一种截割调速系统及掘进机 【技术领域】
本发明涉及工程机械领域， 特别是指一种截割调速系统及掘进机。背景技术 在煤矿巷道掘进过程中， 由于煤层结构复杂， 软硬程度变化没有规律。 为了适应井 下的复杂工况， 很容易想到 ： 对于硬煤层采用低速大转矩截割， 而对于软煤层， 则采用高速 截割， 以提高截割效率。但由于工艺、 强度等方面限制， 目前的掘进机仅能做到 2-4 级的速 度调节， 并不能实现截割输出转速、 转矩与煤层软硬度的完美匹配。 此外， 在现有技术中， 现 有的截割系统通常采用单 ( 双 ) 速电机与单 ( 多 ) 速比变速箱机械啮合， 根据操作人员个 人经验、 电流检测值等手动或者自动完成 2 ～ 4 级调速。大多通过手动操作进行高低速切 换和掘进速度控制， 截割电机在超载、 欠载等较大范围内波动， 不利于提高工作效率和可靠 性。
在现有技术中的截割调速系统存在以下问题 ： 1、 变极调速电机的体积大， 制造技 术难度大， 属有极调速 ； 2、 齿轮的啮合， 配合双速电机， 最多只能拥有 4 种不同的转速， 且多 速比减速机稳定性差 ； 3、 无法实现截割头转速、 转矩连续无极调节 ； 4、 调速切换大多凭借 个人经验， 判定模糊、 不精确。
发明内容
本发明提出一种截割调速系统及掘进机， 利用变频器改变截割电机的输出转速、 转矩， 从而能够实现无极调速。
本发明的技术方案是这样实现的 ：
一种截割调速系统， 应用于煤炭掘进领域的掘进机中， 包括 ：
变频器， 用于接收电源电流， 并对电流的幅值进行调节 ；
截割电机， 与所述变频器电气连接， 用于接收所述变频器调节幅值后输出的电流， 并依据电流的幅值输出相应的转矩和转速 ；
截割头， 由所述截割电机带动， 用于截割煤层。
优选的， 还包括 ：
减速机构， 设置于所述截割电机和所述截割头之间。
优选的， 还包括 ：
控制器， 用于输出控制信号， 通过所述控制信号控制所述变频器对电流的幅值进 行调节。
优选的， 还包括 ：
编码器， 设置于所述截割电机上， 所述编码器的反馈端还与所述变频器连接， 用于 检测所述截割电机的工作状况， 并输出所述截割电机的第一状况信息至所述变频器， 由所 述变频器对第一状况信息分析处理后发送至所述控制器 ；
所述控制器根据所述变频器分析处理后的第一状况信息生成所述控制信号。优选的， 还包括 ：
传感器组， 设置于所述截割电机和所述截割头上， 用于检测各部件的工况， 并输出 第二工况参数发送至所述控制器 ；
所述控制器根据所述变频器分析处理后的第一状况信息和第二工况参数生成所 述控制信号。
优选的， 所述第二工部参数包括 ： 温度参数、 应力参数、 载荷参数、 震动参数、 冲击 参数中任意一种或几种的组合。
优选的， 还包括 ：
电抗滤波模块， 设置于所述变频器上， 用于消除所述变频器工作时的谐波和电磁 干扰。
优选的， 还包括 ：
减震装置， 设置于所述变频器上， 用于减轻所述变频器工作时的震动。
优选的， 还包括 ：
冷却装置， 设置于所述变频器上， 用于对所述变频器进行冷却。
一种掘进机， 应用于煤炭掘进领域， 包括掘进机机身， 还包括如前所述的截割调速 系统， 所述截割调速系统设置于所述掘进机机身内。 本发明技术方案利用变频器改变截割电机的输出转速、 转矩， 从而能够实现无极 调速， 而不是通过机械结构进行调速或变极调速， 从而能够减少截割电机的体积和制造难 度； 进一步， 变频器、 编码器实时监测截割电机电流、 转速等运行状态并反馈控制器 ； 传感 器组实时监测截割温度、 应力变化、 载荷变化、 震动、 冲击等工况参数并反馈控制器， 使调速 截割更加准确、 稳定， 自适应能力强， 从而能够智能分析、 辨识截割煤层信息， 并自动调节匹 配截割输出方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动性的前提下， 还可 以根据这些附图获得其他的附图。
图 1 为本发明一种截割调速系统第一实施例的结构示意图 ；
图 2 为本发明一种截割调速系统的原理示意图。 具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例， 都属于本发明保护的范围。
本发明所述的截割调速系统， 应用于煤炭掘进领域的掘进机中， 参照图 1、 图 2， 在 本发明一种截割调速系统的一个实施例中， 所述截割调速系统 100 包括变频器 1、 截割电机 2、 截割头 5。所述变频器 1， 用于接收电源电流， 并对电流的幅值进行调节。
其中， 所述电源电流可以是外部交流电源电流或其它电源电流， 所述电流的幅值 是指电流电压、 电流频率等。
截割电机 2， 与所述变频器 1 电气连接， 用于接收所述变频器 1 调节幅值后输出的 电流， 并依据电流的幅值输出相应的转矩和转速。
电流的电压、 频率等幅值不同， 则所述截割电机 2 输出的转矩和转速也不同， 所述 截割电机 2 输出的转矩和转速与电流的电压、 频率等幅值存在着对应关系。
比如， 由异步电机转速公式 ：
n ＝ 60f(1-s)/p ；
及电机额定转矩与转速之间的关系 ：
T ＝ 9550P/n ；
其中， 截割转速 n、 截割转矩 T、 频率 f、 极对数 p、 转差率 s、 功率 P ；
可知， 截割电机 2 输入频率的改变将使截割电机 2 的转速与转矩发生变化， 从而能 够影响截割头 5 的截割转矩。
截割头 5， 由所述截割电机 2 带动， 用于截割煤层。
进一步， 所述截割调速系统 100 还包括 ：
减速机构 4， 设置于所述截割电机 2 和所述截割头 5 之间， 用于降低所述截割头 5 的转速和增加转矩。
所述减速机构 4 是一种动力传达机构， 利用齿轮的速度转换器， 将电机的回转数 减速到所要的回转数， 并得到较大的转矩。
进一步， 所述截割调速系统 100 还包括 ：
控制器 6， 用于输出控制信号， 通过所述控制信号控制所述变频器 1 对电流的幅值 进行调节。
在本发明的一个实施例中， 所述截割调速系统 100 还包括 ：
编码器 3， 设置于所述截割电机 2 上， 所述编码器 3 的反馈端还与所述变频器 1 连 接， 用于检测所述截割电机 2 的工作状况， 并输出所述截割电机 2 的第一状况信息至所述变 频器 1， 由所述变频器 1 对第一状况信息分析处理后发送至所述控制器 6。
其中， 所述控制器 6 根据所述变频器 1 分析处理后的第一状况信息生成所述控制 信号。
截割电机 2 上设置编码器 3， 可以对截割电机 2 的运行情况实现时间与空间的定 位， 确定截割电机 2 的工作状况， 通过编码器 3 的反馈端与变频器 1 相互连接， 可以更精确 的对截割电机 2 的状态进行实时分析。编码器 3 实现对截割电机 2 工作状况的检测， 即对 截割电机 2 运行速度及位置进行分析， 把相应信息反馈回变频器 1 中， 变频器 1 对反馈的信 息进行分析后传送到控制器 6 中。
在本发明的一个实施例中， 所述截割调速系统 100 还包括 ：
传感器组 7， 设置于所述截割电机 2 和所述截割头 5 上， 用于检测各部件的工况， 并 输出第二工况参数发送至所述控制器 6 ；
所述控制器 6 根据所述变频器 1 分析处理后的第一状况信息和第二工况参数生成 所述控制信号。所述传感器组 7 除了可以设置于所述截割电机 2 和所述截割头 5 上外， 还可以设 置于其他的组成部件上， 如所述传感器组 7 还可以设置于减速机构 4 上， 所述传感器组 7 可 以由多个传感器元件组成。
其中， 所述第二工部参数包括 ： 温度参数、 应力参数、 载荷参数、 震动参数、 冲击参 数中任意一种或几种的组合。
控制器 6 对传感器组 7 检测的温度、 应力变化、 冲击、 载荷等信号进行分析处理后， 发送控制命令给变频器 1。变频器 1 接收控制器 6 命令后进行变频控制， 改变输出频率， 从 而改变了截割电机 2 的输入频率， 实现对截割电机 2 转速和转矩的控制， 提高截割效率。
由于变频器 1 可以连续的改变频率， 所以转矩的大小也能够随时改变， 从而实现 自适应。当遇到软煤层时， 可以改变进给力过小使截割电机 2 空载、 怠载的问题 ； 当遇到较 硬煤层时， 可以改变进给力太大使截割电机 2 过载、 过流的现状。
在实际作业时， 截割头 5 的截割效率与很多因素有关， 如截割电机 2 的工作特性、 截割头 5 的截齿排布、 截割的动作路径、 煤层特性等。 这里仅对截割电机 2 的截割转速 n、 截 割转矩 T、 进给力 F 与截割煤层间的关系作简要分析， 给出一个分析模型， 并不能因此认定 其对本发明技术方案有任何的限定。 给定特性煤层模型， 设截割效率为 Q， 设定其他因素时， 有：
Q(function) ＝ Z(F， n， T， other elements) ；
对于建立的煤层截割效率模型， 通过理论分析及试验测试， 可以得到相应的截割 仿真试验参数 ：
Q ＝ (q1， q2， q3......qn)
F ＝ (F1， F2， F3......Fn)
n ＝ (n1， n2， n3......nn)
T ＝ (T1， T2， T3......Tn)
引入约束条件 ：
n ＝ T(U， I， f， p......)， 其中， U- 电压， I- 电流， f- 频率， p- 极对数。
通过数学计算、 仿真， 可以得到最佳截割效率 Qmax 与对应的 fbest、 nbest、 Tbest。由此 可见， 如果利用变极变频技术综合调节截割电机 2 工作特性 (n， T)， 使 Q → Qmax， 将极大地提 高掘进效率。
另外， 所述截割调速系统 100 还包括 ：
电抗滤波模块， 设置于所述变频器 1 上， 用于消除所述变频器 1 工作时的谐波和电 磁干扰。
变频器 1 工作时由于其自身工作特性， 会对接入电网及其回路中其他电气元件产 生强电磁干扰。
本发明在变频器 1 前端增加电抗滤波模块， 消除谐波和电磁干扰， 使得输入 EMC(Electro Magnetic Compatibility， 电磁兼容性 ) 和电压电流谐波均符合相关认证要 求， 对电网和其他回路几乎没有负面影响。
另外， 所述截割调速系统 100 还包括 ：
减震装置， 设置于所述变频器 1 上， 用于减轻所述变频器 1 工作时的震动。
所述截割调速系统 100 还包括 ：
冷却装置， 设置于所述变频器 1 上， 用于对变频器 1 进行冷却。
本发明技术方案利用变频器 1 改变截割电机 2 的输出转速、 转矩， 从而能够实现无 极调速， 而不是通过机械结构进行调速或变极调速， 从而能够减少截割电机 2 的体积和制 造难度 ； 进一步， 变频器 1、 编码器 3 实时监测截割电机 2 电流、 转速等运行状态并反馈控制 器6； 传感器组 7 实时监测截割温度、 应力变化、 载荷变化、 震动、 冲击等工况参数并反馈控 制器 6， 使调速截割更加准确、 稳定， 自适应能力强， 从而能够智能分析、 辨识截割煤层信息， 并自动调节匹配截割输出方式。
另外， 本发明还公开了一种掘进机， 所述掘进机应用于煤炭掘进领域。 所述掘进机 包括掘进机机身， 还包括前述各实施例所述的截割调速系统 100， 所述截割调速系统 100 设 置于所述掘进机机身内， 由于前面各实施例已经对所述截割调速系统 100 的组成结构和工 作原理进行了详细描述， 为了篇幅考虑， 在此不再赘述， 参照前面相关部分的描述即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精 神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。