采煤機(jī)截割部行星架固有特性的分析

張 偉

（西山煤電杜兒坪煤礦， 山西 太原 030022）

引言

綜采工作面設(shè)備均為大功率設(shè)備，具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在啟動(dòng)時(shí)尤其是帶負(fù)載啟動(dòng)時(shí)會(huì)遇到一定的困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，工程中絕大多數(shù)的設(shè)備損壞和影響設(shè)備使用壽命的因素是由于啟動(dòng)沖擊這一原因造成的。因此，解決由啟動(dòng)沖擊造成損害的有效方法就是采用軟啟動(dòng)技術(shù)。目前有效的軟啟動(dòng)技術(shù)主要包括有：差動(dòng)輪系調(diào)速、變頻調(diào)速以及液力調(diào)速三種裝置技術(shù)。差動(dòng)輪系由于具有質(zhì)量小、承載能力大和傳動(dòng)比大等優(yōu)越的性能在機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用廣泛。

采煤機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，在相對(duì)復(fù)雜的煤層條件下工作時(shí)其傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和啟動(dòng)性能決定著工作面的安全、高效生產(chǎn)。本文將對(duì)采煤機(jī)截割部差動(dòng)輪系中的行星架進(jìn)行分析，尤其對(duì)其在啟動(dòng)過程中的調(diào)速性能進(jìn)行分析。

1 差動(dòng)輪系概述

為解決原動(dòng)機(jī)速度的單一性與工作機(jī)速度多樣性之間的矛盾，往往需要各種調(diào)速裝置來解決這一問題。其中齒輪調(diào)速裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)環(huán)境。由一系列齒輪所構(gòu)成的傳動(dòng)系統(tǒng)稱為輪系。

根據(jù)輪系運(yùn)轉(zhuǎn)過程中各齒輪軸線的空間位置是否確定，一般將輪系分為定軸輪系和周轉(zhuǎn)輪系[1-2]。周轉(zhuǎn)輪系中按照自由度數(shù)目的不同又可分為周轉(zhuǎn)輪系和行星輪系，見圖1。

差動(dòng)輪系是周轉(zhuǎn)輪系的一種，差動(dòng)輪系和定軸輪系的主要區(qū)別在于差動(dòng)輪系多了一個(gè)行星架，因此差動(dòng)輪系傳動(dòng)比的計(jì)算就不能按照定軸輪系傳動(dòng)比的計(jì)算公式計(jì)算。但是，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，可以將差動(dòng)輪系轉(zhuǎn)化成定軸輪系，從而求出差動(dòng)輪系的傳動(dòng)比。

圖1 周轉(zhuǎn)輪系

2 采煤機(jī)截割部差動(dòng)輪系調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割部能夠根據(jù)工作面煤層條件實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速[3]。對(duì)比分析變頻調(diào)速和液力耦合調(diào)速的優(yōu)劣特性，鑒于采煤機(jī)功率截割部功率較大且對(duì)調(diào)速性能要求較高，采煤機(jī)截割調(diào)速系統(tǒng)采用差動(dòng)輪系調(diào)速。

差動(dòng)輪系調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 差動(dòng)輪系調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

如圖2所示，系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：差動(dòng)周轉(zhuǎn)輪系、伺服電機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器以及上位機(jī)和運(yùn)動(dòng)卡[4]。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，由轉(zhuǎn)速傳感器采集輸出端軸的轉(zhuǎn)速上傳到上位機(jī)中，通過PID算法控制運(yùn)動(dòng)控制卡，從而達(dá)到控制輸出端轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)行星架的所需的輸出力太大或者所需啟動(dòng)的設(shè)備慣性太大難以啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)控制差動(dòng)周轉(zhuǎn)輪系的齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)速度，增加輸出扭矩，從而滿足生產(chǎn)要求。

3 差動(dòng)輪系調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的建立

差動(dòng)輪系調(diào)速系統(tǒng)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)為差動(dòng)輪系，差動(dòng)輪系是周轉(zhuǎn)輪系的一種，與行星輪系不同，差動(dòng)輪系的自由度為2。

差動(dòng)輪系是自由度為2的周轉(zhuǎn)輪系，主要由太陽輪、行星輪、行星架、轉(zhuǎn)臂和連桿這幾部分組成[5]。太陽輪是繞著固定的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；行星輪一方面圍繞著自己的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，另一方面圍繞著固定的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，和行星的轉(zhuǎn)動(dòng)一樣。在一般情況下，差動(dòng)輪系的太陽輪和行星架一般為輪系的輸入和輸出構(gòu)件。將差動(dòng)輪系的幾個(gè)主要部件在UG中建模，差動(dòng)輪系的系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。差動(dòng)輪系調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速齒圈的模型如圖4所示。差動(dòng)輪系中的行星齒輪架的模型如圖5所示。

圖3 差動(dòng)輪系三維模型

圖4 調(diào)速齒圈三維模型

圖5 行星架三維模型

4 差動(dòng)輪系行星架固有特性的分析

4.1 差動(dòng)輪系行星架的模態(tài)分析

所謂模態(tài)是指線性系統(tǒng)在自由振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)所具有的基本振動(dòng)特性，即不考慮阻尼影響下求解所研究對(duì)象的固有頻率。行星架作為差動(dòng)輪系調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，分析該零件不同頻率下的振動(dòng)特性是相當(dāng)重要的。利用有限元法建立差動(dòng)輪系系統(tǒng)中行星架的有限元模型，以有限元模態(tài)分析理論為基礎(chǔ)，對(duì)差動(dòng)輪系的行星架進(jìn)行有限元分析。鑒于文章篇幅有限，本文將不在此列出行星架的模態(tài)分析結(jié)果。

通過分析行星架不同頻率下的模態(tài)振型，可以得出：隨著行星架模態(tài)階數(shù)的不斷增大，行星架的固有頻率也在不斷增大。但是，從振型可以看出由轉(zhuǎn)動(dòng)速度引起的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)低于低階的固有頻率。因此，該差動(dòng)輪系在工作中不會(huì)出現(xiàn)共振的現(xiàn)象，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 調(diào)速系統(tǒng)行星架受力分析

將UG中建立的差動(dòng)輪系的模型成功導(dǎo)入到ADAMS中，并在ADAMS中對(duì)差動(dòng)輪系各個(gè)部件添加了運(yùn)動(dòng)副，設(shè)置各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)差動(dòng)輪系的加速和減速兩個(gè)性能進(jìn)行仿真分析。

4.2.1 行星架加速過程受力分析

在不考慮PID控制的情況下，仿真分析系統(tǒng)在10 s、20 s、25 s、30 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)行星架輸出速度為從 0增大60 r/min左右時(shí)各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)情況。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 加速過程行星架受力情況

由以上的仿真結(jié)果可以得出：在10 s內(nèi)迅速完成加速運(yùn)動(dòng)，行星架所受扭矩達(dá)到了1.5×108N·m，在此扭矩下會(huì)對(duì)齒輪造成損壞，所以在此時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行加速是不合理的；在30 s內(nèi)迅速完成加速運(yùn)動(dòng)，行星架扭矩達(dá)到了7.4×107N·m。因此，隨著加速階段時(shí)間的增加，其最大峰值扭矩才會(huì)明顯下降。所以為保險(xiǎn)起見，系統(tǒng)的加速時(shí)間段應(yīng)大于30 s。

4.2.2 行星架減速過程受力分析

在不考慮PID控制的情況下，仿真分析系統(tǒng)在10 s、20 s、25 s、30 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)行星架輸出速度為從 60 r/min減速到0時(shí)各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)情況。仿真結(jié)果如圖7所示。

由以上的仿真結(jié)果可以得出：在25 s內(nèi)迅速完成減速運(yùn)動(dòng)，行星架扭矩1.10×108N·m，在此扭矩下會(huì)對(duì)齒輪造成損壞，所以在此時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行減速是不合理的；在30 s內(nèi)迅速完成減速運(yùn)動(dòng)，行星架扭矩達(dá)到了4.61×107N·m。因此，隨著減速階段時(shí)間的增加，其最大峰值扭矩有比較明顯的下降，并且行星輪的速度波動(dòng)會(huì)減小。所以為保險(xiǎn)起見，系統(tǒng)的減速時(shí)間段應(yīng)大于30 s。

圖7 減速過程行星架受力情況

5 結(jié)論

經(jīng)本文對(duì)采煤機(jī)截割部差動(dòng)輪系調(diào)速系統(tǒng)中行星架的模態(tài)分析和調(diào)速過程中受力分析得出：差動(dòng)輪系在動(dòng)作過程中不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象；采煤機(jī)的截割部的加速和減速時(shí)間均應(yīng)大于30 s。