礦井膠帶輸送機(jī)設(shè)備的選型及軟驅(qū)動(dòng)形式分析

蘇 偉

（潞安集團(tuán)漳村煤礦，山西長(zhǎng)治 046032）

0 引言

當(dāng)前，中國(guó)變頻技術(shù)的應(yīng)用市場(chǎng)較為廣闊，具有良好的發(fā)展前景。煤礦開(kāi)采作為中國(guó)的傳統(tǒng)行業(yè)，其井下生產(chǎn)使用的儀器設(shè)備中也應(yīng)用了變頻器。井下作業(yè)常用的皮帶運(yùn)輸機(jī)，將原先傳輸速率差的液壓連軸轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)逐漸更換成可電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這個(gè)操作優(yōu)化了系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)電流值過(guò)大的弊端，主要是因?yàn)橄到y(tǒng)的正常運(yùn)行離不開(kāi)多個(gè)電機(jī)的共同作用，電機(jī)之間相互作用的功率波動(dòng)較大，影響系統(tǒng)的正常開(kāi)啟。改善當(dāng)前驅(qū)動(dòng)不足的方法是選擇適當(dāng)?shù)淖冾l器對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行控制，應(yīng)用變頻器之后的皮帶運(yùn)輸機(jī)能夠穩(wěn)定系統(tǒng)，不僅能避免系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)電流過(guò)大的現(xiàn)象發(fā)生，也能避免開(kāi)啟時(shí)沖擊力過(guò)大，造成機(jī)械損傷[1]。變頻器還能夠控制系統(tǒng)開(kāi)啟的時(shí)間，根據(jù)實(shí)際操作對(duì)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，合理優(yōu)化了系統(tǒng)的運(yùn)行方案。

1 膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸設(shè)備選型依據(jù)

（1）根據(jù)漳村煤礦企業(yè)膠帶輸送設(shè)備型號(hào)信息決定原料，原料密度ρ=900 kg/m3，傾斜角度范圍為0°～12°，運(yùn)輸距離L=540 m，上升高度H=20 m，運(yùn)輸速率Q=900 t/h，帶式輸送機(jī)的工作體制為330 d/a，18 h/d。膠帶輸送設(shè)備預(yù)定參數(shù)型號(hào)信息是帶寬B=1 000 mm，輸送帶速度v=3.15 m/s。膠帶輸送機(jī)運(yùn)送量為：

式中：S為輸送帶承載物料量的接觸面積；k為傾斜輸送機(jī)體積折算系數(shù)。

（2）依據(jù)中國(guó)當(dāng)前設(shè)備的技術(shù)條件以及煤礦企業(yè)井下作業(yè)實(shí)況，研究出決定膠帶大巷輸送設(shè)備電動(dòng)機(jī)作業(yè)功率的參數(shù)要求：前后膠表面自帶摩擦因數(shù)、表面機(jī)器輥?zhàn)勇菪|(zhì)量、膠帶和滾筒兩者間的阻力系數(shù)、膠帶預(yù)備強(qiáng)度、滾筒左右包圍角度、帶式輸送機(jī)發(fā)動(dòng)速度。根據(jù)式（2）和式（3）可以計(jì)算出膠帶大巷輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)功率為：

式中：FH為主控阻力；FN為附帶阻力；FS1為特殊主控阻力；FS2為特殊附帶阻力；FSt為傾斜阻力。

式中：PA為滾筒軸旋轉(zhuǎn)功率；Fu為滾筒左右驅(qū)動(dòng)力；PM為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行功率；η=0.85。

通過(guò)以上計(jì)算數(shù)據(jù)可方便同步電動(dòng)機(jī)功率方面的挑選，在計(jì)算出逆止力矩后，對(duì)輸送帶運(yùn)行阻力FH和原料上升阻力FS的大小進(jìn)行分析，總結(jié)出逆止器是否需要安裝在設(shè)備上[2]。

（3）這種膠帶大巷輸送設(shè)備應(yīng)用的滾筒電機(jī)全是單頭傳動(dòng)。左右滾筒包圍角α=200°。FA為發(fā)動(dòng)時(shí)傳動(dòng)滾筒的圓周力度，假定F1和F2分別為滾筒傳動(dòng)時(shí)輸送帶運(yùn)行切入部位和切出部位的張力；F3和F4分別為膠帶大巷輸送設(shè)備底端滾筒傳動(dòng)時(shí)輸送帶運(yùn)行切入部位和切出部位的張力，按照以上參數(shù)信息計(jì)算分析輸送帶的張力大小。

膠帶在承載下垂度最大數(shù)值時(shí)輸送帶能夠承載的最小張力為：

式中：α0為皮帶機(jī)傾斜角度；qG為儀器表面裝在原料質(zhì)量；qB為膠帶質(zhì)量；(h/a)max為兩個(gè)托輥之間能夠承載膠帶的最大垂度值。

空白承載部位具備的最小張力為：

滾筒和上下膠帶在相接滑絲過(guò)程中，輸送帶張力在滾筒離中心點(diǎn)輸送帶不會(huì)滑絲時(shí)的張力最小值為：

式中：KA為設(shè)備開(kāi)啟系數(shù)；μ為膠帶和前后傳動(dòng)滾筒兩者間的阻力系數(shù)；α為輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的傾斜角度。

前后傳動(dòng)滾筒插入部位輸送帶的張力為：

底端滾筒和膠帶插入部位輸送帶的張力F3＞Skmin能夠達(dá)到空白承載部位膠帶垂度的要求，同時(shí)底端滾筒和膠帶離中心點(diǎn)輸送帶張力F4＞Szmin能夠達(dá)到承重部位膠帶垂度的比例。

輸送帶安全系數(shù)為：

2 軟驅(qū)動(dòng)形式選擇

目前，國(guó)內(nèi)和國(guó)外的相關(guān)研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定開(kāi)啟進(jìn)行了多項(xiàng)研究，提出了新的改善方案，表明皮帶輸送機(jī)帶的承載力需要提升，安裝減緩系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)的沖力，然后系統(tǒng)在多個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間功率的穩(wěn)定性[3]。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備有以下幾種。

（1）速度可控性液力耦合器。運(yùn)行規(guī)則是系統(tǒng)遠(yuǎn)控勺管的部位，通過(guò)調(diào)整液體流速和體積比例，進(jìn)而改善輸送機(jī)運(yùn)行速度以及皮帶運(yùn)行效率。同時(shí)應(yīng)用到實(shí)際工作中來(lái)觀測(cè)皮帶運(yùn)輸設(shè)備每個(gè)部位的承載電流值，根據(jù)電流實(shí)際數(shù)值發(fā)送到遠(yuǎn)控系統(tǒng)中，然后利用遠(yuǎn)控系統(tǒng)核查勺管所處部位，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)每個(gè)部位電機(jī)功率之間的均衡。按照過(guò)去的工作經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種措施的效率不佳，電功率的消耗也較高，相同設(shè)備中耦合器大小不一，利用液體實(shí)際流通體積分配皮帶運(yùn)行的速率，且分配時(shí)間較多，運(yùn)行時(shí)間消耗也較多，不利于對(duì)系統(tǒng)的調(diào)控。

（2）限矩型液力耦合器。存在的不足是開(kāi)啟時(shí)特質(zhì)不突出，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)無(wú)法按照特性進(jìn)行確切地調(diào)控。之前的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)反應(yīng)了其優(yōu)缺點(diǎn)，主要設(shè)備功能和速度可控性液力耦合器一致，但不同點(diǎn)是這種耦合器的體格比其他液體耦合器小很多，易于搬運(yùn)，且使用的類型也更為廣泛。更重要的是這種耦合器極其適用于中國(guó)的煤礦生產(chǎn)。綜上所述，目前常用的皮帶輸送機(jī)設(shè)備中安裝限矩型液力耦合器后，即使系統(tǒng)開(kāi)啟所需時(shí)間較久，特質(zhì)不突出，但根據(jù)過(guò)去經(jīng)驗(yàn)，這種耦合器的基本性能較好，能夠滿足煤礦巷道皮帶輸送設(shè)備的運(yùn)行條件[4]。

（3）液體黏性軟開(kāi)啟裝備。運(yùn)行規(guī)則是裝備中液體具有一定的黏性，能夠阻止液體中油膜的傳輸，傳輸時(shí)所用的力為剪切力，這種力能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間扭矩的運(yùn)輸，因此該裝備設(shè)計(jì)新穎、特點(diǎn)突出、應(yīng)用范圍更廣。其工作原理是利用液體中油壓的變動(dòng)實(shí)現(xiàn)油膜表面積的增減，同時(shí)油膜傳輸?shù)募羟辛Α⑴ぞ剡\(yùn)輸?shù)牧Χ群驮O(shè)備的運(yùn)行速率發(fā)生變化，最終完成皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸速率的控制[5]。

（4）變頻速控驅(qū)動(dòng)設(shè)備。目前應(yīng)用的交流變頻速控驅(qū)動(dòng)設(shè)備在系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)的可控性較好，所需時(shí)間較短，且時(shí)間可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般在1～3 600 s內(nèi)均可。這種性能更便于系統(tǒng)的控制，且傳輸速率高，速度雖小但能夠完成系統(tǒng)的重啟和載重，適用于大型煤礦的開(kāi)采，而且能夠很好地均衡每個(gè)電機(jī)的運(yùn)行功率，降低內(nèi)部消耗，大幅度提升了作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)控[6]。

比較以上驅(qū)動(dòng)的類型，適當(dāng)?shù)淖冾l速控系統(tǒng)能夠完成系統(tǒng)之間的速率和電機(jī)轉(zhuǎn)矩均衡性，也能夠隨意切換調(diào)頻和調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了能量的節(jié)約，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用年限。這些作用是液壓連軸器和電動(dòng)軟開(kāi)啟設(shè)備所缺失的，憑借單個(gè)或多個(gè)數(shù)字，就能隨意控制逆變器在電機(jī)的供電功率，進(jìn)行面對(duì)面的變頻調(diào)控，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開(kāi)啟和調(diào)控速度的優(yōu)化進(jìn)程[7]。

變頻速控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：一是降低了輸入損耗，節(jié)約了電源容納量，提高了輸出性能；二是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中電機(jī)之間的同步運(yùn)行功率均衡，調(diào)控形式簡(jiǎn)單；三是可以設(shè)置多種頻率模式，實(shí)現(xiàn)AVR電壓可控調(diào)節(jié)性能、PID性能、限制流量性能、自我判斷性能以及短時(shí)間停電核查性能等多種性能，總結(jié)內(nèi)外部因素和礦井自帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)功能，安裝礦用自帶式輸送設(shè)備相應(yīng)的變頻速控設(shè)備[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)，皮帶輸送機(jī)進(jìn)行自控的主要功能是輸送過(guò)程中反向開(kāi)啟和暫停。在調(diào)控系統(tǒng)中安裝PLC，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作，設(shè)備和人工的有利結(jié)合更能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低人為誤差。將皮帶運(yùn)輸機(jī)的變頻速控功能與煤礦開(kāi)采監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)合起來(lái)，便于井上和井下作業(yè)人員隨時(shí)查看調(diào)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，減少作業(yè)人員的人工資源，保證煤礦開(kāi)采的安全性。