管帶機(jī)頭尾液壓馬達(dá)雙驅(qū)式設(shè)計(jì)同步問(wèn)題研究

王衛(wèi)東，侯繼鵬，丁增佳，李冉

(山鋼股份萊蕪分公司焦化廠，山東萊蕪271104)

管式皮帶運(yùn)輸機(jī)是在通用帶式輸送機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型帶式輸送機(jī)，因其在輸送過(guò)程中物料密閉，輸送線路適應(yīng)性較強(qiáng)，因此可設(shè)計(jì)成為長(zhǎng)距離物料輸送設(shè)備。這一技術(shù)早期在日本采用，隨后歐洲許多公司也開(kāi)始設(shè)計(jì)制造這種皮帶運(yùn)輸機(jī)［1］。我國(guó)管式皮帶運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和使用起步相對(duì)較晚，管式皮帶運(yùn)輸機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式一般有“變頻電機(jī)—減速機(jī)”驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種，普遍采用頭部(卸料端)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方式。而當(dāng)設(shè)計(jì)為單機(jī)長(zhǎng)度超過(guò)2 km 的超長(zhǎng)距離管式皮帶機(jī)時(shí)，單純的頭部驅(qū)動(dòng)就不足以提供設(shè)備運(yùn)行所需要的動(dòng)力，需要采用頭尾部雙驅(qū)的驅(qū)動(dòng)方式。目前，萊鋼焦化廠在用4 條管式皮帶機(jī)中有2 條單機(jī)距離超過(guò)2 km，其中2007 年初投入使用的焦化廠3#管帶機(jī)單機(jī)距離達(dá)到3 km，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的頭、尾液壓馬達(dá)雙驅(qū)式設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)尚屬首例。因此，該系統(tǒng)在調(diào)試、使用過(guò)程中出現(xiàn)了許多問(wèn)題，尤其是管帶機(jī)頭尾部液壓馬達(dá)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的不同步問(wèn)題，一度影響到管帶機(jī)的正常運(yùn)行，近年來(lái)，焦化廠技術(shù)人員會(huì)同各方面的專家對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了探索，并采取了措拖使得該問(wèn)題在管式皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到了創(chuàng)新性解決。

1 管帶機(jī)頭尾液壓馬達(dá)雙驅(qū)系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 超長(zhǎng)距離管式皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成圖

萊鋼焦化廠3#管式皮帶機(jī)設(shè)計(jì)水平投影長(zhǎng)度為3 km，為超長(zhǎng)距離管式皮帶機(jī)，其拉緊方式采用重錘漲緊，頭尾部各置一套驅(qū)動(dòng)裝置，并自成系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1。

該管式皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置采用赫格隆液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［2］(如圖2 所示)，其構(gòu)成主要包括以下部分:(1)液壓動(dòng)力站。其主要作用是將電能轉(zhuǎn)換成液壓動(dòng)力以供馬達(dá); (2)液壓馬達(dá)。主要作用為輸出扭矩，將液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)換成機(jī)械能; (3)液壓管路。將液壓動(dòng)力站與液壓馬達(dá)連接，用于系統(tǒng)輸送液壓動(dòng)力;(4)控制系統(tǒng)。液壓動(dòng)力站內(nèi)SPIDER 控制器，主要對(duì)液壓系統(tǒng)整體運(yùn)行進(jìn)行控制和檢測(cè)。

圖2 赫格隆液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成圖

該液壓系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)回路: (1)使用雙向軸向柱塞變量泵，通過(guò)柱塞控制液壓泵斜盤傾角，從而控制流量與壓力。 (2)采用徑向柱塞式定量液壓馬達(dá)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)馬達(dá)殼體固定，油缸體/空心軸旋轉(zhuǎn)，偶數(shù)個(gè)柱塞均布于油缸體的柱塞孔中，配流盤實(shí)現(xiàn)對(duì)工作柱塞的準(zhǔn)確配流。當(dāng)液壓力作用在柱塞底部時(shí)，柱塞通過(guò)凸輪滾子將力傳遞到凸輪環(huán)的斜面上，因凸輪環(huán)與殼體固定在一起，而殼體固定，所以凸輪滾子將凸輪環(huán)的反作用力傳遞到柱塞上，反作用力在垂直于柱塞中心線方向上的分力對(duì)柱塞產(chǎn)生扭矩，因此油缸體和柱塞一起產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，同時(shí)扭矩正比于系統(tǒng)壓力。(3)運(yùn)行中20% ～25% 的工作流量被補(bǔ)油泵輸入的冷油置換出來(lái)，使主回路強(qiáng)制冷卻。 (4)容積調(diào)速系統(tǒng):使用比例閥控制液壓泵的斜盤傾角的變化，從而控制液壓泵輸出流量的變化，進(jìn)而控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速n=Q/q。 (5)液壓系統(tǒng)高度集成化，總效率可達(dá)70% ～80%。

圖3 管帶機(jī)頭尾液壓馬達(dá)雙驅(qū)式設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

在控制系統(tǒng)構(gòu)成方面，赫格隆液壓系統(tǒng)自身配備Spider 集成控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含多種功能，如馬達(dá)轉(zhuǎn)速、扭矩等數(shù)據(jù)的采集與控制，動(dòng)力站的主要工作參數(shù)的監(jiān)控和記錄，并能通過(guò)自身閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)油壓與馬達(dá)速度的調(diào)節(jié)，同時(shí)與上位機(jī)協(xié)調(diào)作用還能夠?qū)崿F(xiàn)頭尾馬達(dá)的協(xié)同控制。在實(shí)際應(yīng)用中，管帶機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾兩套液壓系統(tǒng)各成體系，通過(guò)總線與上位機(jī)相連接，在上位機(jī)中植入頭尾油壓比例與自調(diào)節(jié)程序，根據(jù)理論計(jì)算得出頭尾油壓調(diào)節(jié)值，并將信號(hào)反饋于Spider 控制系統(tǒng)，進(jìn)而作用于油泵和馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)油壓與速度的協(xié)調(diào)控制，如圖3 所示。

2 管帶機(jī)頭尾液壓馬達(dá)雙驅(qū)式設(shè)計(jì)同步調(diào)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)

(1)管帶機(jī)頭尾部油壓比例區(qū)間的確定

在實(shí)際應(yīng)用中，管帶機(jī)頭、尾部液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速直接影響著管帶能否正常運(yùn)行，而決定馬達(dá)轉(zhuǎn)速的因素是油壓，如果油壓比例不合適，頭、尾部馬達(dá)將不能同步，進(jìn)而造成管帶扭轉(zhuǎn)、跑偏、打滑、滾筒磨損，嚴(yán)重時(shí)將造成馬達(dá)損壞、皮帶撕裂等惡性事故。短距離管式皮帶機(jī)一般采用頭部驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方式，所有的驅(qū)動(dòng)負(fù)載集中在頭部，因此不存在頭尾部驅(qū)動(dòng)不同步的情況;而當(dāng)采用頭尾部雙驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，就需要通過(guò)理論計(jì)算來(lái)重新分配負(fù)載，通過(guò)對(duì)圓管帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功率以及頭尾部張力值計(jì)算進(jìn)而重新分配頭尾部驅(qū)動(dòng)功率(計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，不贅述):

管帶機(jī)運(yùn)行總功率:p=p頭+p尾=720 kW

其中:p頭=400 kW，p尾=320 kW;

所以，頭尾部油壓比例:ω = (p頭－15)/(p尾－15)=1.26

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中頭尾油壓的波動(dòng)范圍以及設(shè)備承壓極限，確定頭尾部油壓比例在0.8 ～1.75 之間的允許波動(dòng)區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)頭尾部油壓可控且不至于造成設(shè)備損壞。

(2)頭尾部油壓比例自調(diào)程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試

在管帶調(diào)試初期，頭、尾部馬達(dá)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)采用人工調(diào)節(jié)的方式來(lái)完成:即主控人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)油壓比例反饋信號(hào)對(duì)速度給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使比例參數(shù)維持在0.8 ～1.75 安全區(qū)間以內(nèi)，但人工調(diào)節(jié)不僅增加了現(xiàn)場(chǎng)人員的工作量，同時(shí)也因?yàn)槿藶榕袛嗯c反應(yīng)的滯后性影響到調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和靈敏度，效果不是很理想。后期通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)比較實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了頭尾部油壓比例自調(diào)程序的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)速度的自動(dòng)調(diào)節(jié):確定頭、尾部油壓比例值理想?yún)^(qū)間為1.2 ～1.35，以此區(qū)間為中心的正、負(fù)范圍內(nèi)各設(shè)定3 個(gè)檔次，并根據(jù)各檔次區(qū)間內(nèi)油壓比例表現(xiàn)確定不同程度的自調(diào)值(自調(diào)值的大小可以影響調(diào)節(jié)的程度與響應(yīng)時(shí)間);現(xiàn)場(chǎng)頭、尾部油壓比例處于哪種檔次內(nèi)，信號(hào)就依據(jù)自調(diào)值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而大大優(yōu)化了同步調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和靈敏度。

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)采集與比較可以確定，當(dāng)管帶機(jī)頭尾部油壓比例自調(diào)參數(shù)按照表1 設(shè)計(jì)時(shí)，自調(diào)程序與現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)表現(xiàn)及時(shí)而平穩(wěn)，自調(diào)過(guò)程中自調(diào)參數(shù)與油壓比例表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

表1 頭尾同步自調(diào)參數(shù)列表

(3)Spider 控制系統(tǒng)的速度反饋PID 調(diào)節(jié)功能

管式皮帶機(jī)采用鋼絲繩芯膠帶，主要張力變化被膠帶內(nèi)置的133 根鋼絲所承受。在管帶機(jī)啟動(dòng)、停止以及物料變化時(shí)，皮帶漲緊力也在復(fù)雜變化，如果在速度的調(diào)節(jié)上采用開(kāi)環(huán)控制，將會(huì)造成膠帶內(nèi)部鋼絲受力不均勻，進(jìn)而造成膠帶運(yùn)行不穩(wěn)定，降低了皮帶壽命。在此，對(duì)頭、尾部馬達(dá)的Spider 控制器進(jìn)行了閉環(huán)控制設(shè)定，通過(guò)Spider 控制器對(duì)馬達(dá)內(nèi)部速度編碼器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集值與上位機(jī)反饋的給定速度值進(jìn)行比較，隨時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而起到進(jìn)一步穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的目的。

圖4 為Spider 控制器PID 調(diào)節(jié)功能原理圖，Spider 的PID 調(diào)節(jié)功能可有效補(bǔ)償因負(fù)載變化引起的速度改變，從而使馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，其主要過(guò)程包括:

①速度指令信號(hào)和實(shí)際速度信號(hào)的差值(差值信號(hào))將傳送到PID 調(diào)節(jié)器;

②PID 調(diào)解器包括三方面的調(diào)節(jié):

P 調(diào)節(jié):將差值信號(hào)比例放大;

I 調(diào)節(jié):差值信號(hào)積分調(diào)節(jié);

D 調(diào)節(jié):差值信號(hào)微分調(diào)節(jié)(一般不用)。

圖4 Spider 控制器速度反饋——PID 調(diào)節(jié)功能原理圖

通過(guò)Spider 控制器的參數(shù)設(shè)置面板可設(shè)置P 調(diào)節(jié)的比率因子、差值信號(hào)的值域、I 調(diào)節(jié)的時(shí)間范圍等參數(shù)。按照程序默認(rèn)設(shè)置，如果在10 s 內(nèi)PID 調(diào)節(jié)不能使差值信號(hào)進(jìn)入差值信號(hào)的值域，Spider 控制器將給出“ERR TOO LARGE”或”誤差太大“警告。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)頭尾液壓馬達(dá)雙驅(qū)式管帶機(jī)頭尾驅(qū)動(dòng)不同步問(wèn)題的討論，確定了驅(qū)動(dòng)不同步問(wèn)題出現(xiàn)的原因，并通過(guò)頭尾部油壓比例區(qū)間的確定、頭尾部油壓比例自調(diào)程序的設(shè)計(jì)以及Spider 控制系統(tǒng)速度反饋PID 調(diào)節(jié)功能的設(shè)定等多種方式的協(xié)調(diào)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了頭尾雙驅(qū)同步性的有效提升，從而為頭尾雙驅(qū)式馬達(dá)設(shè)計(jì)在超長(zhǎng)距離物料輸送設(shè)備上的應(yīng)用提供了理論支持與實(shí)踐方面的依據(jù)。該調(diào)節(jié)方式在實(shí)際應(yīng)用中具備安裝使用靈活、靈敏度高、準(zhǔn)確性強(qiáng)、反應(yīng)迅捷的優(yōu)點(diǎn)，在工程應(yīng)用中具備十分廣闊的前景與深遠(yuǎn)的意義。

【1】張鉞.新型圓管帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

【2】赫格隆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(上海)有限公司.赫格隆CB 馬達(dá)安裝維護(hù)手冊(cè)，2004.