王洁;王慧
【摘 要】针对采煤机截割部加载试验能耗大、能量回收利用困难等问题，提出一种基于二次调节技术的具有能量回收功能的液压封闭式加载系统方案。该系统采用一对二次元件并联于恒压网络的对称式结构，实现被试件的驱动、模拟加载和能量的回收再利用。详细介绍了系统的总体结构、模拟加载系统的工作原理及其控制系统组成。以350 kW装机功率进行了仿真和试验研究，试验结果表明：该能量回收加载系统具有良好的静态、动态特性和转速、转矩调节功能，高负载工况功率回收率达40％以上，节能效果显著。%Based on secondary regulation technology,an enclosed hydraulic loading system scheme with energy harvesting capabilities was put forward to solve the difficulties such as large energy con-sumption,energy recovering and utilization.This system realized the driving and simulated loading function to the test part,and achieving the energy recovering and utilization by using the symmetric structure with two secondary regulation elements connected in the constant pressure network parallel-ly.The overall structures of the system,the working principles and 自动关窗器
control system of the simulated loading system were presented in detail.At last,under 350 kW installed power,based on the simula-tion and the experimental research,the results show that the energy recovery loading system may be loaded with good static characteristics and dynamic characteristics,the speed and torque regulation function may work efficiently.The power recovery rate may come to more than 40% at high load, thus the new system's energy-saving effect is remarkable than usual.
【期刊名称】《中国机械工程》
【年(卷),期】2016(027)014
【总页数】7页(P1953-1959)
【关键词】采煤机截割部;液压加载;试验台;二次调节
【作 者】王洁;王慧
【作者单位】辽宁工程技术大学，阜新，123000;辽宁工程技术大学，阜新，123000
【正文语种】中 文
内网审计【中图分类】TD421
随着我国煤炭企业采煤工作面单产水平的提高和高产高效矿井的大量涌现，企业对大功率采煤机的需求与日俱增。我国采煤机经过几十年的引进技术、消化吸收和自主研发，已经有了长足的进步，但是设备的性能、可靠性等方面仍然落后国际先进水平约15年[1]。为了提高国产采煤机的性能、可靠性和使用寿命，缩短同国外先进水平的差距，我国应当加强采煤机研发阶段的试验研究工作，这就要求研发机构使用高性能的采煤机加载试验台进行疲劳特性、寿命试验等长时间满负荷加载运行试验。
国内专家学者对采煤机截割部加载试验台进行了相关研究：陶峥[2]设计了一种采用水力测功器加载的开放式加载系统；李军霄[3]利用电涡流测功机设计了一种开放式加载试验系统。开放式加载系统结构简单，操作方便，但是能耗较大，产生能量无法回收，不适合做长时间、大功率加载试验[4-5]。因此王增才等[6]利用异步电动机为加载元件，设计了一种电封闭式加载试验台，实现了多种功率加载；刘礼志等[7]采用直流电力测功机发电回馈加载方式，设计了一种面向维修的电封闭式加载试验台。电封闭式加载试验台的控制部件技
术要求高，试验过程不允许过载，且回收的电能波形不好，即使能够回馈电网，也会对电网产生冲击[5,8]。
上述文献设计的试验台均为针对国家标准规定的采煤机出厂前、移动工作面前或大修后进行的轻载跑合及温升试验，不适合做满载运行试验。由于大功率采煤机加载试验台的加载功率大(目前单个截割部最大截割功率可达900 kW)，试验台的满载运行试验将耗费大量能源，不符合国家节能减排的要求，因此如何回收加载能量成为大功率采煤机加载试验台的研究重点。房博宇等[9]利用电动同步功率加载器，设计了一种机械封闭式的加载试验台，最大加载功率可达1000 kW，由于机械封闭结构在传动链内形成功率闭环，所以结构复杂，而且必须选择合适的加载器，否则直接影响系统加载性能[6]。通用硒鼓
二次调节技术发展起始于上世纪70年代末期，是一种新型的电液伺服传动技术[10-12]。像电气设备并联于电网一样，多个二次元件可以并联于同一恒压网络，实现液压能和机械能的互相转化。笔者针对采煤机加载试验台现状，设计了一种二次调节液压封闭式采煤机截割部模拟加载试验台。
1.1 被试采煤机截割部结构
截割部主要包括截割电动机、机械减速装置、滚筒等，加载试验时截割电动机和滚筒需要拆下。图1为适应中厚煤层以上的采煤机截割部减速装置结构简图。截割部常用的减速装置包括固定减速箱、摇臂减速箱和行星齿轮减速箱。根据煤层厚度的不同，采煤机的摇臂箱体结构和布局有很大区别，这主要体现在减速箱的选择和布置上，但对于大部分采煤机，其加载形式及外形结构均与图1类似。
1.2 采煤机截割部二次调节液压加载试验台总体方案
采煤机截割部加载功率大，为了节约能源消耗，本试验台采用可以能量回收的二次调节液压封闭式结构方案，其总体结构组成如图2所示，它由恒压油源及管路系统、机械台架、计算机控制系统和二次调节模拟加载系统四部分组成。
恒压油源及管路系统为试验系统提供动力。恒压油源包括两台A4V250型轴向柱塞恒压变量泵、一台双联叶片式定量泵及相应的电动机、高低压溢流阀、蓄能器、卸荷阀、管路、过滤器、冷却器及油箱组成，其中叶片泵的作用是为主泵提供背压并为系统补充冷却油。
机械台架主要为被试件、变速器及相关液压元件提供支撑和连接，设计时考虑到不同型号
截割部的差异，还有工装调整机构。加载对象即为被试采煤机截割部，包括截割部的减速器、齿轮传动系统和变速器等。试验台中被试件的布局有背靠背方式和设置变速器方式两种。背靠背布置方式为一对截割部对称安装，这种布局能耗较小，但是通用性、操作简单性、快速性、试验科学性等均低于变速器布置[7,13]，所以本系统采用变速器配置方式。下水井盖
计算机控制系统包括工控机、PC机、PLC、数字采集卡和数显仪等。控制系统主要完成试验系统测试数据的采集、开关量和连续量的控制、系统状态监测、系统状态超限保护等。
二次调节模拟加载系统是试验台的核心部分，由驱动单元和加载单元组成，分别实现对采煤机截割部的驱动和模拟加载。
该试验台加载系统原理如图3所示。在恒压网络上并联两套二次元件，二次元件1用于模拟采煤机截割部的驱动电机，同转速传感器和控制器1相连，构成转速控制系统；二次元件2用于模拟截割部的加载，它同转矩传感器和控制器2构成加载转矩控制系统。两个子系统通过机械连接件连接在一起。
试验台工作时，驱动单元的二次元件1工作于马达工况，将恒压网络的液压能转化成机械能，
驱动被试采煤机截割部。加载单元的二次元件2工作于泵工况，给被试采煤机截割部加载，将机械能转化为液压能，并回馈给液压恒压网络。
由分析可知，试验台的能量流动形成闭环，加载单元的二次元件2为驱动单元提供了大部分能量，恒压油源起到了补偿系统机械摩擦损失和容积泄漏损失的作用。系统中没有节流元件产生的节流损失，因此该加载系统发热大为减小。该试验系统不但实现了能量的回收，且回收的液压能可以回馈给自身液压恒压网络，试验台工作效率高，节能环保。此外，试验台驱动和加载的两套二次调节系统配有相同型号的转速转矩传感器，实验过程中可以根据被试件结构，将其中一套系统做驱动系统，另外一套做加载系统。
云朵制造机试验台控制系统的组成与原理如图4所示。该系统由任务管理单元(上位机)、油源/变速器挡位管理单元PLC、逻辑控制单元(下位机)、转速转矩控制器(HNC-100)、NI-PXI单元组成[14-15]。该系统需要完成试验台各试验参数的自动检测、数据采集处理、实时显示、自动调节等。
控制系统的任务管理单元选择台式计算机，通过软件建立控制界面，实现试验状态选择、试验参数设置，实时显示运行状态，储存测试数据。油源/变速器挡位管理单元选择PLC控
制，实现恒压油源的启动、停止以及变速器的挡位切换。逻辑控制单元选择工业控制计算机、数据I/O接口板和AD/DA数据采集板，主要实现试验台的逻辑控制以及加载对象试验参数的测量。两个HNC100转速转矩控制器分别用来实现驱动转速、加载转矩控制系统的内外环控制。NI-PXI单元包括美国NI公司的NI8176数字控制器和PXI-6052E数据采集卡，采集试验系统中二次元件的转速转矩，通过串行通信口以100 Hz的扫描频率发送给逻辑控制单元。任务管理单元通过快速以太网与逻辑控制单元通信，通过PCI-1602E RS422/RS485通信卡与PLC单元通信，完成各部分间的信息传递与交换。
本试验台能够模拟不同工况对采煤机截割部进行加载，如果采集获得了采煤机实际工作时的负载频谱，试验台还可进行相应的模拟实际工况的动态加载试验[16-17]。为了验证采煤机截割部二次调节加载试验台的性能，笔者进行了相关的仿真与试验研究。
4.1 加载试验台仿真模型的建立[18]
仿真分析前建立了试验系统的数学模型，绘制出系统方块图。试验台的驱动单元为转速控制系统，加载单元为转矩控制系统，两系统均采用相同的前置级排量控制。前置级排量控制回路就是对称伺服阀控制对称液压缸回路，由电液伺服阀、变量液压缸、位移传感器构
成，控制方块图见图5。驱动单元工作时，前置级排量控制系统通过计算实际转速与设定转速的差值，控制液压缸活塞的位移，活塞的运动改变二次元件的斜盘倾角，进而调整二次元件排量，使二次元件达到设定转速的同时，输出的转矩与负载转矩相匹配。驱动单元包括驱动二次元件、两个联轴器和转速传感器。建立加载对象模型时忽略系统弹性环节，变速器同截割部的连接看作刚性，建模时其转动惯量和阻尼向驱动输入轴等效。加载单元的结构与驱动单元类似。将驱动和加载两个单元的方块图模型在输出端相连，得到试验台整机的传递函数方块图，见图6。
图5中，ωvi为伺服阀固有频率；ξvi为伺服阀阻尼比； Agi为变量液压缸的有效作用面积，m2；Kvi为伺服阀流量增益，m3/(s·v)；βe为液压油的体积弹性模量，N/m2；Vti为变量液压缸两腔总容积，m3；Cti为变量液压缸的泄漏系数，m3/(s·Pa)；Fi为作用于液压缸活塞上的外负载力，N；Bci为液压缸活塞及负载的黏性阻尼系数，N/(m·s)；mi为液压缸斜盘、活塞的等效质量，kg；Ki为负载的弹簧刚度，N/m；i为二次元件序号，i=1,2分别对应驱动和加载二次元件；KSi为位移传感器传递函数，V/m。图6中，阀控缸为前置级排量控制系统；Kα为变量液压缸活塞的位移相对斜盘摆角的变换系数，(°)/m；γimax为二次元件变量斜盘的最大摆角，(°)；Vimax为二次元件最大排量，m3/rad；Δpi为二次元件的进出油口压
差，Pa； J1二次元件转动件、联轴器、转速传感器、被试截割部、变速器等效转动惯量，kg·m2；R1为二次元件的等效阻尼系数，N·m·s/rad；J2为加载单元二次元件转动件、联轴器、转速传感器的等效转动惯量，kg·m2；R2为加载单元二次元件的等效阻尼系数，N·m·s/rad；KM2转矩传感器变换系数，V·s/rad；KS1为转速传感器的变换系数，V·s/rad；M1为转矩传感器的输出轴转矩，N·m；φ1为变速器输入轴转角，rad。
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