帶式輸送機永磁同步直驅自動控制關鍵技術研究

曹曉軍

(陜西陜煤韓城礦業有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

帶式輸送機是煤礦最理想的高效連續運輸設備，與其他運輸設備相比，不僅具有長距離、大運量、連續運輸的特點，而且運行可靠，易于實現自動化、集中化控制，特別是對高產高效礦井，帶式輸送機已經成為煤炭高效開采機電一體化技術與裝備的關鍵設備。隨著工業機械化、自動化水平地日益提高，大型礦井的開采強度增大，原有的運輸設備(礦車、低運量的帶式輸送機)已不能滿足現代化礦井的發展需求。

作為帶式輸送機關鍵技術之一的驅動技術對整機的性能至關重要。尤其對于大型帶式輸送機，驅動裝置應能使輸送機平緩啟動，盡可能減少起(制)動加速度，減少動張力，以延長整機和膠帶壽命，并且穩定運行時效率高，能耗少。永磁直驅技術是一項新技術，能夠實現運輸系統的穩定和可靠運行，文中將以陜北張家峁礦井井下帶式輸送機的驅動系統為對象，在長距離大運量大功率帶式輸送機的設計基礎上，對永磁同步變頻直驅自動控制技術進行研究，其研究成果可以指導帶式輸送機的整體方案設計、零部件設計、制造工藝設計等，能帶來相應的經濟效益。

1 國內外研究現狀

1.1 帶式輸送機驅動技術研究現狀

目前，常用的驅動方式主要有：調速型液力耦合器、進口CST液粘軟啟動裝置、變頻器、國產液性軟啟動裝置。

液力耦合器：調速型液力耦合器和普通的限矩型液力耦合器不同，調速型液力耦合器的充油量是可調的，改變液力耦合器工作腔內的工作液數量(充液量)，可以改變輸出的力矩及速度。國產調速型液力耦合器普遍存在啟動性能較差、運行不穩定、故障率高等問題，但價格便宜。德國VOITH調速型液力耦合器的啟動性能較好、運行可靠、容易維護，但價格是國產的6～10倍。

進口CST液粘軟啟動裝置：和液力耦合器不同，CST液粘軟啟動裝置采用的是液粘傳動方式，液體粘性傳動基于牛頓液體內摩擦定律，以液體的粘性或油膜剪切力來傳遞動力。CST的優點是本身就包括減速器，驅動裝置整體結構緊湊；軟啟動性能優良，皮帶機啟動加速度控制精確；皮帶機正常運行時，CST的主、被動摩擦片之間完全沒有滑差，傳動效率可以達到100%；多電機驅動時，功率平衡性能好。缺點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；即使在皮帶機空載時，也不能長時間調速，實現不了驗帶功能。

變頻器：變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變工作頻率的方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器的優點是驅動裝置布置簡單、靈活；軟啟動性能優良、運行可靠；無論是重載還是空載，皮帶機都可以長時間、連續以不同的帶速運行，調速性能最佳；所有元器件全部模塊化，維護方便、簡單。缺點是須配置專門的變頻電動機；目前還沒有成熟的適合煤礦應用的高壓防爆變頻器產品；不能在惡劣的工況下工作，對環境溫度和濕度比較敏感。

國產液性軟啟動裝置：國產液性軟啟動裝置主要由5大部分組成，即主動部分、被動部分、控制系統執行元件部分、潤滑密封部分和支承部分。國內最早生產液粘性軟啟動裝置的廠家是兗礦集團大陸機械有限公司，但由于其產品在設計、制造等諸多方面存在缺陷，如控制油的油路設計不合理，軟啟動裝置嚴重漏油；摩擦片溫度過高，使用壽命太短；運行不穩定、可靠性差，連續無故障工作時間短，以至于維護費用加大，運行成本太高。

1.2 帶式輸送機技術現狀

國外帶式輸送機技術的發展很快，主要表現在兩方面：一方面帶式輸送機的功能多元化、應用范圍擴大化，如高傾角帶式輸送機、管狀帶式輸送機、空間轉彎帶式輸送機等各種機型；帶式輸送機本身的技術與裝備有了巨大的發展，尤其是長距離、大運量、高帶速等大型帶式輸送機已成為發展的主要方向，其核心技術是開發應用了帶式輸送機動態分析與監控技術，提高了帶式輸送機的運行性能和可靠性。另一方面大型帶式輸送機核心技術主要是指動態分析和監測技術。這兩種技術都對大型帶式輸送機的發展有著非常重要的影響。在我國目前帶式輸送機主要研究領域是剛性帶式輸送機的理論研究。動態設計方法及動態分析和動態監測，降低輸送機安全系數，大大延長了使用壽命，保證帶式輸送機運行的可靠性，從而使大型帶式輸送機的設計達到最高水平。目前我國帶式輸送機使用安全系數高。事實上，輸送帶的粘彈性材料、長距離帶式輸送機皮帶驅動、動力響應的電力系統是一個非常復雜的過程，但不能簡單的用剛體力學解釋和計算。

2 永磁驅動技術設計計算

2.1 帶式輸送機參數及布置

帶式輸送機參數：見表1。

表1 帶式輸送機參數

總體布置：如圖1所示。

圖1 總體布置

設計原理：采用逐點張力法進行計算，并以此結果作為總體布置、受力分析、結構設計、零部件選型的依據，保證了設計的可靠性和先進性。

2.2 輸送能力的計算

帶式輸送機的最大生產能力是由輸送帶上物料的最大截面積、帶速和設備傾斜系數決定的，按下列公式計算

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—傾斜輸送機面積折減系數；ρ—被輸送物料的密度，kg/m3。

2.3 輸送帶寬度計算

根據相關資料，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 圓周驅動力和傳動功率計算

阻力計算：

FH=fLg[qRO+qRu+(2×qB+qG)cosδ]

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

圓周力計算：

FU=CFH+FS1+FS2+FST

式中，C—與輸送機長度有關的系數；FS1—主要特種阻力；FS2—附加特種阻力；FST—傾斜阻力。

傳動功率計算：

電機功率PM為

式中，η—傳動效率。

張力計算：

①輸送帶按不打滑條件

式中，F2min—分離點最小張力，N；μ—摩擦系數；FUmax—輸送機滿載啟動或制動時出現的最大圓周驅動力，N。

②輸送帶按垂度校核

式中，au—回程分支托輥間距，m；輸送機各點張力：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；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

按最小垂度校核計算最大張力

F1=F承min+FH1+FST1+Fε+Fg1

式中，FH1—承載段主要阻力；FST1—承載段提升阻力；Fε—3個等長上托輥前壓的阻力；Fg1—被輸送物料與導料槽板間的摩擦力。

2.5 滾筒合力計算

卸載滾筒合力：2×F8

第1傳動滾筒合力為：F1+FZ

FZ—兩傳動滾筒間膠帶張力

第2傳動滾筒合力為FZ+F2

第1傳動滾筒前面副傳動滾筒合力為2×F1

第2傳動滾筒前面副傳動滾筒合力為2×FZ

拉緊滾筒合力為2×F2

尾滾筒合力：2F7

2.6 驅動裝置計算

驅動裝置配置：電機用TBYC2-710-32/1140型號，3臺；低速聯軸器用6210T05型號，3臺；盤式制動器用SHI252型號，1臺；液壓張緊裝置用ZLY-03-400型號，1臺。

驅動裝置各部件校核：①電機的計算功率為652 kW，實際710 kW，滿足要求；②低速聯軸器計算最大扭矩為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托輥載荷計算的承載分支托輥，其靜載荷為P0=e×a0×(qG+qB)×g=1 660 N，動載荷為P0′=P0×fs×fd×fa=2 290 N；托輥載荷計算的回程分支托輥，其靜載荷Pu=e′×au×qB×g=979 N，動載荷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。托輥輥子轉速n=30×v/(π×r)=453 r/min，小于600 r/min，選用正確。

2.7 啟動和制動設計計算

滿載啟動工況設計計算：滿載啟動工況時最大圓周驅動力計算公式

FUmax=Fa+FU

Fa=aA(m1+m2)

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

式中，FUmax—滿載啟動工況的最大圓周驅動力，N；FU—穩定運行工況的圓周驅動力，N；aA—啟動加速度，m/s2；m1—負載轉動質量，kg；m2—滾筒轉動質量，kg；n—驅動單元數；JiD—驅動單元數第i個旋轉部件的轉動慣量，kg·m2；ii—驅動單元第i個旋轉部件至傳動滾筒的傳動比；r—傳動滾筒半徑，m；Ji—第i個滾筒的轉動慣量，kg·m2；ri—i個滾筒的半徑，m。

制動工況設計計算：自由停車工況

Fa=(m1+m2)aB

Fu*=CFH*+FST+FS1+FS2

采用制動器:

式中，Fa—采用制動器制動時的慣性力，N；i—制動器至傳動滾筒的傳動比；MZ—制動器的制動力矩，N·m；r—傳動滾筒半徑，m。

2.8 逆止力矩計算

逆止力由下式計算

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

上述計算表明，逆止力為負方向力，且輸送機平均傾角小于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。

通過以上的詳細計算，電機、聯軸器、減速機、制動器、膠帶均滿足運行要求。

2.9 動載荷的驗算

由于膠帶既非剛體，也非彈性體，而是粘彈性體，再加上變頻軟啟動特性的差異，所以動負荷的驗算式近似。

變位質量計算：

啟動平均加速度：由于采用變頻軟啟動，啟動較平穩，故取啟動加速度a=0.3 m/s2

啟動時動負荷：Fb=Mb×a

總牽引力:Fq=FU+Fb

式中，γd—電動機過負荷系數(為最大轉矩與額定轉矩之比)；γx—電網電壓降系數，一般取0.8～0.9。

3 永磁直驅技術突出效果對比分析

效率高，能耗低。采用的永磁直驅電機效率達到國際IE4(高于國家一級能耗標準)，與原系統比較，實現節電10%～20%。如圖2、3所示。

圖2 效率對比曲線

由表2可看出，一年節省電費約64萬元，創造極大經濟價值。

表2 節能計算表格

圖3 功率因數對比曲線

啟動轉矩大，重載啟動性能卓越。永磁同步電動機匹配智能同步變頻器能恒定輸出額定負載轉矩2倍的起動轉矩；徹底解決重載啟動難的問題，避免了異步電動機選型的“大馬拉小車”現象。如圖4、5所示。

圖4 異步電機啟動特性

系統免維護。電動機采用直驅式結構，去掉減速機、耦合器等中間環節，安裝方便，無需加油維護，減少大量巡檢工作量，節省人力物力，使用中3～6個月對軸承加注潤滑鋰基脂即可。

卓越的功率平衡功能。根據需要分配多機間載荷，避免單機過載造成的設備損壞等問題。

圖5 永磁電機啟動特性

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個月的運行數據。可與上位機通訊，實現在線監測監控。完善的保護功能，能實現對過壓、過流、欠壓、過熱等各種故障的保護，保障系統安全穩定運行。

4 結論

(1)長距離大運量大功率帶式輸送機永磁同步變頻直驅技術代替電動機+聯軸器+減速器，去掉中間傳動環節，實現了驅動結構的集中緊湊化，結構簡單，運輸安裝方便，減少設備投用率，減少故障點。

(2)無人自動控制技術在永磁同步直驅長距離大運量大功率帶式輸送機研究應用。實現驅動結構智能化，可實現在線監測監控，提升礦井生產設備的智能化水平。