掘进机电气拖动及控制系统.doc

矿用掘进机电气拖动及控制系统摘 要悬臂式掘进机是集截割、行走、装载及运输于一体的巷道掘进的综合化机组，是井下巷道掘进的主要设备。悬臂式掘进机电气拖动及控制系统作为掘进机中的核心技术，其控制性能的优劣直接决定了掘进机整体性能的优越与否。因此，对悬臂式掘进机电气拖动及控制系统的研究对推动我国掘进机的发展具有重要的意义。本文在介绍悬臂式掘进机整体特点及发展状况的基础上，对其截割部、行走部的控制进行了详细的分析和研究，对EBZ160悬臂式掘进机电气控制系统进行了设计，并利用PLC工业计算机作为电控系统的核心控制器件，用软件实现复杂的逻辑关系，代替传统的继电器逻辑控制。系统结构简单、连接线少、可靠性高且易于维护和检修，实现过流、过载、断相保护和故障诊断、整机运行工况检测监视功能。关键词:悬臂式掘进机； 电气系统； PLC可编程控制器；The mine roadheader electric drive and control systemAbstractRoadheader is integrated unit tunnel set cutting, walking, loading and transportation in one, is the main equipment of underground tunnel excavation. Boom-type roadheader electric drive and control system as the core technology of the tunnel boring machine, its control performance directly determines the overall performance of tunnel boring machine is superior or not. Therefore, study of boom-type roadheader electric drive and control system to promote the development of TBM in China has important significance.This paper based on the introduction of boom-type roadheader overall characteristics and development status, control of the cutting department, Ministry of walking are analyzed and studied in detail, the electric control system of EBZ160 roadheader was designed, and the use of PLC industrial computer as core control system control device, to realize the complex logic relation with the software, instead of the traditional relay logic control. The system has the advantages of simple structure, less connecting wires, high reliability and easy maintenance and repair, realize the overcurrent, overload, open phase protection and fault diagnosis, machine condition monitoring function.Key words:Boom-type roadheader；Electrical system；Programmable controller目 录摘 要1Abstract21 绪论51.1 悬臂式掘进机国内外发展现状51.2 悬臂式掘进机发展趋势61.3 掘进机分类71.4 掘进机电气拖动及控制系统研究意义81.5 论文主要研究内容92 臂式掘进机整机机构102.1 悬臂式掘进机分类和型号102.2 悬臂式掘进机的构成及各部分功能102.2.1 掘进机整体结构102.2.2 掘进机各部分结构及功能112.3 本章小结163 截割部调速控制系统173.1 截割头恒扭矩双速电机调速控制173.1.1 双速电机173.1.2 恒扭矩双速电机调速183.2 截割头恒功率自动牵引调速控制183.2.1 截割头工况183.2.2 悬臂式掘进机截割部调速方法193.3 本章小结264 行走部驱动及控制系统274.1 行走部结构274.2 行走机构驱动方式分析284.2.1 液压驱动284.2.2 电驱动284.2.3 悬臂式掘进机行走液压系统控制方式294.3 EBZ160 型悬臂式掘进机行走液压系统294.4 本章小结315 EZB160TY掘进机电气系统325.1 掘进机主要技术参数325.2 掘进机的电气设备335.2.1电控箱的主要技术参数及特征375.2.2 工作原理375.3 EZB160TY掘进机电气系统原理415.4 PLC控制系统425.4.1 PLC概述425.4.2 PLC控制系统设计445.5 本章小结51结论和展望52参考文献53致 谢54外文原稿55中文翻译67附录1 电气系统图751 绪论1.1 悬臂式掘进机国内外发展现状用掘进机掘进巷道的初步尝试，应归功于上个世纪初。在此之前曾出现：英格里斯型隧道钻进机和普列依斯型掘进掩护支架（英国）、安德逊型掘进机（美国），后者可与掩护板配合或单独工作。单独工作时，安德逊型掘进机用辅助液压油缸移动，其形式与现代掘进机的概念相符合。但由于很多结构上的缺点，这几种机器均未得到工业应用。 第二次世界大战以后，掘进机开始得到工业应用。在美国，考虑煤层赋存特点，带双钻削头的掘进机得到广泛应用，用于掘进煤巷和房柱式开采。在西欧和前苏联也得到了广泛的发展。目前，世界上各主要产煤国用掘进机掘进的巷道已占巷道总长的40%-50%。近年来,悬臂式掘进机不仅用于煤及软岩巷道的掘进，在中等硬度的半煤岩巷道掘进中也取得了良好的技术经济效果，国外的某些重型掘进机已能切割某些较硬的岩石巷道。 近年来国外悬臂式掘进机的发展与研究主要体现在以下几个方面： 1. 切割功率稳定提高，机器的可靠性提高 日本成功地使用TM60K型掘进机掘进全岩巷引水隧道，岩石硬度高达170-200Mpa,目前最大的WAV408型掘进机重达160吨，切割功率可达408kw，定位切割断面面积可达87.5m。以先进的制造技术为基础，从原材料质量到零部件的加工精度都能进行严格的控制，又有优越的国际协作条件，有效的保证了主机的质量水平。这些大大提高了整机的可靠性。 2. 配套设备多样化为充分发挥掘进机效能，各国都十分重视综掘作业线配套设备的研究。为缩短支护时间，在中等稳定顶板条件下，常用机载锚杆钻机支护；为使掘进机与支护平行作业，运用超前液压支架或自带盾牌掩护支架，但使用效果都不理想。在后配套运输方面，通常采用桥式带式转载机，后配带式输送机，有条件时设置活动煤仓。 3. 采用机电一体化技术 国外新型掘进机均配有完善的工况检测和故障诊断系统，从而可以在早期发现机器故障，并快速排除故障，大大缩短了机器的停机时间，生产率相应大幅提高；这样还可以保证切割机构的负载平稳，避免由于人工操作不当而引起的系统尖峰载荷，从而延长机器的使用寿命。部分新型掘进机可实现推进方向监控、截割路线循环程序控制、切割断面轮廓尺寸监控。 4. 研究探索新的截割技术，如高压水射流掘进机的研制，冲击振动式截割机具的研制等。 我国掘进机的发展起步较晚，尽管我国在1956年引进前苏联-3 型掘进机用于煤巷掘进，60 年代后期也进行了国产掘进机的研制，但由于当时的技术水平与生产条件所限，未能在生产中广泛采用。“六五”以前，我国的掘进机研究水平还停留在轻型掘进机上，以截割煤为主。通过“六五”，“七五”，“八五”的技术攻关，经过科技工作者不断的努力，我国掘进机研究与制造均取得了喜人的成绩，掘进机从轻型发展到了中重型，截割对象从煤拓展到了岩石，掘进机的使用范围产生了质的变化。目前，悬臂掘进机技术已经跃上了一个新的台阶，总体水平接近国外同行。取得的成绩主要有 (1)相继开发出三种重型掘进机，它们是EBJ-160型，EBJ-160H型和EBH-132型，其中EBJ-160型掘进机获国家科技进步二等奖（1999年），它的研制成功使我国的掘进机研究与制造水平迈上了一个新台阶，标志着我国掘进机研制开发水平进入国际先进行列，使国产掘进机可经济截割80Mpa 硬度的岩石，使用范围不断扩大，目前已推广到铁路、公路、水利建设等部门，并出口俄罗斯。 (2)完成了硬岩截齿的研究，研制出“三高”硬质合金刀头和新的截齿制造工艺，使我国的硬岩截齿消耗达到国际先进水平。 (3)对高压水射流辅助截割技术和惯性冲击辅助截割技术进行了探索和尝试，并研制成功了ELMB-75C型振动式掘进机，现已批量生产。 (4)将PLC（可编程控制器）成功应用到部分掘进机电控系统中，在电控系统的保护插件及故障诊断等方面取得了一定的成绩。以上是简要分析了当今世界上和国内掘进机技术的发展现状与趋势。应当看出，我国掘进机技术发展在某些方面与国外同行相比仍然存在一些不足。1.2 悬臂式掘进机发展趋势纵观国内和国外悬臂式掘进机的发展情况，各国都在技术方面进行创新，未来的发展趋向如下:1. 重型化、大功。随着采煤机械化程度的提高和巷道断面的不断扩大，掘进机面对越来越硬和研磨性更强的岩石，单向抗压强度超过170Mp。因此，开发研制高功率、大质量的重型硬岩掘进机尤为迫切。目前，国外许多重型掘进机截割功率达到200一300KW，最高可达500KW。而我国重型掘进机尚处于发展阶段，截割功率目前己达200K。越来越高的截割功率虽然可提供给截割头巨大的截割力，但使机器的振动进一步加剧，对生产率、机器的寿命和日常保养都将产生不利影响。随之而来的是机器的重量将越来越大，以增加稳定性。2. 掘、钻、锚一体化。研制集掘、钻、锚为一体的采掘锚综合机组，以实现快速掘进的同时又能打眼安装锚杆，支护顶板、侧帮，实现掘进、支护平行作业，解决掘进机利用率低的问题。因此，掘、钻、锚一体化是实现巷道快速掘进，满足高产、高效工作面发展需要的重要技术途径。3. 喷雾降尘设备随机化。目前,掘进机大多设有内、外喷雾装置,但对呼吸性粉尘降尘效果差，喷嘴堵塞严重。因此,对现有机型设置机载降尘设备，强化外喷雾的使用效果，将会使掘进机在工作时的粉尘浓度大大降低。4. 智能化、自动化。配置激光导向系统、计算机断面控制系统和遥控系统，以降低对操作人员的反应要求，提高生产效率和生产能力。5. 矮型化。在加大机重、截割功率和提高截割硬度的前提下，注重发展机身较低的机型，以易于井下运输和适用于掘进中、小断面巷道，同时也为配置其他辅助设备(锚杆安装机、辅助工作平台等)带来了方便。6. 附件化。保留必要的截、装、运、行主要组成功能，将降尘、辅助支护等装置以附件形式出现。这样，可根据需要选择装配各种附加件，给设计、制造、使用都带来方便。7. 装载运输装置亦采用可伸缩型结构，保证机器的机动性和适应性。液压系统逐步趋于完善、可靠。1.3 掘进机分类掘进机按照对于巷道断面的作用方式可划分为两种：全断面掘进机和部分断面掘进机。如图 1-1 所示 图1-1 部分断面掘进机实物全断面掘进机，也称为连续作用式巷道掘进机。其工作机构，由一个或数个装有盘形滚刀或截割刀具的圆盘以及锥形刀盘组成。在平行于工作面的平面内工作机构绕机器中心线旋转，对整个工作面同时进行截割，全断面掘进机驱动装置的动力容量大，能在整个工作过程中连续破碎煤、岩石，所以生产能力很高，并且由于破岩刀具能够合理地分散布置在截割圆盘上，对工作面的压力比较均匀，同时其控制系统相对简单，有利于实现掘进机的自动控制。采用这种圆盘式工作机构的巷道掘进机，只适用于掘进圆形、拱形断面的巷道，因此在长距离、大断面的硬岩隧道施工中，全断面掘进机得到了广泛的应用，例如世界著名的英吉利海峡海底隧道就是用11台全断面掘进机完成的，我国秦岭西康铁路隧道也是用两台德国产TB880E全断面掘进机完成的。但是全断面掘进机也存在一些缺点:1. 对巷道断面的规格和形状适应性差，为掘进不同规格的巷道，还需要安装辅助破碎机构； 2. 掘进半煤岩巷道时，煤、岩不能分别切割； 3. 由于圆盘式工作机构体积庞大，使得进入工作面检查、检修和更换刀具都很困难，必要时还需要使掘进机退离工作面； 4. 作业线投资偏高，对隧道围岩地质和巷道适应性较差由于全断面掘进机存在以上缺点，影响了其大量推广使用，对于中短巷道的掘进采用全断面掘进机是很不经济的。部分断面掘进机，也称为循环作用式巷道掘进机。其工作机构仅能同时截割工作面煤岩断面的一部分，为截割破落整个工作面的煤岩，必须在断面内多次连续地移动工作机构的截割头。悬臂式掘进机（如图1.1所示）也称为部分断面掘进机，工作时通过截割头的旋转和悬臂（也称为截割臂）的上、下、左、右自由摆动，能够截割出任意形状的断面。按照悬臂上安装的截割头的形式不同，又可以分为纵轴式和横轴式两大类。实践证明悬臂式部分断面掘进机有以下一些优点： 1. 由于工作机构可在机器的允许范围内任意摆动，截割头能够截割出任意形状不同断面的巷道；可以卧底、钻柱窝和挖水沟；还可以分别截割半煤岩巷道的煤和岩石，对采准巷道断面的规格形状和煤岩赋存情况的适应性较好，所掘进巷道断面的变化范围较宽。2. 掘进速度快，质量好。如果支护作业安排在作业后进行，掘进机可实现连续掘进，能同时完成破煤岩、运输等工作，效率高，且掘进机是机械破岩，掘进后煤岩巷道周围煤岩壁完整光滑，超挖掘量少，减少了支护量，这与传统的钻爆法相比，掘进速度可提高1-1.5倍，劳动效率提高1-2倍，巷道成本可降低3050%，并避免了爆破作业时巷道周围煤岩因爆破振动而破坏的现象发生。 3. 结构紧凑、技术先进。目前悬臂式掘进机多采用耙装式装载机构和履带式行走机构。其装载能力大、调运灵活、工作可靠。因为悬臂式工作机构的外形尺寸比掘进断面小，便于维修和更换截齿，也便于在机器附近或靠近掘进工作面安装临时液压自移支架或进行人工支护，空顶面积小，有利于安全生产，从而扩大了使用范围。 4. 安全、成本低，能够连续作业，经济效益和社会效益高。改善了工人的劳动条件尤其是在中短巷道的施工中，在巷道断面尺寸大致相同的情况下，悬臂式掘进机的基本投资费用约为全断面掘进机的15%，因此对于绝大多数的矿山井下巷道掘进，悬臂式部分断面掘进机是很适用的。1.4 掘进机电气拖动及控制系统研究意义我国煤矿掘进机电控系统设计是在对进口掘进机电控测绘基础上开展的。当时国内可供选用的低压电器产品和电子产品型号少、水平低、不适应煤矿环境。特别是当时的设计理念局限于全部国内设计生产，致使掘进机电气控制系统技术含里低、结构复杂、元器件质量差，无法适应煤矿井下电压波动范围大、整机振动剧烈、操作频繁、环境湿度大、重载启动等掘进机工况条件，成为煤矿掘进机故障发生率较高的环节。这一阶段掘进机电控设计处于初级水平，主要是实现基本的控制功能。它们的主要技术特征和表现出的主要问题是：1. 主回路为熔断器一接触器一热继电器结构，以继电器等分立元器件硬节点方式实现较复杂的逻辑控制。元器件多，电气结构和接线复杂，故障点多，维护困难。2. 电器元件如交流接触器和继电器等均采用通用电气元件，质量不稳定。对振动、冲击潮湿和频繁操作适应能力差，损坏严重。3. 接触器、继电器和保护装置等对电网电压波动适应能力差，严重影响掘进机的正常工作。4. 分立电子元器件组成的保护插件，数童多，设计水平低，元器件质量不稳定或工艺处理不理想等原因，拒动、误动和损坏现象较严重。只能对电控系统进行有限检测和保护，不具有故障诊断及整机工况检测功能。随着煤矿井下电压等级由440V升至1140V，掘进机电控也升级到1140V。新技术的应用使电控系统在控制、保护各方面都发生了全新的变化，并逐渐成熟，现阶段电控系统不再是影响掘进机正常工作的主要问题。其主要特征是:1. 主回路升级到1140，并且实现了660/1140V 双电压等级的电控箱，满足各类用户的要求。2. 广泛采用PLC等工业计算机作为电控系统的核心控制器件，用软件实现复杂的逻辑关系，代替传统的继电器逻辑控制。系统结构简单、连接线少、可靠性高且易于维护和检修。3. 电源波动适应能力大大提高。普遍采用宽电压范围的PLC、保护模块、接触器、和继电器，用宽输人电压范围的直流电源作为保护装置的供电电源，使电控设备的性能大大提高。4. 保护环节设计水平提高，模拟或微计算机数字智能综合保护装置取代了以前的保护插件。一些新的控制要点得到应用:延缓换相操作速度，采用提前释放、延时投人检测等措施，提高系统抗干扰、抗冲击能力；电流互感器、变送器作为电流取样单元与综合保护装置一起替代了几乎所有热继电器来实现过流、过载、断相保护。如煤科总院太原研究院的EZB160掘进机用电控箱采用电流传感器作为电流取样单元，信号直接输人作为主控器件的PLC等工业计算机来实现过流、过载、断相保护，减少了中间环节，并充分利用PLC的高可靠性，大大提高了电子保护和系统的可靠性。5. 随着计算机技术和传感器的应用，故障诊断和整机运行工况检测监视功能流、电压、温度、压力、截割头位置、大屏幕液晶显示等功能）与以前相比有了较大的飞跃，并逐渐完善和丰富。1.5 论文主要研究内容1.悬臂式掘进机的结构特点及各部分结构功能。2.截割部、行走部的调速控制系统。3.EBZ160悬臂式掘进机电气系统的工作原理。4.基于PLC掘进机的控制。2 臂式掘进机整机机构2.1 悬臂式掘进机分类和型号 1. 悬臂式掘进机的分类 按截割头分为横轴式和纵轴式，二者区别：横轴式掘进机的切割头旋转轴线垂直于悬臂轴线，该类型的掘进机可以截割抗压强度较高的岩石；纵轴式掘进机的切割头旋转轴线与悬臂轴线同轴布置，在截割过程中，截割头的一侧剥落煤岩。2. 悬臂式掘进机的型号如EBZ(H)-160 每个字母的含义E掘进机B悬臂式Z(H)纵轴式（横轴）160截割电机功率kW2.2 悬臂式掘进机的构成及各部分功能2.2.1 掘进机整体结构1. 悬臂式掘进机整体结构：截割部、铲板部、本体部、行走部、后支撑、液压系统、水系统、润滑系统、第一运输机、电气系统组成。如图2-1所示1-切割部 2-润滑部 3-水系统 4-铲板部 5-本体部 6-行走部 7-铭牌8-液压系统 9-电气系统 10-后支撑 11-第一运输机图2-1 掘进机整机结构2. 掘进机在矿井布置图掘进机在矿井下掘进煤层产生的煤块通过刮板机转移到皮带运输机，最后通过绞车将原煤运上地面。掘进机在矿井下的平面布置如图2-2所示图2-2 掘进平面布置图3. 工作原理履带带动机身向前运动,到达工作区域，将铲板和后支腿放下支稳，电机带动截割头转动，截割臂回转油缸带动截割臂左右摆动，截割臂伸降油缸带动截割臂土下运动，截割头伸缩油缸可以使掘进机在不移动机身的情况下使截割头向前进给截割煤岩、截割工作前，首先对截割断面前的底部进行截割清理，尽量平整，不至于因为铲板下部堆积的煤岩，造成铲板落不到底影响卧底。掏窝槽时，缩回截割头,开动行走，机器沿巷道轴心向一前至欲截割处，落下铲板、后支撑。伸出截割头开始切深，同时做微量左右摆动，减少截割阻力。窝槽掏好后，应缩回截割头，抬起铲板、后支撑，重新移机至截割处，再将铲板和后支撑放下，使机器稍微抬起，提高机器稳定性。2.2.2 掘进机各部分结构及功能 1. 截割部截割部由截割头、悬臂段及截割减速机组成。最主要功能是直接对煤岩进行破碎。第二是可以辅助支护，在架棚子支护时挖柱窝，用托梁器托起横梁；锚杆支护时，截割部处于水平状态，工人可以站在上面作业。第三是可以协助装货。第四是在特殊情况下可以参与自救。第五是有伸缩功能的掘进机在坡度较大的下山巷道后退时可以用伸缩来协助。如图2-3所示1-切割头 2-悬臂段 3-二级行星减速器 4-轴套 5-切割电机 6-电机护板图2-3 截割部 2. 铲板部 铲板部是由主铲板、侧铲板、铲板驱动装置、从动轮装置等组成。图2-4通过两个低速大扭矩马达直接驱动弧形三齿星轮，截割落料通过铲板装载到第一运输机。铲板部有三个功能：第一是装货。第二是当截割头钻进后即将进行摆动之前，铲板与支撑器落地，有利于机组的稳定，截割臂左右摆动时机组不摆尾。第三是与支撑器配合可以进行自救。 1-铲板体 2-改向链轮组 3-三齿星轮 4-驱动装置 5-液压马达图2-4 铲板部3. 本体部 本体部由回转台、回转轴承及机架体组成。机架采用整体箱型焊接结构，主要结构件为厚钢板。如图2-5所示。机架的右侧通过高强度螺栓联接液压系统的泵站，左侧联接液压系统的操纵台，左、右侧下部分分别装有行走部，在前面上部通过回转台和油缸联接截割部，前面下部通过油缸和销轴联接铲板，刮板运输机从中间横穿，机架部后面联接后支撑部。 图2-5 本体部4. 后支撑后支撑是用来减少在截割时机体的振动，提高工作稳定性并防止机体横向滑动，在后支撑支架两边分别装有升降支撑器，利用油缸实现支承。后支撑架用M24的高强度螺栓与本体相连，后支撑的后部与第二运输机联接。电控箱、泵站固定在后支撑支架上。如图2-6所示。 后支承部有三个功能，第一是牵引第二运输机随主机一起前进或后退，另外两个功能与铲板部的后两个功能相同。图2-6 后支撑 5. 行走部 行走部主要由定量液压马达、减速机、履带链、张紧轮组、张紧油缸、履带架等几部分组成。如图2-7所示。定量液压马达通过减速机及驱动轮驱动履带链实现行走。行走形式采用滑动摩擦式。履带张紧机构是由张紧轮组和张紧油缸组成，履带的松紧程度是靠张紧油缸推动张紧轮组来调节的。张紧油缸为但作用形式，伸出后靠卡板锁定。行走减速机用高强度螺栓与履带架联接。履带架采用挂钩形式与机架体 相连，用24个M30高强度螺栓紧固在本体的两侧。 1-导向张紧装置 2-履带架 3-履带链 4-行走减速器 5-行走液压马达 6-摩擦片式制动器图2-7行走部 6. 液压系统液压系统是由泵站、油缸（包括：截割头升降油缸、截割头回转油缸、铲板升降油缸、后支撑油缸、张紧油缸）、马达（包括：行走、星轮、第一运输机、内喷雾）、操纵台以及相互联接的配管等所组成。 液压系统的功能: 1）掘进机行走 2）铲板星轮的转动 3）刮板运输机的驱动 4）水系统内喷雾泵的驱动 5）截割头的上、下、左、右移动 6）铲板的升降 7）后支撑器的升降 8）履带的张紧 （1） 油泵和液压马达 泵站由90KW电机驱动，通过组合变量泵、阀组，将压力油分别送到截割部、铲板部、第一运输机、行走部、后支撑的各液压马达和油缸。本机共有10各油缸，其中 截割头升降油缸 2个 截割头回转油缸 2个 铲板升降油缸 2个 后支撑升降油缸 2个 行走履带张紧油缸 2个 其中前8个油缸均设有安全型平衡阀 （2） 操纵台 操纵台上装有换向阀，压力表，通过操作手柄完成各油缸及液压马达的运动，通过压力表开关的不同位置可以分别检测各回路油压状况。为防止执行元部件过负荷造成损坏，液压系统有过载保护功能。7. 水系统 水在掘进机上有两个功能，一是冷却，冷却液压油和截割电机，二是喷雾。喷雾有三个作用:灭尘、冷却截齿、消灭火花.图2-8为EBZ160掘进机水系统水系统分内、外喷雾水路。外来水经一级过滤后分为二路，第一路经进水直接通往喷水架，由雾状喷嘴喷出，第二路经二级过滤、减压、冷却（冷却液压系统用油）再分为 二路，一路经截割电机（冷却电机）后喷出。另一分路经水泵加压（3MPa）后，由截割头内喷出，起到冷却截齿及灭尘作用。1-Y型过滤器 2-球阀 3-减压阀 4-油箱冷却器 5 -耐震压力表 6-蛇形管冷却器 7-球阀 8-雾状喷嘴 9-线型喷嘴图图2-8 EBZ160TY型掘进机水系统原理图8. 润滑系统掘进机润滑系统分为集中润滑和分散润滑，主要用于掘进机主要部件的润滑，保证机器的正常运转，延长掘进机使用寿命。9. 第一运输机第一运输机位于机体中部，是边双链刮板式运输机。运输机分前溜槽、后溜槽。前、后溜槽用高强度螺栓联接，运输机前端通过插口与铲板和本体销轴相连，后端通过高强度螺栓固定在本体上。采用二个液压马达直接驱动链轮，带动刮板链组实现物料运输。张紧装置采用丝杠加弹簧缓冲的结构，对刮板链的松紧程度进行调整。第一运输机只有一个功能，就是将铲板部装上来的货转运给第二运输机。图2-9为第一运输机结构。1-机前部 2-机后部 3-边双链刮板 4-张紧装置 5-驱动装置 6-液压马达图2-9 第一运输机10. 电气系统电气系统相当于人的神经，它同液压系统一起使掘进机各机械部分联动完成掘进机工作。主要由防爆操作箱、防爆电控箱、截割电机、油泵电机、电动滚筒、矿用隔爆型压扣控制按钮、防爆电铃、照明灯、防爆电缆等组成。2.3 本章小结本章介绍悬臂式掘进机的分类、型号、掘进机整体结构及各部分功能。3 截割部调速控制系统3.1 截割头恒扭矩双速电机调速控制3.1.1 双速电机双速电机属于异步电动机变极调速，是通过改变定子绕组的连接方法达到改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速。根据公式：可知异步电动机的同步速度与磁极对数成反比，磁极对数增加一倍，同步转速n下降至原转速的一半，电动机额定转速n也将下降近似一半，所以改变磁极对数可以达到改变电动机转速的目的。这种调速方法是有级的，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼式电动机。 双速电机属于异步电动机变极调速，是通过改变定子绕组的连接方法达到改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速。变速原理电机的变速采用改变绕组的连接方式，也就是说用改变电机旋转磁场的磁极对数来改变它的转速。双速电机(风机),平时转速低,有时风机就高速转，主要是通过以下外部控制线路的切换来改变电机线圈的绕组连接方式来实现。（1）在定子槽内嵌有两个不同极对数的共有绕组，通过外部控制线路的切换来改变电机定子绕组的接法来实现变更磁极对数；（2）在定子槽内嵌有两个不同极对数的独立绕组；（3）在定子槽内嵌有两个不同极对数的独立绕组，而且每个绕组又可以有不同的联接。1. 工作原理（1）主电路：KM1主触点构成接的低速接法; KM2、KM3用于将U1V1W1端短接，并在UVW端通入三相交流电源，构成YY接的高速接法。如图3-1所示。 （2）控制电路 图a电路中，按钮SB1实现低速起动和运行。按钮SB2使KM2、KM3线圈通电自锁，用于实现YY变速起动和运行。 图b 电路在高速运行时，先低速起动，后高速（YY）运行，以减少启动电流。选择开关SA合向高速时间继电器KT线圈通电延时KM1线圈通电，电动机M作低速启动。KT延时时间到KM1线圈断电复位KM2、KM3线圈通电电动机M作YY接法高速运行。 选择开关SA合向低速KM1线圈通电，电动机M作低速转动。选择开关SA合向0位时，电动机停止运行（2） 双速电机定子接线如图3-2所示 低速时绕组的接法 高速时绕组的接法图3-2 定子接线图图3-1 工作原理图3.1.2 恒扭矩双速电机调速恒扭矩双速电机是高、低速时，其输出扭矩不变，不能很好的适应掘进机切割工作，通过机械变速来调速。3.2 截割头恒功率自动牵引调速控制从掘进机发展趋势看，由于切割岩石硬度不断提高，切割电机功率也不断增大。目前，国内掘进机切割电机采用的主要为恒转矩双速电机，高、低速工作时，其输出扭矩和切割单刀力没有变化，不能很好地适应掘进机切割工况。EBZ300TP型重型掘进机率先采用恒功率双速截割电机，彻底改变了以往掘进机为保持恒功率输出所采用的机械变速方式。在切割半煤岩巷的同一断面上，遇煤截割头转速达 65r/min，遇岩十分方便的控制电机使截割头转速降低一倍至32r/min，而输出扭矩、截割单刀力相应增大一倍，这一创新使截割效率最大化。 对于掘进机来说，当截割煤层时，因截割阻力较小，这时需要提高截割速度来提高生产率；当截割岩石时，截割阻力较大，为避免截割电动机过载，同时也为减少截齿损耗，这时应降低截割速度，同时增大截割单刀力。如果进行改进，则需改进为恒功率双速截割电机，这种方法采用电动机调速，调速方便且高、低速时电机功率恒定不变，低速时单刀力增加一倍，以提高掘进机切割机构的破岩能力。目前，三一重型机械有限公司研制的EBZ132型掘进机采用了这种截割电机，截割电动机功率为132/75kw，截割头转速47/23.5rpm，最大/可经切割岩石单向抗压强度70/50Mpa，整机截割能力明显增强，使用效果良好。 根据掘进巷道断面煤岩硬度分布的不同，自适应调节截割臂摆动速度，在不超过截割电动机电流额定值的情况下，可提高截割效率。截割臂摆动速度取决于掘进机截割对象，与掘进机自身参数、煤岩硬度、钻入深度和切削厚度有关,其中切削厚度与截割臂摆动速度成反比。3.2.1 截割头工况1. 截割头截割路线如图3-3所示图3-3 掘进机截割路线2. 截割头工况截割头在截割煤壁时，可以分解为三种运动：如图3-4所示，旋转运动、以vy在水平面内移动和以vz大小有很大关系，截割牵引速度大则截割头受到的阻力大，当转速一定时消耗功率也大，反之亦然。而vy所表示的在水平面内的截割牵引速度是与推动悬臂在水平面内油缸柱塞伸缩的长度快慢有关的，进一步说明与柱塞伸缩的长度同引起伸缩的时间比值相等，这里设水平油缸伸缩长度为，则。同样，vz所表示的在垂直面内截割牵引速度是与推动悬臂在垂直面内的油缸柱塞伸缩的长度快慢有关的，设垂直油缸柱塞伸缩长度为，则 。图3-4 截割工况示意图3. 控制策略（1）直接对主电机进行调速。（2）截割头以给定范围转速钻切后，调节截割牵引速度vy和vz大小保证主电机安全可靠工作。3.2.2 悬臂式掘进机截割部调速方法 悬臂式掘进机截割机构调速系统的调速方法主要有节流调速、变量泵-负载反馈无级调速(包括截割电动机电流反馈和液压系统压力反馈2种调速方式) 及定量泵-分流合流有级调速等，下面介绍四种典型的调速系统。 1. 定量泵-分流合流有级调速的三种典型调速系统对大功率悬臂式半煤岩巷道掘进机来说，当截割煤层时，因截割阻力较小，这时需给截割机构提供较大的进给速度来提高生产率；当截割岩石时，截割阻力较大，为避免截割电机过载，同时也为减少截齿损耗，这时应对截割机构提供较小的进给速度。截割机构调速系统就是为完成上述自动调速功能而设置的。本文对国内外几种典型的调速系统的特点及其性能进行分析，以供同行依据自身条件选用合适的调速系统。（1）调速系统I 图3-5是国内掘进机中常用的一种有级调速系统。 系统工作原理: K1K2使液控换向阀组换向，定量泵输出的液压油经分流阀、液控换向阀组输往油缸。当截割阻力较小，油缸的工作油压低于顺序阀的调定压力时，分流阀B 腔出油经单向阀与A 腔出油合并输往油缸，这时油缸对截割机构提供较大的进给速度以提高生产率；当截割阻力较大，油缸的工作油压高于顺序阀的调定压力时，顺序阀开启，分流阀B 腔流出的油经顺序阀直接返回油箱，仅有A腔输往油缸，因而油缸对截割机构提供较小的进给速度。下面根据节流式分流阀的工作原理来分析该系统的性能。 图3-6为等量控制节流式分流阀的工作原理图。 设流出A腔和B腔的流量分别为QA和QB，即为流经右侧节流孔Fa和左侧节流孔Fb的流量，根据伯努利方程: (3-1) (3-2)式中: Ka、Kb与阀口形状、过流面积和油液粘度等因素有关的系数； g重力加速度； ppa、ppb分别为右、左两侧节流孔前后的油压差； 油液密度。 Fa、Fb分别为左右两侧节流孔的面积；1-电动机 2-定量泵 3-溢流阀 4-节流式分流阀 5-单向阀 6-顺序阀 7-液控换向阀组 8-油缸图3-5 截割机构调速系统I1-阀体 2-弹簧 3-换向活塞 4-阀芯图3-6 分流式分流阀工作原理因左、右两侧的结构尺寸相同Ka=Kb，又为等量分流Fa=Fb，故欲使QA=QB。只有ppa=ppb。当A、B腔合流供给油缸时，A腔和B腔的油压相等，通过变节流孔fA、fB流到a室和b室的油压也相等，阀芯在弹簧作用下处于中间位置，使左、右两侧的变节流孔开度相等，所以ppa=ppb此时QA=QB。一旦截割阻力变大，油缸的工作油压高于顺序阀的调定压力时顺序阀打开，分流阀B腔出油经顺序阀回油箱，此时A腔油压为油缸工作油压，a室的油压PaPb，定节流孔FA的前后油压差小于节流孔FB的前后油压差，即ppa=ppb由于阀芯两端的承压面积相等，当PaPb时，阀芯离开中间位置向左移动，使右侧变节流孔FA开大，左侧变节流孔FB变小，流经FB的节流压降增加，使b室压力增高直至a、b两室的油压Pa=Pb 时，阀芯才停止运动，得以在新的位置达到新的平衡。这时ppa=ppb，因此QA=QB。 以上分析说明，节流式分流阀是利用负载压力反馈的原理来补偿因负载变化而引起流量变化的一种流量控制阀，当A、B两输出腔的油压不同时，它是以损耗部分能量来达到压差平衡，从而维持其分流精度的。也就是说，当截割阻力变大，油压升高打开顺序阀后，油缸速度变小了(仅分流阀A腔出油供给油缸)，但分流阀的另一路油液并不是处于卸荷状态流经B腔的，而是将其能量损耗在变小的节流孔FB处，以使左、右两侧定节流孔FA、FB的前后油压差相等来保证分流精度的。因此该调速系统节能效果很差，且增加了液压系统的发热量。（2）调速系统II 图3-7是英国DOSCO公司LH-1300掘进机的一个有级调速系统。该系统用不等量齿轮式分流器替代了节流式分流阀，当掘进机截割阻力较小时，分流器A、B两端出油合并供给油缸，使油缸提供给截割机构的进给速度变大；当截割阻力较大，油缸的工作油压高于顺序阀的调定压力顺序阀开启，此时分流器B端出油经顺序阀回油箱，仅有分流器A 端出油供给油缸(分流器A端流量一般为总流量的1/31/4) ，使油缸提供给截割机构的进给速度变小。 下面从分流器的结构及其能量传递形式来分析和研究该系统的性能。齿轮式分流器是由两对或两对以上齿轮啮合组件所组成，如图3-8所示，其结构与同类型的齿轮马达基本相同，可保证流经各齿轮组件工作油量的比例关系不受各分支油路压力变化的影响。如果不计分流器中的摩擦损失和内部漏损，则分流器液压能传递的关系式为: (3-3)式中: P、Q分流器输入油压和输入流量； PA、QA分流器A 端油压和A 端输出流量 PB、QB分流器B 端油压和B 端输出流量1-电动机 2-定量泵 3-溢流阀 4-三齿轮式分流器 5-单向阀6-顺序阀 7-液控换向阀组 8-油缸 图3-7 截割调速系统II图3-8 三齿轮式分流器示意图当掘进机截割阻力增大，油缸的工作油压打开顺序阀时，PB即为流经顺序阀的局部油压损耗和管路上的油压损耗之和，这种油压损耗相对于工作油压来说是很小的。为便于分析，不计回油路上的油压损耗,设PB=0这时PQ=PAQA。这说明如果分流器的一个分流出口处于卸荷状态时，分流器的输入功率基本上等于其它有负载的分流出口的输出功率。假如把分流器A端的齿轮组件看成是一齿轮油泵，把分流器B端的齿轮组件看成是一齿轮马达，那么对一空转的齿轮马达来说，其除了很小的内部摩擦和漏损的能量损耗外，基本上是不消耗其它能量的，则分流器的输入功率基本上等于分流器A端齿轮油泵的输出功率。当 QA=Q/3时，P=PA/3，这就是说假如不计分流器内部较小的能量损失，这时分流器的输入油压P仅为油缸工作油压PA的1/ 3，其节能效果是非常明显。（3）调速系统III图3-9是采用负载压力反馈多路换向阀和变量泵组成的调速系统。80 年代后期，负载压力反馈技术在多路换向阀上的应用日趋成熟，美国、德国、日本等分别推出了新型的负载压力反馈多路换向阀，它克服了传统多路换向阀的某些缺陷，较好地改善了换向阀的性能,因此越来越受到用户的青睐。这里仅分析负载压力反馈多路换向阀中比较重要的流量补偿阀的作用及其原理，该阀的作用是使通过该路换向阀的压降基本保持不变，从而使该路换向阀的输出流量不随负载而变。流量补偿阀如图3-10所示。 1-变量泵 2-流量补偿阀 3-换向阀 4-梭阀 5-油缸 图3-9 截割机构调速系统III流量补偿阀心 图3-10 流量补偿阀示图 P1为泵输出压力，P2为换向阀的进口压力，P3为负载压力。由图3-10可见，当流量补偿阀阀芯平衡时( 由于阀芯位移很小，因此忽略液动力的影响) ，其阀芯的力平衡方程为： (3-4)式中: A-阀芯的作用面积 k -弹簧刚度 S -弹簧的压缩量整理得: 选择小刚度弹簧,则P2P3常数。工作时,当系统最高负载压力不变，则泵输出压力P1不变。在非最高负载压力的一路换向阀处，当负载压力P3增大时，b腔压力增大，流量补偿阀阀芯下移，开口h增大，阻尼减小，由于P1不变，因此P2增大，阀芯达到新的平衡时P2P3保持基本不变；反之，当负载压力P3下降时，b腔压力下降,流量补偿阀阀芯上移，使开口h变小，阻尼增大，由于P1不变，所以P2变小，阀芯达到新的平衡时P2P3基本保持不变。当最大负载压力变化时，P1也随之变化，例如当P1增大时，流量补偿阀阀芯还来不及移动，即开口h 处液阻不变，故P2增大，a腔压力增大，阀芯平衡被打破，导致阀芯上移，开口h处阻尼增大，又使P2下降，当阀芯达到新的平衡时，P2P3保持不变；当P1减小时，同样，阀芯来不及移动,开口h 处液阻不变，P2减小使a 腔压力减小，阀芯平衡被打破，导致阀芯下移，开口h 处阻尼减小，又使P2上升，当阀芯达到新的平衡时，P2P3保持基本不变。即无论是进口油压改变还是负载油压改变，P2P3均能保持基本不变。因此，带有流量补偿阀的换向阀，其进出口压差为常数。所以，该种负载压力反馈多路换向阀中每路换向阀均能比例控制，流量与负载无关，多组油缸可同时动作，互不干扰。该系统不工作时，换向阀处于中位，变量泵变量机构的倾角几乎为零，仅输出较低压力的很少流量以补偿回路泄漏，相当于在卸荷状态下工作；系统工作时，换向阀动作，由油缸产生的负载压力信号经梭阀传递到变量泵的变量机构，使其摆角增大，输出流量增加，直至泵输出压力比负载压力高出所需的控制压差。该系统所需的流量由换向阀节流口控制变量泵输出流量是系统所需的流量，因此无多余流量损失。当同时使用几路换向阀时，每组油缸均可得到由可变节流设定的最大流量，因此，该系统输出流量与负载相匹配，减少了能量损失。一次单相接地实验，此时流过每一条被检测线路的零序电流即为该条线路的补偿电流Ibi。保护装置自动记忆该电流幅值及对应的零序电压U0即可。 在保护装置投入运行后，会发生线路经过渡电阻单相接地的情况，此时线路的零序电容电流会有所减少。但在非故障线路中下面的关系总是成立的，即: (3-5) 因线路的对地电容在运行过程中变化很小，故可认为线路的零序电容电流与零序电压成正比。设在接地实验时保护装置记下的补偿电流与零