礦井帶式輸送機智能驅(qū)動改造研究

仇書文

（潞安化工集團常村煤礦，山西 長治 046102）

目前，礦井運輸?shù)V石常用的輸送機，所采用的驅(qū)動方式為傳統(tǒng)方式，從常見的驅(qū)動系統(tǒng)構成上看，帶式的輸送機使用異步電機提供動力，經(jīng)過減速裝置和聯(lián)軸器等多個傳動裝置輸出動力，驅(qū)動輸送機運轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的輸送機在使用期間經(jīng)常出現(xiàn)故障，并且后期的維護成本非常高[1]。本文借助該礦東翼運輸巷的礦物質(zhì)運輸環(huán)境作為樣本，闡述一種智能化控制的帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)，分析其工作原理，并闡明新運輸機的工作效果。

1 工程概況

本文以山西潞安化工集團旗下的某個煤礦為研究對象，該礦采煤能力強，達到了800×104t/a的水平，屬于大型煤礦礦井。該礦東翼主運輸巷有1600m 的長度，使用的帶式運輸機設備長度、運量、帶寬、運輸速度分別是L=1520m、Q=2100t/h、B=1400mm、V=4.0m/s，使用ST/S 1600 型號的輸送帶。運輸機的機頭裝配有2 臺630kW 電機，對應兩個滾筒保證輸送帶循環(huán)運動。此外，該設備還設置有制動器和低速逆止器各1套，其相應的型號分別為：4xSHI251和NJ1000。

通過分析工作日志可以看出，該設備出現(xiàn)故障的頻率較高，工作中能耗大，還具有非常明顯的機械沖擊問題。在目前煤炭運輸行業(yè)中，該設備已經(jīng)跟不上時代的步伐，基于此，本文在原有煤炭運輸基礎上提出一種智能控制的永磁直驅(qū)運輸機方案，以滿足高效率運輸和低故障的需求[2]。

2 智能直驅(qū)系統(tǒng)

2.1 直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構

本文提出的驅(qū)動系統(tǒng)更先進，引進了變頻器、水冷系統(tǒng)，此外還借助電控達到智能化控制的效果，裝備永磁直驅(qū)電機等硬件。在該系統(tǒng)中，借助變頻器的控制效果，進而可以提高控制永磁電機的效果，電機帶動滾筒運轉(zhuǎn)，圖1表示結(jié)構圖。該驅(qū)動系統(tǒng)中，變頻器是控制的關鍵硬件，其中可內(nèi)置控制軟件，該控制模式可以進一步提高永磁電機的整體性能。

圖1 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動方式

2.2 系統(tǒng)工作原理

通過分析永磁直驅(qū)電機文獻資料可以發(fā)現(xiàn)，該電機通過低速聯(lián)軸器驅(qū)動滾筒，從而可以把電機的驅(qū)動力傳遞到滾筒上，最終帶動輸送帶運轉(zhuǎn)。該永磁電機的轉(zhuǎn)矩，在啟動瞬間可以達到額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上，加之設置有變頻器的軟啟動，該運輸機可以大大減少機械沖擊，進而可以優(yōu)化設備的使用壽命[3]。

2.3 永磁直驅(qū)系統(tǒng)性能分析

2.3.1 啟動特征

傳統(tǒng)類型的設備多使用異步電機作為動力源，該電機在啟動瞬間的轉(zhuǎn)矩多是額定數(shù)值的55%。因此當啟動期間輸送帶的負載過高就會造成異步電機無法啟動。本文提出的直驅(qū)系統(tǒng)給運輸機配備的動力源是永磁直驅(qū)電機，這種電機在啟動瞬間的轉(zhuǎn)矩可以超出額定數(shù)值的220%，因此即便是輸送帶處于滿載狀態(tài)下，其依舊可以順利地啟動輸送機，同時可以保護電機。圖2表示兩種電機在驅(qū)動階段的力矩對比曲線。

圖2 永磁直驅(qū)電機與異步電機啟動曲線

2.3.2 功率因數(shù)及傳動效率

對比兩種電機的功率因數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，兩者存在一定的差距，異步電機和永磁直驅(qū)電機的指標分別是75%～85%、超出95%的范圍。本文整理兩種電機的功率因數(shù)相關數(shù)值制作圖3中的對比曲線圖。

圖3 不同電機間功率因數(shù)特征曲線

在傳統(tǒng)運輸機設備設計期間，驅(qū)動系統(tǒng)需要使用減速機、耦合器等多種硬件，由于該驅(qū)動機構中，從電機到工作部位之間的傳動環(huán)節(jié)較多，因此在傳動的過程中將會產(chǎn)生大量的能耗，并且導致效率不高。但是永磁直驅(qū)系統(tǒng)相對簡單，從傳動效率上其具備加大的優(yōu)勢，僅僅從傳統(tǒng)效率指標進行分析，后者可以提高20%的傳動效率[4]。圖4表示由傳動效率的相關數(shù)據(jù)制作出的對比曲線圖。

圖4 不同驅(qū)動系統(tǒng)間傳動效率特征曲線

2.4 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)特點

（1）故障發(fā)生率低、后續(xù)維護簡單。在該驅(qū)動模式中，電機和滾筒直接聯(lián)接，不需要減速機和耦合器等傳動部件。從結(jié)構上看，該驅(qū)動模式更加簡單。當處于驅(qū)動狀態(tài)時，參與驅(qū)動的環(huán)節(jié)越少，且出現(xiàn)的故障率相對較低。永磁直驅(qū)電機的后期維護僅僅需要添加潤滑油即可。其自身不僅維護簡單，而且維護的成本低。

（2）調(diào)速范圍更寬。永磁電機在調(diào)速方面范圍相對較大，并且可在超低速狀態(tài)下運行，輸出的轉(zhuǎn)矩最高可以達到額定數(shù)值的2倍，環(huán)境適應性強。

（3）實現(xiàn)多機功率平衡。使用智能永磁直驅(qū)電機可以避免多機驅(qū)動不平衡造成的零部件燒壞等問題，相對來說，這種電機的功率平衡性更強。

（4）環(huán)境適應性強。永磁直驅(qū)電機使用真空灌封工藝生產(chǎn)，具備更強的防塵效果和防水性能，該電機繞組還具備耐電暈功能。相對于異步電機來說，這種電機的機械強度和導熱性能更強。

（5）冷卻方式好。通過分析其結(jié)構可以看出，永磁直驅(qū)電機使用雙層外殼結(jié)構，其中有蛇形的冷水通道，具備更強的散熱效果。該電機使用冷水散熱，工作中通入冷水即可。

3 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)現(xiàn)場應用

3.1 改造方案

本文在原有輸送機設備的框架基礎上改造其驅(qū)動系統(tǒng)，在設備機頭部位使用兩個TBVF-500/80YC 的永磁電機配合BPJ-630/1140 變頻器取代原有的驅(qū)動裝置，簡化驅(qū)動結(jié)構，提升驅(qū)動效率。優(yōu)化方案中的電源使用KBSGZY-1600/10/1.14，每一套變頻器配備一套電源供電。KTC101是可編程的控制系統(tǒng)，具備智能化控制變頻器軟啟動永磁電機工作的效果[5]。圖5為控制結(jié)構示意圖。

圖5 智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)控制結(jié)構

該驅(qū)動控制模塊采用KTC101，具備智能化控制輸送機工作的效果。操作人員啟動按鍵之后，控制程序就會自動發(fā)送控制指令，驅(qū)動冷卻系統(tǒng)、變頻器等工作。工作期間首先打開1號和2號冷卻系統(tǒng)，這時可以將控制指令傳輸給變頻器。此時變頻器通電，軟啟動電機，進而帶動滾筒工作，以及促使輸送帶運輸煤礦。KTC101 控制系統(tǒng)可以連接電子秤實時監(jiān)控設備的載荷，根據(jù)設備所具備的載荷計算所需要的變頻器控制指令，控制輸送帶速度。

3.2 應用效果

2021 年1 月，潞安化工集團某礦運輸巷在運輸?shù)V物時配置該智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)[6]。本文對優(yōu)化方案和傳統(tǒng)的異步電機驅(qū)動系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)進行整理，進而得到表1。通過分析表可以看出，該驅(qū)動系統(tǒng)生命周期內(nèi)可節(jié)省電能成本4140 萬，每月降低維修所需油脂成本17萬。

表1 直驅(qū)系統(tǒng)與傳統(tǒng)異步電機驅(qū)動系統(tǒng)應用對比表

4 總結(jié)

（1）本文闡述了用于礦井運輸工況下，所使用的智能永磁直驅(qū)帶式輸送機設備的驅(qū)動結(jié)構和驅(qū)動原理。本文通過介紹智能控制系統(tǒng)與異步電動機控制數(shù)據(jù)，進而可以發(fā)現(xiàn)，該智能驅(qū)動系統(tǒng)可以大大降低后期維護成本低，并且該系統(tǒng)可在重載環(huán)境下啟動等優(yōu)勢。

（2）本文從實際工況層面入手，借助數(shù)據(jù)計算和對比的方式發(fā)現(xiàn)，使用智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)可節(jié)省能源成本4140 萬，降低維修成本17 萬。此外，這種驅(qū)動系統(tǒng)維護方便，對工作人員的技能要求低。