基于液力耦合器的帶式輸送機(jī)啟動(dòng)特性優(yōu)化研究

陳韋華

（山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司，山西 太原 030031）

引言

隨著大功率采煤機(jī)的廣泛應(yīng)用，煤礦井下的綜采作業(yè)效率不斷提高，傳統(tǒng)的小型帶式輸送機(jī)的運(yùn)量已經(jīng)無法滿足日益增加的物料運(yùn)輸需求，因此各種類型的大運(yùn)量、高帶速、長距離的帶式輸送機(jī)不斷投入應(yīng)用。輸送機(jī)是由黏彈特性的輸送帶和驅(qū)動(dòng)滾筒、托輥等共同構(gòu)成的物料輸送系統(tǒng)，在輸送帶內(nèi)極易產(chǎn)生動(dòng)張力，導(dǎo)致輸送機(jī)的機(jī)架受力損壞、輸送帶受力斷裂等，不僅嚴(yán)重影響了煤礦井下的煤炭輸送效率，而且給煤礦的安全生產(chǎn)造成了極大的安全隱患，因此迫切需要對(duì)輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)在啟動(dòng)過程中的平穩(wěn)啟動(dòng)，降低啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)張力[1]。因此，提出了一種基于液力耦合器的輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，利用液力耦合器啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)平衡性好、精度高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)系統(tǒng)的平穩(wěn)啟動(dòng)。

1 液力耦合器原理及啟動(dòng)機(jī)構(gòu)

液力耦合器又稱液力聯(lián)軸器，是一種用來將電機(jī)與工作機(jī)連接起來傳遞旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的機(jī)械裝置，在工作過程中液力耦合器可改變內(nèi)腔的油液的充液率來確保將油液的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩的柔性變動(dòng)，其能夠自動(dòng)調(diào)整充液量，實(shí)現(xiàn)在動(dòng)力源的負(fù)載特性保持恒定情況下調(diào)整其輸出特性[2]。

在新的帶式輸送機(jī)啟動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)，將輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電機(jī)軸和液力耦合器的泵輪相互連接，在輸送機(jī)的滾筒和液力耦合器的泵輪之間設(shè)置一個(gè)減速器，從而使驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工作時(shí)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)液力耦合器轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行輸出，其最終輸出的作用在輸送機(jī)滾筒上的扭矩特性是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和液力耦合器共同作用下的結(jié)果。由于實(shí)際生產(chǎn)中所使用的帶式輸送機(jī)通常采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，雖然各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率理論上相互匹配，但實(shí)際工作過程中受各種因素影響極難達(dá)到輸出功率的平衡，通過液力耦合器的調(diào)整作用，能夠有效地對(duì)各電機(jī)的輸出功率進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，滿足各驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)的功率平衡要求。

2 液力耦合器功率調(diào)節(jié)原理

目前帶式輸送機(jī)多為多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此在控制系統(tǒng)中增加耦合器后，耦合器是直接和電機(jī)的傳動(dòng)軸相連，因此其輸出的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)和液力耦合器共同作用的結(jié)果[3]，以雙滾筒驅(qū)動(dòng)輸送機(jī)為例，輸送機(jī)的主驅(qū)動(dòng)滾筒處配備了2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從動(dòng)滾筒處設(shè)置1臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，3臺(tái)電機(jī)的額定輸出功率均相同，假設(shè)兩個(gè)滾筒的直徑一致，3臺(tái)液力耦合器內(nèi)的充液量一致。但由于各電機(jī)實(shí)際上的機(jī)械驅(qū)動(dòng)特性是存在一定差異的，而且輸送帶在運(yùn)行過程中存在著較大的變形和內(nèi)應(yīng)力，因此三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)加上液力耦合器輸出的實(shí)際扭矩是不一樣的，如圖1所示。

由圖1可知，電機(jī)和液力耦合器的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩是存在明顯差異性的，這種差異的存在就會(huì)導(dǎo)致三組電機(jī)工作時(shí)部分輸出功率超過設(shè)定功率，部分電機(jī)的輸出功率則明顯小于設(shè)定功率，造成電機(jī)的過載損壞，嚴(yán)重影響輸送機(jī)在運(yùn)行過程中的工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

圖1 三組電機(jī)和液力耦合器綜合輸出轉(zhuǎn)矩曲線

根據(jù)液力耦合器的工作原理，其開度不同就會(huì)產(chǎn)生不同的充液量，使工作時(shí)的滑差出現(xiàn)變化，進(jìn)而影響到實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩[4]。因此為了滿足調(diào)節(jié)可靠性的需求，對(duì)不同充液量情況下的液力耦合器和電機(jī)的聯(lián)合輸出特性進(jìn)行分析，獲取控制調(diào)節(jié)信號(hào)，根據(jù)輸送機(jī)工作時(shí)的不同狀態(tài)，靈活控制液力耦合器的充液量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)三組電機(jī)輸出綜合轉(zhuǎn)矩的控制，確保在整個(gè)過程中輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的使用壽命。

3 液力耦合器啟動(dòng)方式的仿真驗(yàn)證

為了對(duì)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)采用液力耦合器控制啟動(dòng)特性下的調(diào)整效果進(jìn)行分析，本文采用Simulink及MATLAB仿真分析軟件[5]對(duì)液力耦合器調(diào)整下的帶式輸送機(jī)啟動(dòng)特性和功率平衡特性進(jìn)行研究，帶式輸送機(jī)在液力耦合器控制下的啟動(dòng)特性曲線如圖2所示。

圖2 液力耦合器控制下帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)特性曲線

由圖2可知，在液力耦合器的作用下帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的速度變化曲線為“S”形的特性曲線，且實(shí)際速度變化曲線緊緊圍繞著理論特性曲線變化，整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間約為14 s，在第1.4 s時(shí)實(shí)際運(yùn)行速度有一個(gè)微小的波動(dòng)，這是由于剛開始時(shí)帶式輸送機(jī)液力耦合器的內(nèi)腔的油液量為零，在第1.4 s時(shí)開始向液力耦合器內(nèi)注入高壓油液，在油阻的作用下輸送機(jī)的運(yùn)行帶速出現(xiàn)了輕微的降低，在后續(xù)液力耦合器的調(diào)整瞬間均會(huì)導(dǎo)致帶速出現(xiàn)輕微的變動(dòng)，最大變動(dòng)量約為0.05 m/s，對(duì)輸送機(jī)啟動(dòng)過程中的不穩(wěn)定性基本無影響，因此表明該啟動(dòng)系統(tǒng)能夠滿足帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)過程中對(duì)穩(wěn)定性的要求。

帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中不同電機(jī)的負(fù)載電流變化曲線如圖3所示。

圖3 液力耦合器控制下不同電機(jī)的電流變化曲線

由圖3可知，在液力耦合器的調(diào)節(jié)控制下，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載電流變化曲線，為了便于對(duì)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流進(jìn)行對(duì)比，本文僅針對(duì)三相電流中的一項(xiàng)電流值進(jìn)行跟蹤，通過仿真分析，當(dāng)在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流和輔助驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流同步增加或者降低，且輔助電機(jī)的電流值始終以主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流值為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，兩個(gè)電機(jī)的負(fù)載電流之間的差值非常小，因此完成滿足帶式輸送機(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中對(duì)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率平衡的控制要求。

4 結(jié)論

1）該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為，輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電機(jī)軸和液力耦合器的泵輪相互連接，在輸送機(jī)的滾筒和液力耦合器的泵輪之間設(shè)置一個(gè)減速器，從而使驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工作時(shí)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)液力耦合器轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行輸出。

2）通過控制液力耦合器的充液量，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)端輸出轉(zhuǎn)矩的靈活調(diào)整，確保驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作穩(wěn)定性和使用壽命。

3）液力耦合器的作用下帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的速度變化曲線為“S”形的特性曲線，且實(shí)際速度變化曲線緊緊圍繞著理論特性曲線變化，滿足帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)過程中對(duì)穩(wěn)定性的要求。

4）輔助電機(jī)的電流值始終以主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流值為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，兩個(gè)電機(jī)的負(fù)載電流之間的差值非常小，因此完成滿足帶式輸送機(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中對(duì)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率平衡的控制要求。