日晕是怎么回事66采矿工程
M ining engineering
徐贵旭1，朱殿瑞2，刘泽平3
（１．山西铁道职业技术学院，山西 太原 ０３００１３；２．太原重工股份有限公司，山西 太原 ０３００２４；
３．矿山采掘装备及智能制造国家重点实验室，山西 太原 ０３００３２）
摘 要：
以新设计的采矿刮板输送机永磁直驱系统为研究对象，基于数值分析法，利用拉格朗日方程，建立永磁直驱系统可动力学模型。利用ＭＡＴＬＡＢ软件，分析了系统的动态响应特性。通过搭载试验台，验证了分析结果。为优化刮板输送机驱动系统提供了参考。
关键词：
采矿刮板输送机；永磁直驱；ＭＡＴＬＡＢ中图分类号：ＴＭ３１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：
１００２－５０６５（２０２２）０６－００６６－３Design of permanent magnet direct drive system for mining scraper conveyor
XU Gui-xu 1, ZHU Dian-rui 2, LIU Ze-ping 3
（１．Ｓｈａｎｘｉ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００１３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔａｉｙｕａｎ Ｈｅａｖｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．，ＬＴＤ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００３２，Ｃｈｉｎａ）
Abstract: Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｗｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｓｃｒａｐｅｒ ｃｏｎｖｅｙｏｒ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ
姬诚ｏｂｊｅｃｔ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈ
ｏｄ ａｎｄ Ｌａｇｒａｎｇｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＭＡＴＬＡＢ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｓｔ－ｂｅｄ． Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｃｒａｐｅｒ ｃｏｎｖｅｙｏｒ．
Keywords: Ｍｉｎｉｎｇ ｓｃｒａｐｅｒ ｃｏｎｖｅｙｏｒ； Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ； ＭＡＴＬＡＢ
收稿日期：
２０２２－０３作者简介：徐贵旭，男，生于１９８７年，山西阳高县人，硕士研究生，讲师，研究方向：机械教学。
通讯作者简介：
朱殿瑞，男，生于１９８５年，山西祁县人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：机械制造。
随着当前采矿机械设备的规格不断增大，生产效率不断升高，刮板输送机的运送矿产资源能力逐渐成为制约采矿作业效率的瓶颈。目前，刮板输送机的运送矿产资源能力主要是由刮板输送机的电动机决定，传统的刮板输送机通常选用异步电动机携减速机作为动力源传动。随着运送资源负载的增加，在低转速大负载的情况下，异步电动机携减速机由于结构缺陷，其传动效率相对较低[1-4]。 针对上述问题，以SZB1000/600型的刮板输送机为研究对象，设计永磁同步电机驱动系统代替传统异步电动机系统，提高运输效率[5-8]。 1 采矿刮板输送机机电耦合动力学模型
采矿刮板输送机永磁直驱系统属于典型的机电耦合系统，其具体的工作原理是：通过对刮板输送机负
载情况进行分析，由变频器提供控制信号，对永磁同步电机进行调速。刮板输送机中的传动链轮与永磁同步电机连接，电机转子将转矩传递给传动链轮，调整刮板输送机的转速及扭矩。
具体的耦合仿真模型原理如图1所示，从图中可以看出，电机负载是由刮板输送机工作状态时的刚度、阻尼、位
移、速度共同决定的，因此首先对刮板输送机负载工况进行动力学分析。
采矿刮板输送机的结构包括刮板链、机头链轮、机尾链轮等部分组成。在工作工程中，刮板、刮板链、矿物互相作用，产生相对复杂的力学特性。为了有效模拟刮板输送机的动力学特性，选择具有粘性和弹性双重特性的离散元模型Kelvin-Voigt
模型。
图1 采矿刮板输送机永磁直驱系统原理图
Kelvin-Voigt 模型反映的是物体对应力的响应过程。
即当对模型施加一个外界应力作用后，由于阻尼器的粘性阻碍造成弹簧不能立即被拉开，而是随着时间的继续，阻尼器才会慢慢发生应变，使得弹簧也随之产生应变，直到两者达到稳定[9，10]。
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利用Kelvin-Voigt 模型建立的刮板链动力学方程如下式：
（1）
式中：
F——刮板链条产生的拉力，N ；k——刮板链条刚度系数，N/mm E——输送机链条弹性模量；
c——链条之间的弹性阻尼系数，Ns/m ；η——联轴器传动效率；ε——弹簧与阻尼的等量应变；t——时间，s。
SZB1000/600型的刮板输送机采用的是输送机头、尾同步驱动的驱动方式[11-12]。结合刮板输送机外形结构以及工作情况，建立刮板输送机闭合连续的离散元模型如图2所示。
将定义好的刮板输送机离散元模型参数带入拉格朗日方程，即可形成机电耦合动力学方程：
（2）
式中：
T t 、T w ——机头、机尾电机负载扭矩，N·m ；T Lt 、T Lw ——机头、机尾实际负载扭矩，N·m ；m t 、m w ——机头、机尾离散单元等效质量，kg ；R t 、R w ——机头、机尾链轮截圆半径，m ；θt 、θw ——机头、机尾链轮转角，°；加速度F 1~F 2n ——刮板链条拉力，N ；f t 、f w ——机头、机尾链轮转动阻力，N。
新侨报2 模拟仿真分析
为验证采矿刮板输送机永磁直驱系统对运输效率的影
响，将前章所建立的机电耦合动力学模型带入MTLAB 进行仿真计算分析。
在负载波动的情况下，快速调整电机功率，保持运输速度的稳定运行，是保证运输效率的有效方式。因此，利用MATLAB 软件将额定负载改为随机函数生成，负载率在90%~105%之间波动。同时，为了提高模拟的效果，分别在第2s、4s、6s 将额定负载降至60%、70%、80%，观察输送链刮板的速度变化。仿真结果如图3
所示。
图3 刮板链条速度变化仿真曲线
从图中可以看出：当2.5s 载荷降至60%时，各处刮板链速度均不同程度增加，最大额定速度1.5m/s 升高至3.75m/s，随后迅速降低至额定速度，反应时间不超过0.1s，说明新的刮板输送机永磁直驱系统新的永磁直驱系统，在负载变化的情况下，能够快速调整电机功率，保证刮板输送机的稳定运行。
同时，仿真图中240m 处的刮板链速度变化较其它位置的刮板链要剧烈，这说明当载荷突变时，靠近机尾链轮刮板链的速度变化波动的影响大。
这与刮板输送机实际的工况相
图2 刮板输送机动力学离散元模型
图中：ｃ表示链条的粘性阻尼系数；ｋ表示链条的刚度系数；ｆ表示运行阻力；Ｔ表示扭矩；
Ｆ表示拉力；ｖ代表转速；Ｒ代表回转半径；θ代表链轮转角
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符，从另一个方面证明了模拟仿真的正确性。
3 现场试验
采矿刮板输送机的实际工况比较复杂，为确保模上述模拟仿真与实际工作状态保持一致，通过改造采矿设备模拟实验平台，搭建小功率刮板输送机模拟试验平台进行模拟试验。试验平台具体结构如图4
所示。
图4 现场试验图试验平台由永磁同步电机、联轴器、扭矩传感器、磁粉式测功机、编码器和拉压力传感器组成。二苯甲酰基甲烷
同步电机由变频器控制，变频器通过计算机提供的模拟负载，控制电机的转速。永磁同步电机通过联轴器与磁粉式测功机相连，中间放置了扭矩传感器检测电机输出扭矩，磁粉式测功机内部装有拉压力传感器，测量机壳的拉压力以模仿刮板输送机刮板的传动力。
为保证试验结果与模拟仿真结果合理有效的进行比较。将现场试验中的输出负载曲线按照第二章模拟仿真时的频率，扭矩幅值降低150倍，得到的试验结果如图5所示
：
图5 试验电机输出转速特性曲线
图5为试验过程中电机的输出转速，从图中可以看出，在第2s、4s、6s 时电机转速随着负载的降低而降低，说明新设计的永磁同步电机驱动系统，能够及时对刮板输送机上的负载变化进行调整，有效提高了生产效率。
另外，从电机输出特性曲线来看，电机输出转速波动明
显。经过分析，其原因是由于在缺少减速机的情况下，永磁同步电机驱动系统中电机输出转速与转矩对负载突变响应波动较大。为了解决这一问题，可在实际使用过程中，根据工况合理选择直驱电机。
4 结论
为提高传统采矿刮板输送机传动效率低下的问题，本文以SZB1000/600型的采矿刮板输送机为研究对象，设计了新的永磁直驱系统作为动力源，通过模拟仿真和厂内试验得出以下结论：
（1）采矿刮板输送机结构复杂，工作状态时刮板链的刚度、阻尼、位移、速度均会对链条的受力产生影响。因此，在建立动力学模型时需要选择具有粘性和弹性双重特性的离散元模型，这样能够与实际情况更加贴近。
（2）为了验证新设计的永磁直驱系统的效果，建立周期性变化负载利用MATLAB 软件模拟仿真，仿真结果显示，新的刮板输送机驱动系统，对负载的变化反映迅速，反映时间不超过0.1秒，证明新系统能够有效改善刮板输送机的性
能，提高传输效率。
（3）为验证模拟仿真的真实性和准确性，在室内搭建小功率永磁直驱系统模拟试验平台进行现场试验，结果表明新设计的永磁同步电机驱动系统能够及时对采矿刮板输送机上的负载变化进行调整，但由于在少减速机，驱动系统中电机输出转速与转矩对负载突变响应波动较大。
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