皮帶機驅動系統結構及控制系統的設計

陳永豐

（陽泉煤業集團長溝煤礦有限責任公司機運部機電隊， 山西 和順 032700）

引言

帶式輸送機為綜采工作面的關鍵運輸設備，其承擔著工作面絕大多數的運輸任務。隨著綜采工作面生產能力的不斷提升，帶式輸送機朝著大運量、長距離以及高帶速的方向發展，進而對其驅動系統提出了更高的要求和挑戰。其中，要求帶式輸送機驅動系統能夠改善設備的傳動性能，且在啟動和制動條件下能夠減小對設備的沖擊[1]。本文著重對帶式輸送機的驅動系統和控制系統進行設計。

1 帶式輸送機驅動系統總體方案設計

隨著帶式輸送機朝著大運量、長距離以及高帶速的方向發展，在輸送機高速、重載工況下運行時，往往會由于啟動電流過大從而對工作面整個電網造成沖擊，進而威脅工作面其他設備的穩定運行。因此，需對帶式輸送機驅動系統進行改進，并滿足如下功能要求：

減小輸送機的啟動電流，增大其啟動力矩；解決帶式輸送機啟動、制動階段輸送帶的打滑問題；解決帶式輸送機多電機驅動系統功率平衡的問題；實現對輸送帶運速的實時控制，達到節能的效果[2]。

目前，可應用于帶式輸送機驅動系統的方案包括有電機+調速耦合器+減速器+驅動滾筒、變頻電機+聯軸器+減速器+驅動滾筒、電機+聯軸器+CST+驅動滾筒的方式[3]。綜合考慮上述三種驅動方式的啟動特性、控制系統、功率平衡、節能以及成本等因素，選擇變頻電機+聯軸器+減速器+驅動滾筒的總體驅動方案，其結構如圖1所示。

2 帶式輸送機驅動系統結構的設計

本文以長溝煤礦可伸縮帶式輸送機為研究對象，為其配置驅動系統。

2.1 帶式輸送機驅動系統的布置

圖1 變頻驅動系統結構示意圖

驅動裝置為帶式輸送機的核心部件，根據其布置位置的不同可分為頭部集中布置、中間布置以及頭尾分散布置三種方式。其中，基于驅動裝置的頭部集中布置對帶式輸送機主電機的技術要求低；縮短電機啟動時間，進而可提高驅動系統電機的使用壽命；可減小啟動或制動階段對電機造成的沖擊。基于中間驅動布置的帶式輸送機投資成本低，安裝、維修方便以及可解決設備浪費的問題。基于頭尾分散布置的帶式輸送機對于設備的安裝空間要求較小，對應產品的通用互換性強[4]。

綜合對比上述三種驅動方式的優劣性，選擇中間驅動的布置方式對驅動系統進行布置。

2.2 驅動滾筒的設計

驅動滾筒作為帶式輸送機驅動系統的核心零件，其結構合理性直接決定驅動系統運行的可靠性和穩定性。隨著帶式輸送機朝著大運量、長距離以及高帶速的方向發展，設備所承受的彎矩合成力較大，進而對驅動滾筒的強度要求較高。目前，常采用的驅動滾筒為焊接式滾筒，其結構如圖2所示。

圖2 驅動滾筒結構示意圖

如圖2所示，帶式輸送機驅動滾筒由筒體、軸承座、軸承以及傳動軸等組成。

目前，驅動滾筒筒殼厚度的設計依據為驅動滾筒的直徑。而驅動滾筒的直徑的計算公式如式（1）所示：

式中：Cs為帶式輸送機鋼絲直徑與滾筒直徑的比值，ds為帶式輸送機鋼絲繩直徑。

本文所研究帶式輸送機輸送帶的寬度為1 400 mm，為保證帶式輸送機在運行時輸送帶在滾筒上跑偏時的余量，一般要求滾筒寬度值的余量為150～200 mm之間。因此，本文所設計帶式輸送機滾筒的寬度為1 400+200=1 600 mm。

本文所研究帶式輸送機輸送帶的縱向拉伸強度值為4 500 N/m，根據帶式輸送機強度、帶寬與驅動滾筒直徑的取值表，確定驅動滾筒的直徑為1 700 mm，對應的驅動滾筒筒殼厚度的取值如表1所示。

表1 驅動滾筒直接與筒殼厚度關系表 mm

查表1可得，滾筒筒體的厚度取值31 mm。

綜上所述，依據現有帶式輸送機輸送帶的相關參數所設計驅動滾筒的直徑為1 600 mm，滾筒的寬度為1 600 mm，滾筒筒殼厚度值為31 mm。

2.3 驅動滾筒的校驗

為驗證所設計驅動滾筒的強度要求，按照上述所設計驅動滾筒的參數在SolidWorks軟件中搭建三維模型，并將三維模型導入ANSYS有限元分析軟件中，根據帶式輸送機的實際運行工況完成有限元模型邊界條件的設置，并完成網格劃分后對其強度進行仿真分析[5]。初步擬定驅動滾筒所選用的材料為Q345B的鋼。

驅動滾筒在仿真時所承受的載荷為170 kN·m的扭矩和85 kN·m的反扭矩。

經仿真分析可知：帶式輸送機驅動滾筒的最大應力值位于驅動滾筒的兩側，且最大應力值為235.24 MPa，小于選材的需用應力值345 MPa。即，所設計驅動滾筒的強度滿足要求。

3 驅動滾筒控制系統的設計

3.1 驅動系統供電方案的設計

針對帶式輸送機驅動系統高壓供電和低壓供電選用不同的供電方案。其中，針對高壓供電采用單母線分段供電，并以KYN28A-12型開關柜為高壓供電的核心。電源基于兩臺進線柜電纜進線，并基于一臺聯絡柜對電壓進行聯絡和切換。針對低壓供電采用XL改進型饋電柜進行供電，該饋電柜的規格為380 V，能夠為控制柜、變頻設備以及冷卻系統供電。

3.2 驅動系統控制方案的設計

帶式輸送機驅動系統的控制核心為PLC，根據現場各類傳感器對帶式輸送機運行參數實時監測后，通過PLC控制器得出相應的控制策略，進而完成對帶式輸送機帶速、驅動力等參數控制。此外，基于帶式輸送機控制系統還能夠實現對設備堆煤、縱撕等事故的保護。

本文系統所選用PLC控制器為AB公司所研發的控制器，可實現對設備手動、自動以及遠程控制。本控制系統的直接操作界面為TH24礦用本安型操作臺。控制流程如圖3所示。

圖3 帶式輸送機驅動系統控制流程圖

4 結語

帶式輸送機作為綜采工作面的關鍵設備，運輸效率直接決定綜采工作面的生產能力。為適應帶式輸送機高帶速、長距離以及大運量的運輸要求，本文對設備的驅動系統進行設計。

1）綜合考慮三種驅動方式的啟動特性、控制系統、功率平衡、節能以及成本等因素，選擇變頻電機+聯軸器+減速器+驅動滾筒的總體驅動方案。

2）所設計驅動滾筒的直徑為1 600 mm，滾筒的寬度為1 600 mm，滾筒筒殼厚度值為31 mm，且經有限元仿真分析可得，該滾筒的最大應力值為235.24 MPa，小于選材的需用應力值345 MPa。

3）根據帶式輸送機的工作要求，基于PLC控制器完成驅動系統的控制流程圖，并完成驅動系統的高壓、低壓供電。