帶式輸送機(jī)永磁同步直驅(qū)自動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)研究

曹曉軍

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

帶式輸送機(jī)是煤礦最理想的高效連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備，與其他運(yùn)輸設(shè)備相比，不僅具有長距離、大運(yùn)量、連續(xù)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，而且運(yùn)行可靠，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、集中化控制，特別是對高產(chǎn)高效礦井，帶式輸送機(jī)已經(jīng)成為煤炭高效開采機(jī)電一體化技術(shù)與裝備的關(guān)鍵設(shè)備。隨著工業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化水平地日益提高，大型礦井的開采強(qiáng)度增大，原有的運(yùn)輸設(shè)備(礦車、低運(yùn)量的帶式輸送機(jī))已不能滿足現(xiàn)代化礦井的發(fā)展需求。

作為帶式輸送機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一的驅(qū)動(dòng)技術(shù)對整機(jī)的性能至關(guān)重要。尤其對于大型帶式輸送機(jī)，驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)能使輸送機(jī)平緩啟動(dòng)，盡可能減少起(制)動(dòng)加速度，減少動(dòng)張力，以延長整機(jī)和膠帶壽命，并且穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)效率高，能耗少。永磁直驅(qū)技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，文中將以陜北張家峁礦井井下帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為對象，在長距離大運(yùn)量大功率帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對永磁同步變頻直驅(qū)自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行研究，其研究成果可以指導(dǎo)帶式輸送機(jī)的整體方案設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)、制造工藝設(shè)計(jì)等，能帶來相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有：調(diào)速型液力耦合器、進(jìn)口CST液粘軟啟動(dòng)裝置、變頻器、國產(chǎn)液性軟啟動(dòng)裝置。

液力耦合器：調(diào)速型液力耦合器和普通的限矩型液力耦合器不同，調(diào)速型液力耦合器的充油量是可調(diào)的，改變液力耦合器工作腔內(nèi)的工作液數(shù)量(充液量)，可以改變輸出的力矩及速度。國產(chǎn)調(diào)速型液力耦合器普遍存在啟動(dòng)性能較差、運(yùn)行不穩(wěn)定、故障率高等問題，但價(jià)格便宜。德國VOITH調(diào)速型液力耦合器的啟動(dòng)性能較好、運(yùn)行可靠、容易維護(hù)，但價(jià)格是國產(chǎn)的6～10倍。

進(jìn)口CST液粘軟啟動(dòng)裝置：和液力耦合器不同，CST液粘軟啟動(dòng)裝置采用的是液粘傳動(dòng)方式，液體粘性傳動(dòng)基于牛頓液體內(nèi)摩擦定律，以液體的粘性或油膜剪切力來傳遞動(dòng)力。CST的優(yōu)點(diǎn)是本身就包括減速器，驅(qū)動(dòng)裝置整體結(jié)構(gòu)緊湊；軟啟動(dòng)性能優(yōu)良，皮帶機(jī)啟動(dòng)加速度控制精確；皮帶機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，CST的主、被動(dòng)摩擦片之間完全沒有滑差，傳動(dòng)效率可以達(dá)到100%；多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，功率平衡性能好。缺點(diǎn)是只有平行軸安裝形式，靈活性差；對油品要求極高、不易維護(hù)；即使在皮帶機(jī)空載時(shí)，也不能長時(shí)間調(diào)速，實(shí)現(xiàn)不了驗(yàn)帶功能。

變頻器：變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變工作頻率的方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)裝置布置簡單、靈活；軟啟動(dòng)性能優(yōu)良、運(yùn)行可靠；無論是重載還是空載，皮帶機(jī)都可以長時(shí)間、連續(xù)以不同的帶速運(yùn)行，調(diào)速性能最佳；所有元器件全部模塊化，維護(hù)方便、簡單。缺點(diǎn)是須配置專門的變頻電動(dòng)機(jī)；目前還沒有成熟的適合煤礦應(yīng)用的高壓防爆變頻器產(chǎn)品；不能在惡劣的工況下工作，對環(huán)境溫度和濕度比較敏感。

國產(chǎn)液性軟啟動(dòng)裝置：國產(chǎn)液性軟啟動(dòng)裝置主要由5大部分組成，即主動(dòng)部分、被動(dòng)部分、控制系統(tǒng)執(zhí)行元件部分、潤滑密封部分和支承部分。國內(nèi)最早生產(chǎn)液粘性軟啟動(dòng)裝置的廠家是兗礦集團(tuán)大陸機(jī)械有限公司，但由于其產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造等諸多方面存在缺陷，如控制油的油路設(shè)計(jì)不合理，軟啟動(dòng)裝置嚴(yán)重漏油；摩擦片溫度過高，使用壽命太短；運(yùn)行不穩(wěn)定、可靠性差，連續(xù)無故障工作時(shí)間短，以至于維護(hù)費(fèi)用加大，運(yùn)行成本太高。

1.2 帶式輸送機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

國外帶式輸送機(jī)技術(shù)的發(fā)展很快，主要表現(xiàn)在兩方面：一方面帶式輸送機(jī)的功能多元化、應(yīng)用范圍擴(kuò)大化，如高傾角帶式輸送機(jī)、管狀帶式輸送機(jī)、空間轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)等各種機(jī)型；帶式輸送機(jī)本身的技術(shù)與裝備有了巨大的發(fā)展，尤其是長距離、大運(yùn)量、高帶速等大型帶式輸送機(jī)已成為發(fā)展的主要方向，其核心技術(shù)是開發(fā)應(yīng)用了帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)分析與監(jiān)控技術(shù)，提高了帶式輸送機(jī)的運(yùn)行性能和可靠性。另一方面大型帶式輸送機(jī)核心技術(shù)主要是指動(dòng)態(tài)分析和監(jiān)測技術(shù)。這兩種技術(shù)都對大型帶式輸送機(jī)的發(fā)展有著非常重要的影響。在我國目前帶式輸送機(jī)主要研究領(lǐng)域是剛性帶式輸送機(jī)的理論研究。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法及動(dòng)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)監(jiān)測，降低輸送機(jī)安全系數(shù)，大大延長了使用壽命，保證帶式輸送機(jī)運(yùn)行的可靠性，從而使大型帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)達(dá)到最高水平。目前我國帶式輸送機(jī)使用安全系數(shù)高。事實(shí)上，輸送帶的粘彈性材料、長距離帶式輸送機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力響應(yīng)的電力系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，但不能簡單的用剛體力學(xué)解釋和計(jì)算。

2 永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 帶式輸送機(jī)參數(shù)及布置

帶式輸送機(jī)參數(shù)：見表1。

表1 帶式輸送機(jī)參數(shù)

總體布置：如圖1所示。

圖1 總體布置

設(shè)計(jì)原理：采用逐點(diǎn)張力法進(jìn)行計(jì)算，并以此結(jié)果作為總體布置、受力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零部件選型的依據(jù)，保證了設(shè)計(jì)的可靠性和先進(jìn)性。

2.2 輸送能力的計(jì)算

帶式輸送機(jī)的最大生產(chǎn)能力是由輸送帶上物料的最大截面積、帶速和設(shè)備傾斜系數(shù)決定的，按下列公式計(jì)算

Im=Svkρ，Q=3.6Svkρ

式中，S—輸送帶上物料的最大橫截面積，m2；v—帶速，m/s；k—傾斜輸送機(jī)面積折減系數(shù)；ρ—被輸送物料的密度，kg/m3。

2.3 輸送帶寬度計(jì)算

根據(jù)相關(guān)資料，被輸送物料的最大粒度為300 mm，帶寬必須滿足下列公式

B≥2a+200≤1 400 mm

2.4 圓周驅(qū)動(dòng)力和傳動(dòng)功率計(jì)算

阻力計(jì)算：

FH=fLg[qRO+qRu+(2×qB+qG)cosδ]

式中，f—模擬摩擦系數(shù)；L—輸送機(jī)長度，m；qRO—承載分支托輥每米長度旋轉(zhuǎn)部分重量，kg/m；qRu—回程分支托輥組每米長度旋轉(zhuǎn)部分重量，kg/m；qB—每米長度輸送帶質(zhì)量，kg/m；qG—每米長度輸送物料質(zhì)量，kg/m；δ-輸送機(jī)平均傾角，(°)。

圓周力計(jì)算：

FU=CFH+FS1+FS2+FST

式中，C—與輸送機(jī)長度有關(guān)的系數(shù)；FS1—主要特種阻力；FS2—附加特種阻力；FST—傾斜阻力。

傳動(dòng)功率計(jì)算：

電機(jī)功率PM為

式中，η—傳動(dòng)效率。

張力計(jì)算：

①輸送帶按不打滑條件

式中，F(xiàn)2min—分離點(diǎn)最小張力，N；μ—摩擦系數(shù)；FUmax—輸送機(jī)滿載啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的最大圓周驅(qū)動(dòng)力，N。

②輸送帶按垂度校核

式中，au—回程分支托輥間距，m；輸送機(jī)各點(diǎn)張力：最大張力F1max=F2min+FU

F7=C3F2+CF5-6=C3F2+C(FST2-F回H+FεU)

式中，C—附加阻力系數(shù)；FST2—回程傾斜阻力;F回H—回程主要阻力；FεU—下托輥前傾阻力。

F8=F7+F7-8=F7+(FH1+Fε+FST)

忽略其他阻力。

③輸送帶最大張力

按最小垂度校核計(jì)算最大張力

F1=F承min+FH1+FST1+Fε+Fg1

式中，F(xiàn)H1—承載段主要阻力；FST1—承載段提升阻力；Fε—3個(gè)等長上托輥前壓的阻力；Fg1—被輸送物料與導(dǎo)料槽板間的摩擦力。

2.5 滾筒合力計(jì)算

卸載滾筒合力：2×F8

第1傳動(dòng)滾筒合力為：F1+FZ

FZ—兩傳動(dòng)滾筒間膠帶張力

第2傳動(dòng)滾筒合力為FZ+F2

第1傳動(dòng)滾筒前面副傳動(dòng)滾筒合力為2×F1

第2傳動(dòng)滾筒前面副傳動(dòng)滾筒合力為2×FZ

拉緊滾筒合力為2×F2

尾滾筒合力：2F7

2.6 驅(qū)動(dòng)裝置計(jì)算

驅(qū)動(dòng)裝置配置：電機(jī)用TBYC2-710-32/1140型號，3臺；低速聯(lián)軸器用6210T05型號，3臺；盤式制動(dòng)器用SHI252型號，1臺；液壓張緊裝置用ZLY-03-400型號，1臺。

驅(qū)動(dòng)裝置各部件校核：①電機(jī)的計(jì)算功率為652 kW，實(shí)際710 kW，滿足要求；②低速聯(lián)軸器計(jì)算最大扭矩為225 899 N·m，額定扭矩為249 000 N·m，滿足要求；③液壓張緊力的最大張緊力400 kN>162 kN，拉緊滾筒合力，滿足要求；④托輥載荷計(jì)算的承載分支托輥，其靜載荷為P0=e×a0×(qG+qB)×g=1 660 N，動(dòng)載荷為P0′=P0×fs×fd×fa=2 290 N；托輥載荷計(jì)算的回程分支托輥，其靜載荷Pu=e′×au×qB×g=979 N，動(dòng)載荷Pu′=Pu×fs×fa=1 185 N。承載分支選用托輥組軸承型號為4G306，其承載力4.73 kN，回程分支選用托輥組軸承型號為4G306，其承載力2.09 kN，滿足要求。

選用托輥直徑φ133mm，承載分支前傾三輥組，回空分支為V形兩輥組。托輥輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速n=30×v/(π×r)=453 r/min，小于600 r/min，選用正確。

2.7 啟動(dòng)和制動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算

滿載啟動(dòng)工況設(shè)計(jì)計(jì)算：滿載啟動(dòng)工況時(shí)最大圓周驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式

FUmax=Fa+FU

Fa=aA(m1+m2)

m1=(qRo+qRu+2qB+qG)L

式中，F(xiàn)Umax—滿載啟動(dòng)工況的最大圓周驅(qū)動(dòng)力，N；FU—穩(wěn)定運(yùn)行工況的圓周驅(qū)動(dòng)力，N；aA—啟動(dòng)加速度，m/s2；m1—負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量，kg；m2—滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量，kg；n—驅(qū)動(dòng)單元數(shù)；JiD—驅(qū)動(dòng)單元數(shù)第i個(gè)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ii—驅(qū)動(dòng)單元第i個(gè)旋轉(zhuǎn)部件至傳動(dòng)滾筒的傳動(dòng)比；r—傳動(dòng)滾筒半徑，m；Ji—第i個(gè)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ri—i個(gè)滾筒的半徑，m。

制動(dòng)工況設(shè)計(jì)計(jì)算：自由停車工況

Fa=(m1+m2)aB

Fu*=CFH*+FST+FS1+FS2

采用制動(dòng)器:

式中，F(xiàn)a—采用制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)的慣性力，N；i—制動(dòng)器至傳動(dòng)滾筒的傳動(dòng)比；MZ—制動(dòng)器的制動(dòng)力矩，N·m；r—傳動(dòng)滾筒半徑，m。

2.8 逆止力矩計(jì)算

逆止力由下式計(jì)算

FL=FST-0.8fg[L(qRo+qRu+2qB)+H/sinδ×qG]

上述計(jì)算表明，逆止力為負(fù)方向力，且輸送機(jī)平均傾角小于5°，故不需添加逆止器即可滿足使用要求。但為安全期間選擇DSN200逆止器，即可滿足使用要求。

通過以上的詳細(xì)計(jì)算，電機(jī)、聯(lián)軸器、減速機(jī)、制動(dòng)器、膠帶均滿足運(yùn)行要求。

2.9 動(dòng)載荷的驗(yàn)算

由于膠帶既非剛體，也非彈性體，而是粘彈性體，再加上變頻軟啟動(dòng)特性的差異，所以動(dòng)負(fù)荷的驗(yàn)算式近似。

變位質(zhì)量計(jì)算：

啟動(dòng)平均加速度：由于采用變頻軟啟動(dòng)，啟動(dòng)較平穩(wěn)，故取啟動(dòng)加速度a=0.3 m/s2

啟動(dòng)時(shí)動(dòng)負(fù)荷：Fb=Mb×a

總牽引力:Fq=FU+Fb

式中，γd—電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷系數(shù)(為最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比)；γx—電網(wǎng)電壓降系數(shù)，一般取0.8～0.9。

3 永磁直驅(qū)技術(shù)突出效果對比分析

效率高，能耗低。采用的永磁直驅(qū)電機(jī)效率達(dá)到國際IE4(高于國家一級能耗標(biāo)準(zhǔn))，與原系統(tǒng)比較，實(shí)現(xiàn)節(jié)電10%～20%。如圖2、3所示。

圖2 效率對比曲線

由表2可看出，一年節(jié)省電費(fèi)約64萬元，創(chuàng)造極大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

表2 節(jié)能計(jì)算表格

圖3 功率因數(shù)對比曲線

啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，重載啟動(dòng)性能卓越。永磁同步電動(dòng)機(jī)匹配智能同步變頻器能恒定輸出額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩2倍的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；徹底解決重載啟動(dòng)難的問題，避免了異步電動(dòng)機(jī)選型的“大馬拉小車”現(xiàn)象。如圖4、5所示。

圖4 異步電機(jī)啟動(dòng)特性

系統(tǒng)免維護(hù)。電動(dòng)機(jī)采用直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，去掉減速機(jī)、耦合器等中間環(huán)節(jié)，安裝方便，無需加油維護(hù)，減少大量巡檢工作量，節(jié)省人力物力，使用中3～6個(gè)月對軸承加注潤滑鋰基脂即可。

卓越的功率平衡功能。根據(jù)需要分配多機(jī)間載荷，避免單機(jī)過載造成的設(shè)備損壞等問題。

圖5 永磁電機(jī)啟動(dòng)特性

豐富的通訊功能。支持CAN、ModBus 485、PROFBUS DP等多種通信接口，可保存最近3個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)。可與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測監(jiān)控。完善的保護(hù)功能，能實(shí)現(xiàn)對過壓、過流、欠壓、過熱等各種故障的保護(hù)，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

(1)長距離大運(yùn)量大功率帶式輸送機(jī)永磁同步變頻直驅(qū)技術(shù)代替電動(dòng)機(jī)+聯(lián)軸器+減速器，去掉中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的集中緊湊化，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)輸安裝方便，減少設(shè)備投用率，減少故障點(diǎn)。

(2)無人自動(dòng)控制技術(shù)在永磁同步直驅(qū)長距離大運(yùn)量大功率帶式輸送機(jī)研究應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)智能化，可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測監(jiān)控，提升礦井生產(chǎn)設(shè)備的智能化水平。