基于直接驅動的刮板輸送機速度控制系統的研究

成 杰

（晉城煤業集團寺河煤礦二號井， 山西 晉城 048000）

引言

作為煤礦井下“三機配套”設備的核心，刮板輸送機主要承擔著井下煤炭的裝載、運輸和卸載的任務，因此刮板輸送機工作時的穩定性和可靠性是保證井下煤炭綜采作業高效、穩定運行的關鍵。傳統的刮板輸送機驅動系統主要是采用了異步電機配合減速器進行傳動的方案，但由于減速器的存在極大增加了驅動系統的總體能耗，同時增加了驅動系統運行時的噪聲，影響了刮板輸送機傳動系統工作的穩定性[1-2]。本文提出了一種新的基于直接驅動的刮板輸送機速度控制系統，以永磁電機直接驅動的方式控制刮板輸送機的運行，同時輔以速度控制系統，合理調整刮板輸送機在不同工況下的速度特性，研究表明該系統具有穩定性高、可靠性好的優點。

1 空載工況下直接驅動調速系統的仿真分析

為了對基于直接驅動的刮板輸送機速度控制系統的實際應用效果進行分析，本文搭建了刮板輸送機速度調節控制系統的試驗驗證平臺[3]，對新的直接驅動控制的效果進行了分析。在刮板輸送機空載啟動情況下，在距離刮板輸送機端部分別為0、100 m、200 m、300 m 位置處的鏈條速度變化和鏈條張力變化曲線如圖1 所示。

由仿真分析結果可知，當在刮板輸送機空載運行的狀態下，不同位置處的刮板鏈的速度在前1 s的情況下會出現波動，從1.2 s 處整個刮板輸送機系統的鏈速均能達到穩定的1.35 m/s，速度調整時間短，且最大速度波動僅為1.6 m/s 與穩定時的1.35 m/s 相比，超調量僅18.5%，遠低于傳統控制方式中70%以上的超調量。在空載啟動前期出現速度波動主要是由于刮板輸送機的鏈傳動系統的多邊形效應導致的。從刮板輸送機刮板鏈的張力變化曲線可知，在前1 s 的時候，刮板鏈不同位置的張力同樣會有一定的波動，1.2 s 以后各處鏈條的張力逐漸趨于穩定，其中最大的張力發生在刮板輸送機驅動機構的端部，最大張力約為160 kN，比優化前降低了約為17.9%，隨著距離刮板輸送機驅動端部越遠，其穩定運行過程中的張力越小。

圖1 空載工況下刮板輸送機鏈條速度和張力變化曲線

2 非定常落煤工況下直接驅動調速系統的仿真分析

煤礦井下在進行綜采作業時，采煤機的工作進給速度和截割轉速會隨著井下煤層的地質條件的改變而逐漸改變，因此綜采作業時的落煤速度和落煤量也是不斷變化的，導致刮板輸送機在工作時絕大部分處在非定常落煤工況[4]，刮板輸送機在該工況下工作時載荷的不均勻性變化會對其運行速度產生較大的沖擊，影響調速系統工作的穩定性，因此本文對刮板輸送機在非定常工況下的調速特性進行仿真分析，結果如圖2 所示。

圖2 非定常工況下刮板輸送機鏈條速度和張力變化曲線

由仿真分析結果可知，在非定常工況下刮板輸送機的鏈條速度先隨著距離的增大而增加，然后再逐漸降低，在距離刮板輸送機端部約200 m 處時的速度波動最大，達到了0.77 m/s，其運行時的速度波動比優化前降低了約43.7%，確保在整個運輸過程中鏈傳動系統運行的穩定性。刮板輸送機在運行過程中刮板鏈的最大張力同樣出現在刮板輸送機驅動機構的端部，且沿著刮板輸送機方向的張力變化呈時大時小的趨勢，這主要是在落煤過程中，由刮板輸送機上各處的落煤量不同而導致的，其最大張力約為520 kN，比優化前降低了約為21.4%。

由以上分析可知，在采用基于直接驅動的刮板輸送機速度控制系統的情況下，能夠有效降低刮板輸送機在運行過程中的穩定性，減少速度波動導致的散料等情況，提升了煤炭運輸效率。同時，降低了刮板鏈運行過程中的張力，也有效提升了刮板輸送機的實際使用壽命。

3 結論

1）當在刮板輸送機空載運行的狀態下，不同位置處的刮板鏈的速度在前1 s 的情況下會出現波動，最大速度波動僅為1.6 m/s 與穩定時的1.35 m/s 相比，超調量僅18.5%，遠低于傳統控制方式中70%以上的超調量。最大張力約為160 kN，比優化前降低了約為17.9%。

2）在非定常工況下，在距離刮板輸送機端部約200 m 處時速度波動最大，達到了0.77 m/s，其運行時的速度波動比優化前降低了約43.7%，其最大張力約為520 kN，比優化前降低了約為21.4%，能夠有效降低刮板輸送機在運行過程中的穩定性，減少速度波動導致的散料等情況，提升了煤炭運輸效率。