引轨道的布置和工作面倾角的 大小： a 工作面的倾角； 卜采煤机移动部分的重量； 同时我们也可以得到采煤机机体在运动过程中的力平衡方程： 卜硝。窘邶，詈+ f ，+ p 0 沼， 式中：t 一牵引链轮的牵引力矩； m o 一采煤机机身的质量； y 一采煤机的位移； b l 一机器移动时的粘性阻尼系数： f f 一机器移动时的库伦摩擦力： p o 一机器的外负载； 其中b l 、f f 、和p o 可由以下三式确定： 曰1 = k o ( 1 + 挚) ( 2 - 8 ) 。= 归c o s a ( 1 + ( 2 - 9 ) 疡：月+ g s i n a ( 1 孕) ( 2 - l o ) 1 2 太原理工人学硕士研究生学位论文 式中：一牵引力梯度，为常量： f 一采煤机与运输机之间的摩擦系数： l 。、1 2 、1 3 一牵引阻力、重力沿工作面分量和滑靴的侧向力对链轮的力 臂； g 一采煤机的重量； a 一煤层倾角； r 一牵引阻力，与截齿几何参数和煤层的物理机械性质有关。 摩擦力f f 在方程中是非线性因素，这里把它转换成为与速度有关的当 量粘性阻尼系数【l 】： 4 f f 4 f ， 驴面荔卜丽赢菰 口。1 1 式中：u o 一负载系统的固有频率，( 0 0 = y m “一负载的最大位移，y m “= j 告 ( 2 - 1 3 ) 于是可得： ：b 1 + b f ：k o ( 1 + 挚) + 丝( 2 - 1 4 ) t 3 , q p 0 2 ( k o m o ) 对( 2 - 7 ) 式作拉式变换可得： t ( s ) = m o s 2 y ( s ) + b o s y ( s ) + p o ( 2 1 5 ) 则机器的输出位移表扶式为! 1 3 ( 2 1 6 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 型：! r ( s ) m o s 2 + b o s 型：二! p om o s 2 + 玩s f2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 1 4 太原理t 大学硕士研究生学位论文 第三章电牵引采煤机控制系统的工作原理 由于煤层机械物理性能的变化，以及因牵引系统的弹性变形和非线性 摩擦而引起的牵引速度的变化，采煤机在工作过程中负载的变化十分剧烈。 负载的剧烈变化将给电动机和机械传动系统造成严重的威胁，甚至引起破 坏性事故。为了减小煤质的变化对机器的冲击影响，就要根据电动机负载 给出控制信号，调整牵引速度，使采煤机的负载功率恒定在允许的范围内， 使采煤机保持所谓的“恒功率”运行。实践证明，整机恒功率控制系统对 保证采煤机的可靠性，对减小因采煤机事故而损失工时的作用是显著的。 其经济效益也是显著的。 恒功率自动调速系统对采煤机的运行产生以下作用： 可以有效地使采煤机负载变化的幅度降低到额定功率的1 0 或更 小，使机器处于满载下工作； 极大地减小电动机负载电流和负载转矩的变化率( 即堕和曼堕) ，减 d td t 轻了由此在电动机绕组上产生的冲击电压和在截割部齿轮传动系统上产生 的附加动载荷，也显著地改善了采煤机的工况，提高了采煤机的可靠性。 通过对牵引速度的自动调整，采煤机能自动地适应工作面煤层条 件，使电动机经常处于其额定负载功率的平均值附近工作。在此情况下采 煤机控制系统发出控制信号的概率较低，产生控制作用的频繁程度也较低。 因此，就可以把由于调整过程对采煤机整个系统引起的动载荷可降低到最 小。 3 1 采煤机自动调速系统及其原理 在8 0 年代以前，交流调速技术还不成熟的时期，电牵引采煤机都以直 流电动机作为采煤机的动力源。其中以德国的直流电牵引采煤机为代表， 1 5 太原理：t 大学硕士研究生学位论文 采用直流他激电机为主，每台电动机由单独的变压器和可控硅整流、控制 装置供电控制。这种供i 乜力- l i j 以提商f 乜动机电舷【u j k ( 5 2 0 v ) ，减小连接 电缆的截嘶积和电动丰j l f , j 额定电流，放电动机只需定子冷却。另外，双牵 引时2 台电动机通过电气系统进行负荷平衡。这种直流他激牵引系统可实 现四象限运行，可在煤层倾角4 5 。5 4 。的条件下工作。 直流电牵引采煤机的牵引系统也具有整机恒功率控制功能。当截割电 动机的电流互感器检得的电流信号经放大、转换后输入计算机，经计算机 分析处理后，即可发出指令，对牵引系统进行自动调速：当截割电动机电 流超过其额定电流的1 0 5 时，牵引电动机自动减速；截割电动机电流低于 其额定电流的9 5 时，牵引电动机自动升速，从而保证了截割电机的恒功 率控制。 由于交流调速技术的日渐成熟，当前电牵引采煤机上多采用交流电动 机作为牵引电机。交流电牵引采煤机的牵引电机是鼠笼式异步电动机，利 用变频变压调速原理来进行牵引电机的调速和换向，因此，需要一套变频 调速控制装置及其电源变压器来对牵引电动机进行控制。下面以国产的 m g 3 0 0 6 8 0 w d 型交流电牵引采煤机为例介绍采煤机的调速原理。 图3 - l 所示为m g 3 0 0 6 8 0 w d 型交流电牵引采煤机调速原理图，如图 示，与直流电牵引相类似，在交流电牵引采煤机恒功率控制过程中，首先 给控制器以截割电机的额定功率p o ，然后经控制器计算分析，发出对变频 器的控制电压信号，变频器将控制电压转换为供给牵引电机的频率，来控 制牵引电机的运转。当煤壁的硬度变化时，负载传感器或温度传感器把来 自截割电动机的负载电流信号或电机的温升信号经过处理( 放大、滤波、 d a 转换等) 传输给控制器并与给定的额定功率进行比较然后由控制器给 出控制调节电压。若煤壁硬度变大即电机过载，控制器就减小变频器的控 制电压来减小变频器的输出频率，从而减小牵引电动机的速度，以减小采 煤机的速度来改变截齿的切煤厚度，达到调整采煤机负载的目的而使截割 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 电机的负载功率回到额定点：反之，硬度变小即电机欠载时，控制器增大 图3 - 1 调速原理图 f i g u r e 3 - if r a m eo f v e l o c i t yr e g u l a t i o n 黼力 刀且参数 变频器的控制电压，提高采煤机的牵引速度增大截割电机负载，保证截割 电机的满载运行。 作为电牵引采煤机核心部分，采煤机的电气控制系统主要是对截割、 牵引和液压泵电机的控制、监测和保护，主要通过微型计算机h o s t 单元 系统来完成1 3 1 。 h o s t 是控制的核心，采用新型的单片微型机结构，其全称为液压输出 和s c r ( 可控硅触发器) 单元。它的功能除控制采煤机的液压功能和牵引 电动机的触发电路外，还能完成遥控解码与监测、电动机过载温控监测和 系统的故障诊断以及紧急停车等。 根据控制方式的不同，常用的控制有继电型控制器、线性控制和s 型 控制，下面分别加以介绍。 继电型控制器多用于具有压力反馈校正环节的泵控马达系统目前不 少文献也称它为“液压恒功率控制系统”。由于负载功率变动的幅度较大， 误差信号e n 也很大，在此情况下。如果将系统设计成线性的，按e n 成比 例地产生控制作用，往往是不能实现的。所以具有这种系统的采煤机功率 调整应采用继电器伺服系统。继电型控制器往往由晶体管无触点开关和具 有双稳态的电液伐组成。如图3 2 为继电型控制器的控制原理图 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 2 中l 是继电器型控制器，u 是模拟额定电压，是系统的给定值。 继电器的死区电压d 是功率允许偏差( 例如5 n l 0 、8 n l 0 或1 0 n l 0 ) 的模拟量；2 是调节器，是执行机构，不论是在+ u 还是在一u 的作用下， 单向调整都是线性的：3 是牵引部调速伺服系统：4 是通过滚筒与煤壁的相 互作用，发生在牵引速度和负载功率之间的反馈关系。 图3 2 继电器型控制原理图 f i g u r e3 - 2 r e l a i dc o n t r o lp r i n c i p l e 3 2 电动机恒功率自动调速过程及其数学分析 对于电牵引采煤机，其截割电机功率为口l ： n 2 n o + c v q ( k w )( 3 - 1 ) 按电流与电压的关系，电机功率f 4 】： ：,31ucos(kw)(3-2)1000 式3 - i 、式3 - 2 中：c 常数，在给定条件下，与截割阻抗、夹矸情况、 截齿型式、截齿磨损程度、截齿配置等因素有关，主 要由截割阻抗a 决定【3 】。 v r 牵引速度； 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 n o 一采煤机刚要牵引运行时的截割电机的空转功率； i 负载电流，( a ) ： u 供电电压，( v ) ： c o s ( 巾) 电机功率因数，一般取c o s ( 母) = o 8 ； 由式( 3 1 ) 、( 3 - 2 ) 可得截割电机负载电流为： ，：n o + = _ c v q ( 3 - 3 ) 仁f 式中：k 一! 型! ! ! 翌，其中参数同前。 1 0 0 0 按照保持电机功率或负载电流为恒定值的条件下进行自动调速 当i 负 i 额时，负载阻力f nf i 负f 一自动调速系统工作一v 。l i 负l i 负i 颤( n 负n 顿) ； 采煤机在电机恒功率调速过程中，规定了调速带，当额定电流为i 龋时， 一般设定稳速带为i 龋l i 额= ( 0 9 1 1 ) l 顿 当负载i 负 1 i i 龋，过载自动减速； 当负载i 负= i 颤l l 顿= ( o 9 1 1 ) i 曩，满载稳速，； 由式3 2 可得截割电机额定电流： 稳速带：i 负= ( 0 9 1 1 ) i 壤 k ：掣( 3 - 4 ) 颤2 万瓦而 空转电流i o ( v o = 0 时) ，可按实验或估算来定，n o 一般按( o 0 5 0 1 ) n 来定【5 3 】。 电机恒功率自动调速过程如图3 3 所示。 1 9 奎堕里三丕兰堡主坚壅生堂垡丝苎一 初始给定速度v l ，工况点为a ，则i o a 为a 点的工况线； 过载减速 在v l 基础上超载到i ，l 时：作图得到工况点b ，对应速度v 2 v i ： i 。在v 。上瞬时欠载的电流值：l r i i 。l ： i o _ 一空载电流值： 当连续欠载时，v 。将连续增加，直到v q v 1 ： 2 1 太原理工大学硕士研究生星位! 垒塞 第四章控制系统的数学模型 要定量地分析和综合控制系统，首先要建立它的数学模型。系统的数 学模型是描述系统中各变量之间相互关系的数学表达式。由于控制系统是 动态系统，变量与时间有关，因此数学模型常用微分方程( 连续系统) 和 差分方程( 离散系统) 来描述。系统总是由各环节组成的，为了方便，我 们可以把各个环节当作总系统的子系统来加以分析。一般情况下系统的数 学模型主要是根据系统内部的工作原理和运动规律，对其应用物理学定理 ( 电路基本定律、牛顿力学定律等) 而建立的。对于系统辨识法这种建模 方法，适用于对系统运动机理不清楚，不能掌握内部运动规律的情况。 4 1 采煤机控制器数学模型 控制单元是计算机控制系统的核心。它接收来自数据处理系统的数字信 号，把测得的参数按照一定的控制规律将其在计算机上进行运算分析后， 经过过程输出通道，作用到控制对象，使得被控参数符合要求的性能指标。 4 1 1 常用的控制类型及p i d 控制数学模型 按照控制规律分类，计算机控制系统可分为以下几类： 程序和顺序控制 程序控制是被控对象按照预先规定的时间函数变化，被控制量是时间 的函数。顺序控制可以看作是程序控制的扩展，在各个时期所给出的设定 值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取 决于对以前控制结果的逻辑判断。 比例积分微分控制( 简称p i d 控制) 调节器的输出是调节器输入的比例、积分、微分的函数。p i d 控制是现 2 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 在应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。p i d 控制结构简单，参数 容易调整，因此无论模拟调节或者数字调节多数使用p i d 控制规律。 有限拍控制 有限拍控制的性能指标是时间最短，要求设计的系统在尽可能短的时 间里完成调节过程。有限拍控制通常在数字随动系统中应用。 复杂规律的控制 生产实践中控制系统除了给定值的输入外。还存在大量的随机扰动。 另外，性能指标的提法，也不单是过渡过程的品质，而且包括能耗最小、 产量最高、质量最好等综合性指标。对于存在随机扰动、纯滞后对象以及 多变量耦合的系统，仅用p i d 控制是难以达到满意的性能指标，因此，有 时候针对生产过程的实际情况，可以引进各种复杂规律的控制。例如：串 级控制，前馈控制，纯滞后补偿控制，多变量解耦控制以及最优、自适应、 自学习控制等。 在所有这些控制方法中，p i d 是 目前应用虽广泛的一种控制规律， p i d 控制表示比例( p r o p o r t i o n a l ) 一 积分( i n t e g r a l ) 一微分( d i f f e r e n t i a l ) 控制。p i d 调节器如图4 1 所示，调 节器的输入与输出之间是比例一积分 一微分的关系。写成数学表达式就是： 图4 - 1p i d 调节器 f i g u r e 4 1p i da d j l l s t o r 砸) = k p 以f ) + 寺c f f + 乃警】( 4 - 1 ) 或者：u ( s ) = k p e o ) + 等e ( s ) + k d 啦o ) ( 4 2 ) 若以传递函数的形式表示则为： 盔星堡三盔兰堡主婴塞生堂丝丝苎 等- k p + 堕。- 塌s 3 ) 式中：t 。为积分时间常数：t d 为微分时间常数：k p 称为比例系数：k ：k _ p 1 f 称为积分系数：k d ；k 。乃称为微分系数。 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r ( t ) 与实际值c ( t ) 构 成偏差值e ( t ) = r ( t ) c ( t ) ，将偏差的比例( p ) ，积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制的。 41 2 继电器型控制器数学模型的建立 u ：片0 u m u i t l 。4 - 4 ， y u = () 。 卜m u i 砭时，加速度a = d n d t 为正，传动系统为加速运动；当 瓦时，a = d n d t 为负，系统为减速运动a 系统处于加速或减速的运动 状态称为动态。处于动态时，系统中必然存在一个动态的转矩： 3 5 奎星垄王盔= i 兰堡主婴茎生堂垡丝茎 乃一g d 2 d n ( 4 2 7 ) “ 3 7 5d t 、 它使系统的运动状态发生变化。这样( 4 2 3 ) 、( 4 2 6 ) 也可以写成转矩 平衡方程： 一吒= 乃或= 乃+ 瓦 就是说，电动机所产生的转矩在任何情况下，总是由轴上的负载转矩 ( 即静态转矩) 和动态转矩之和相平衡。 当= 冕时，t a = 0 ，这表示没有动态转矩，系统恒速运转，即系统 处于稳态，稳态时，电动机发出转矩的大小仅由电动机所带的负载( 即生 产机械) 所决定。 4 5 2 转矩、转动惯量和飞轮转