基于液力耦合器的帶式輸送機啟動特性優(yōu)化研究

陳韋華

（山西煤礦機械制造股份有限公司，山西 太原 030031）

引言

隨著大功率采煤機的廣泛應用，煤礦井下的綜采作業(yè)效率不斷提高，傳統(tǒng)的小型帶式輸送機的運量已經(jīng)無法滿足日益增加的物料運輸需求，因此各種類型的大運量、高帶速、長距離的帶式輸送機不斷投入應用。輸送機是由黏彈特性的輸送帶和驅(qū)動滾筒、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)生動張力，導致輸送機的機架受力損壞、輸送帶受力斷裂等，不僅嚴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，因此迫切需要對輸送機的驅(qū)動系統(tǒng)進行調(diào)整，實現(xiàn)輸送機在啟動過程中的平穩(wěn)啟動，降低啟動時的動張力[1]。因此，提出了一種基于液力耦合器的輸送機驅(qū)動系統(tǒng)，利用液力耦合器啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動平衡性好、精度高的特點，實現(xiàn)對輸送機系統(tǒng)的平穩(wěn)啟動。

1 液力耦合器原理及啟動機構(gòu)

液力耦合器又稱液力聯(lián)軸器，是一種用來將電機與工作機連接起來傳遞旋轉(zhuǎn)動力的機械裝置，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)換為機械動能，實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩的柔性變動，其能夠自動調(diào)整充液量，實現(xiàn)在動力源的負載特性保持恒定情況下調(diào)整其輸出特性[2]。

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

2 液力耦合器功率調(diào)節(jié)原理

目前帶式輸送機多為多電機驅(qū)動，因此在控制系統(tǒng)中增加耦合器后，耦合器是直接和電機的傳動軸相連，因此其輸出的轉(zhuǎn)矩是電機和液力耦合器共同作用的結(jié)果[3]，以雙滾筒驅(qū)動輸送機為例，輸送機的主驅(qū)動滾筒處配備了2臺驅(qū)動電機，從動滾筒處設置1臺驅(qū)動電機，3臺電機的額定輸出功率均相同，假設兩個滾筒的直徑一致，3臺液力耦合器內(nèi)的充液量一致。但由于各電機實際上的機械驅(qū)動特性是存在一定差異的，而且輸送帶在運行過程中存在著較大的變形和內(nèi)應力，因此三個驅(qū)動電機加上液力耦合器輸出的實際扭矩是不一樣的，如圖1所示。

由圖1可知，電機和液力耦合器的實際輸出轉(zhuǎn)矩是存在明顯差異性的，這種差異的存在就會導致三組電機工作時部分輸出功率超過設定功率，部分電機的輸出功率則明顯小于設定功率，造成電機的過載損壞，嚴重影響輸送機在運行過程中的工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

圖1 三組電機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，其開度不同就會產(chǎn)生不同的充液量，使工作時的滑差出現(xiàn)變化，進而影響到實際輸出轉(zhuǎn)矩[4]。因此為了滿足調(diào)節(jié)可靠性的需求，對不同充液量情況下的液力耦合器和電機的聯(lián)合輸出特性進行分析，獲取控制調(diào)節(jié)信號，根據(jù)輸送機工作時的不同狀態(tài)，靈活控制液力耦合器的充液量，進而實現(xiàn)對三組電機輸出綜合轉(zhuǎn)矩的控制，確保在整個過程中輸送機運行狀態(tài)的穩(wěn)定性，提高驅(qū)動電機的使用壽命。

3 液力耦合器啟動方式的仿真驗證

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

圖2 液力耦合器控制下帶式輸送機的啟動特性曲線

由圖2可知，在液力耦合器的作用下帶式輸送機在啟動時的速度變化曲線為“S”形的特性曲線，且實際速度變化曲線緊緊圍繞著理論特性曲線變化，整個系統(tǒng)的啟動時間約為14 s，在第1.4 s時實際運行速度有一個微小的波動，這是由于剛開始時帶式輸送機液力耦合器的內(nèi)腔的油液量為零，在第1.4 s時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的運行帶速出現(xiàn)了輕微的降低，在后續(xù)液力耦合器的調(diào)整瞬間均會導致帶速出現(xiàn)輕微的變動，最大變動量約為0.05 m/s，對輸送機啟動過程中的不穩(wěn)定性基本無影響，因此表明該啟動系統(tǒng)能夠滿足帶式輸送機在啟動過程中對穩(wěn)定性的要求。

帶式輸送機運行過程中不同電機的負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)動電機和輔助驅(qū)動電機的負載電流變化曲線，為了便于對各驅(qū)動電機電流進行對比，本文僅針對三相電流中的一項電流值進行跟蹤，通過仿真分析，當在負載發(fā)生變化時主驅(qū)動電機的電流和輔助驅(qū)動電機的電流同步增加或者降低，且輔助電機的電流值始終以主驅(qū)動電機的電流值為基準進行調(diào)整，兩個電機的負載電流之間的差值非常小，因此完成滿足帶式輸送機系統(tǒng)在啟動過程中對各驅(qū)動電機功率平衡的控制要求。

4 結(jié)論

1）該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為，輸送機驅(qū)動電機的電機軸和液力耦合器的泵輪相互連接，在輸送機的滾筒和液力耦合器的泵輪之間設置一個減速器，從而使驅(qū)動電機在工作時輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)液力耦合器轉(zhuǎn)換后再進行輸出。

2）通過控制液力耦合器的充液量，能夠?qū)崿F(xiàn)對各個驅(qū)動端輸出轉(zhuǎn)矩的靈活調(diào)整，確保驅(qū)動電機的工作穩(wěn)定性和使用壽命。

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

4）輔助電機的電流值始終以主驅(qū)動電機的電流值為基準進行調(diào)整，兩個電機的負載電流之間的差值非常小，因此完成滿足帶式輸送機系統(tǒng)在啟動過程中對各驅(qū)動電機功率平衡的控制要求。