帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)機(jī)電耦合模型的研究

王 琦

（太原市明仕達(dá)煤炭設(shè)計(jì)有限公司， 山西 太原 030001）

引言

輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵，其將電器信號(hào)轉(zhuǎn)化為所需的機(jī)械運(yùn)動(dòng)保證設(shè)備的運(yùn)行，永磁直驅(qū)系統(tǒng)是重要且復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)。對(duì)于帶式輸送機(jī)的運(yùn)行，永磁直驅(qū)系統(tǒng)通過(guò)變頻器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號(hào)，通過(guò)輸送機(jī)的鏈輪帶動(dòng)輸送機(jī)運(yùn)行起到運(yùn)輸煤炭的作用。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵是信號(hào)的轉(zhuǎn)化，永磁直驅(qū)系統(tǒng)將電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號(hào)的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了能量間的轉(zhuǎn)化，即將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)設(shè)備運(yùn)行。因此，研究帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)就顯得尤為重要。

1 耦合模型的建立

通過(guò)建立刮板輸送機(jī)機(jī)電耦合模型，利用數(shù)值仿真模擬軟件對(duì)設(shè)備在不同載荷運(yùn)行情況下進(jìn)行轉(zhuǎn)速、張力以及輸送機(jī)鏈條運(yùn)行狀況的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

帶式輸送機(jī)主要由機(jī)頭、機(jī)尾以及驅(qū)動(dòng)設(shè)備和鏈輪構(gòu)成，其中，鏈條主要受拉力作用使設(shè)備運(yùn)行，為更加全面的建立帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)機(jī)電耦合模型，需對(duì)設(shè)備進(jìn)行以下假設(shè)：輸送機(jī)在運(yùn)煤過(guò)程中煤體在輸送機(jī)上均勻分布；運(yùn)行阻力均勻分布于運(yùn)輸槽且阻力大小不隨輸送機(jī)運(yùn)行速度改變；鏈條和刮板均勻分布于運(yùn)輸槽的承載段；鏈條和刮板在水平方向不受振動(dòng)影響，因此只需考慮二維層面受力模型。

對(duì)于輸送機(jī)模型的建立，本文采用離散元模型，帶式輸送機(jī)的離散元模型根據(jù)運(yùn)行過(guò)程中載荷的大小及零部件的不同可以分為機(jī)頭機(jī)尾鏈輪、運(yùn)輸槽、空載荷運(yùn)行時(shí)的刮板鏈、滿載荷或超載荷刮板鏈等四種。由于運(yùn)輸槽剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于刮板鏈的剛度，所以運(yùn)輸槽與溜槽之間產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)運(yùn)輸機(jī)的動(dòng)力學(xué)影響較小，如若考慮中部槽的力學(xué)效應(yīng)，將大大增加工作量且輸送機(jī)的力學(xué)方程會(huì)十分復(fù)雜，結(jié)果的準(zhǔn)確性也得不到保證，因此在本文中，暫不考慮運(yùn)輸槽的力學(xué)特性，直接將其視為剛體處理。

運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，刮板鏈、刮板等各個(gè)部件之間的力學(xué)特性非常復(fù)雜，具有典型的彈性和粘性特性，利用麥克斯韋（Maxwell）模型和伏格特（Kelvin-Voigt）模型解決粘彈性模型是最佳的選擇。

對(duì)于帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)機(jī)電耦合模型的建立，既要體現(xiàn)輸送機(jī)空間形態(tài)的動(dòng)態(tài)特性，又要體現(xiàn)其狀態(tài)變量。圖1為帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)仿真模型原理圖，系統(tǒng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號(hào)，輸送機(jī)通過(guò)扭矩帶動(dòng)設(shè)備運(yùn)行，利用輸送機(jī)狀態(tài)方程可以得到設(shè)備運(yùn)行中的剛度、阻尼以及位移、速度參數(shù)，剛度、阻尼參數(shù)直接反映輸送機(jī)狀態(tài)變量，位移速度可以直接反映設(shè)備運(yùn)行中的阻力系數(shù)，進(jìn)而反映設(shè)備空間形態(tài)的動(dòng)態(tài)特性，參數(shù)可以綜合反映出設(shè)備在運(yùn)煤過(guò)程中，機(jī)頭部位和機(jī)尾部位在負(fù)載運(yùn)行中的狀況，其影響設(shè)備轉(zhuǎn)矩效率，進(jìn)而影響運(yùn)煤效率。

圖1 帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)仿真模型原理圖

2 耦合模型的仿真分析

在上文帶式輸送機(jī)仿真模型的基礎(chǔ)上，為了得到永磁直驅(qū)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特性，必須進(jìn)行不同載荷條件下輸送機(jī)的運(yùn)行規(guī)律分析，從而改善永磁直驅(qū)系統(tǒng)在滿載、空載、隨機(jī)載荷下的運(yùn)行狀況，提高設(shè)備的適載能力和協(xié)調(diào)能力。

2.1 空載狀態(tài)

輸送機(jī)在空載狀態(tài)下承載段第50 m、150 m、250 m處鏈條的速度及張力變化曲線如圖2、圖3所示，從圖中可以看出：各段鏈條的速度、張力在設(shè)備啟動(dòng)的0～1 s波動(dòng)較大，隨后逐漸降低，1.5 s后趨于穩(wěn)定；在電機(jī)啟動(dòng)后，第50 m處鏈條、第150 m處鏈條、第250 m處鏈條依次響應(yīng)，這是因?yàn)楣伟彐湹膹椥宰饔?，使得鏈條運(yùn)動(dòng)從機(jī)頭到機(jī)尾逐漸傳播而不是整個(gè)鏈條同時(shí)運(yùn)動(dòng)。從圖2可以看出，第250 m處的鏈條速度比第50 m處、第150 m處的速度波動(dòng)的要大，即靠近鏈條與鏈輪分離點(diǎn)的鏈條速度要比靠近鏈條與鏈輪齒合點(diǎn)的鏈條速度大。速度的大幅度波動(dòng)主要是因?yàn)榧铀俣炔环€(wěn)定造成的。從圖3可以看出，鏈條在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在第50 m、第150 m、第250 m處鏈條張力分別為135 k N、80 kN、20 k N，其中第50 m處的鏈條最大張力達(dá)到275 kN，比穩(wěn)定時(shí)的張力值140 kN高約96%左右。

2.2 滿載狀態(tài)

圖2 空載狀態(tài)下鏈條速度隨時(shí)間變化曲線

圖3 空載狀態(tài)下鏈條張力隨時(shí)間變化曲線

本次模擬滿載狀態(tài)的載荷為465 kg，得到圖4、圖5所示的滿載狀態(tài)下的速度及張力變化曲線，不同于空載狀態(tài)下輸送機(jī)在1.5 s的短暫過(guò)渡時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此，規(guī)定2 s后輸送機(jī)滿載運(yùn)行。

圖4 滿載狀態(tài)下鏈條速度隨時(shí)間變化曲線

圖5 滿載狀態(tài)下鏈條張力隨時(shí)間變化曲線

為了更詳細(xì)地得到滿載狀態(tài)下輸送機(jī)不同位置的運(yùn)行速度及張力狀況，模擬了承載段第50m、150m、250 m、350 m、450 m、550 m處設(shè)備的運(yùn)行狀況，在載荷突變時(shí)，刮板鏈的速度表現(xiàn)為先降低的趨勢(shì)，在空回段處速度增加，其中，250 m處的速度降幅最大，350 m處的速度增幅最大，這就說(shuō)明在載荷突變時(shí)，機(jī)尾鏈輪處的波動(dòng)所受載荷的影響要大于機(jī)頭鏈輪處的刮板鏈，且受影響時(shí)間長(zhǎng)。滿載情況下，承載段的張力相差較大，空回段的張力相差較小，且空回段的響應(yīng)要慢于承載段的刮板鏈。

2.3 隨機(jī)狀態(tài)

在帶式輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)用中，輸送機(jī)很難保證完全的空載或滿載狀態(tài)，載荷一般都會(huì)有隨機(jī)變化的情況，本次隨機(jī)載荷模擬中，輸送機(jī)負(fù)載率范圍為75%～100%。因?yàn)閱挝还伟彐溫?fù)載煤炭質(zhì)量具有隨機(jī)性，因此速度與張力隨時(shí)間的變化曲線也具有一定的隨機(jī)性，如下頁(yè)圖6、圖7所示，從圖中可以看出，在0～8s之間速度波動(dòng)明顯，之后速度依舊存在波動(dòng)但是波動(dòng)幅度減小，張力在50 m處一直處于最大值，在250 m處最小，不同距離的張力有嚴(yán)格的大小區(qū)分。

綜合上述仿真模擬分析，隨機(jī)載荷嚴(yán)重影響控制的穩(wěn)定性，張力和速度變化不規(guī)律將造成運(yùn)煤的不穩(wěn)定，在其它模擬狀況下，永磁直驅(qū)系統(tǒng)突變載荷與突變量表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，動(dòng)態(tài)響應(yīng)明顯，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性。

圖6 隨機(jī)載荷狀態(tài)下鏈條速度隨時(shí)間變化曲線

圖7 隨機(jī)載荷狀態(tài)下鏈條張力隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

1）利用麥克斯韋（Maxwell）模型和伏格特（Kelvin-Voigt）模型對(duì)帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)特征分析，暫不考慮運(yùn)輸槽的力學(xué)特性，直接將其視為剛體處理,可得到輸送機(jī)刮板鏈等零件準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù)。

2）通過(guò)對(duì)滿載、空載及隨機(jī)載荷狀態(tài)下仿真分析可知，隨機(jī)載荷下鏈條速度與張力呈現(xiàn)不規(guī)律的變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性最差。

3）針對(duì)永磁直驅(qū)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，應(yīng)從驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)出發(fā)，減小系統(tǒng)的波動(dòng)，提高運(yùn)煤效率。