帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

胡 瑾

（西山煤電集團(tuán)設(shè)計(jì)院（有限公司）， 山西 太原 030053）

引言

近年來(lái)，帶式輸送機(jī)作為煤礦重要的輸送設(shè)備，其帶速、運(yùn)量及輸送距離也在不斷地向大型化設(shè)備發(fā)展，而大型化設(shè)備具備的突出問(wèn)題便是實(shí)際電機(jī)功率過(guò)大造成的實(shí)際損耗較小，輸送機(jī)造價(jià)高而拉緊裝置等構(gòu)件的使用效果較差，或振動(dòng)問(wèn)題不能有效解決，因此基于帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行調(diào)速設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

1 帶式輸送機(jī)參數(shù)與模型設(shè)計(jì)

某礦帶式輸送機(jī)在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要對(duì)該其選型參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2，根據(jù)計(jì)算結(jié)果所得的帶式輸送機(jī)參數(shù)進(jìn)行帶式輸送機(jī)實(shí)際工況的系數(shù)選用，結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 帶式輸送機(jī)具體工況

表2 帶式輸送機(jī)參數(shù)選型計(jì)算

表3 帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況系數(shù)選擇

如表1 所示，根據(jù)煤礦生產(chǎn)需要，以3 200 m 長(zhǎng)度、高差130 m、仰角2.1°的實(shí)際工作環(huán)境，以及4 800 t/h 輸送能力需求，對(duì)帶式輸送機(jī)的功率及規(guī)格進(jìn)行參數(shù)選擇設(shè)計(jì)，得出表2 中的帶式輸送機(jī)具體參數(shù)。本次設(shè)計(jì)方案選用頭部三電機(jī)雙滾筒進(jìn)行動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，滾筒傳動(dòng)配比為2∶1，單個(gè)電機(jī)功率1 800 kW，帶速設(shè)計(jì)為4.7 m/s。一些帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的阻力參數(shù)及運(yùn)行工況參數(shù)如表3 所示，其中阻力附加系數(shù)為1.040、摩擦系數(shù)為0.300 等，圖1 為帶式輸送機(jī)的整體布置方案簡(jiǎn)易圖。

圖1 帶式輸送機(jī)布置簡(jiǎn)易圖

在帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)力設(shè)計(jì)上，具體由兩個(gè)主驅(qū)動(dòng)滾筒、一個(gè)次驅(qū)動(dòng)滾筒進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)，功率均為1 323 kW，驅(qū)動(dòng)功率總和為3 969 kW。基于上述對(duì)帶式輸送機(jī)的靜態(tài)設(shè)計(jì)，未考慮帶式輸送機(jī)實(shí)際工況中開(kāi)機(jī)、停機(jī)運(yùn)行過(guò)程及遭受緊急工況停車(chē)制動(dòng)等對(duì)帶式輸送機(jī)的影響，因此對(duì)其運(yùn)行過(guò)程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。現(xiàn)根據(jù)上述設(shè)計(jì)進(jìn)行帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析。

2 帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)分析

2.1 動(dòng)態(tài)張力計(jì)算方程設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程除皮帶張緊力之外還有附加張力的作用，兩者的疊加很容易造成帶式輸送機(jī)的運(yùn)行過(guò)程不穩(wěn)或滾筒、托輥元件失效損壞，影響到帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行。從帶式輸送機(jī)的力學(xué)模型對(duì)其作出如下假設(shè)計(jì)算：假設(shè)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行方向上力學(xué)特性相同；煤體在帶式輸送機(jī)上平穩(wěn)均勻分布運(yùn)動(dòng)；帶式輸送機(jī)托輥均勻分布；帶式輸送機(jī)視為一根剛性長(zhǎng)桿，質(zhì)地均勻；啟動(dòng)及制動(dòng)過(guò)程中帶式輸送機(jī)的振動(dòng)較小可忽略其影響。由上述假設(shè)條件建立帶式輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程如下：

式中：S 為帶式輸送機(jī)的橫截面積；q1為帶式輸送機(jī)的等效質(zhì)量，由三部分組成，分別為帶式輸送機(jī)所承載的煤體質(zhì)量、帶式輸送機(jī)本身的質(zhì)量及帶式輸送機(jī)部件如托輥等的質(zhì)量；f（x，t）代表帶式輸送機(jī)所受阻力；u（x，t）為帶式輸送機(jī)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)位移長(zhǎng)度。根據(jù)式（1）代入初始條件以及帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的工況情況進(jìn)行張力沖擊計(jì)算。

1）靜止?fàn)顟B(tài)下及帶式輸送機(jī)的初始啟動(dòng)過(guò)程中，各參數(shù)值為0，而啟動(dòng)過(guò)程中，設(shè)定帶式輸送機(jī)的每點(diǎn)處于速度穩(wěn)定階段，此時(shí)有：

2）制動(dòng)器滾筒及張緊滾筒處的張力計(jì)算為：

由式（1）—式（4）可以得出，u（x，t）及帶式輸送機(jī)的運(yùn)行張力為液壓拉緊張緊裝置所需力矩。而對(duì)于帶式輸送機(jī)已有結(jié)論：階躍激勵(lì)對(duì)輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)影響很大；斜坡激勵(lì)對(duì)動(dòng)態(tài)的沖擊較小；正弦激勵(lì)對(duì)帶式輸送機(jī)的總張力比斜坡激勵(lì)更小。更小的沖擊力更有助于帶式輸送機(jī)電機(jī)的維護(hù)，提高其使用年限。對(duì)于帶式輸送機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)確保其啟動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)性及速度的無(wú)突變性，因此優(yōu)化變頻調(diào)速設(shè)計(jì)減小帶式輸送機(jī)的加速度及速度的突變，保證其速度曲線的圓滑度來(lái)減小帶式輸送機(jī)的沖擊是優(yōu)化設(shè)計(jì)的總體思路[1]。

2.2 優(yōu)化控制設(shè)計(jì)方案

通過(guò)設(shè)計(jì)可編程控制器PLC、變頻器、電動(dòng)機(jī)及各顯示儀器進(jìn)行系統(tǒng)組裝，整體運(yùn)行流程為PLC 將采集信號(hào)在上位機(jī)傳輸顯示，并由上位機(jī)下達(dá)操作指令給PLC 控制器，指導(dǎo)變頻器進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行。其中對(duì)于上位機(jī)控制室操作模式的選取有手動(dòng)及自動(dòng)控制兩種，當(dāng)選取手動(dòng)控制模式時(shí)，PLC 控制器將不再作業(yè)而由人工進(jìn)行操作；自動(dòng)控制下控制臺(tái)的手動(dòng)控制器將無(wú)法使用，全程由PLC 控制器自動(dòng)對(duì)變頻器進(jìn)行工作指令下達(dá)。控制室可對(duì)帶式輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流值、運(yùn)行/停止情況等電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示[2]。

2.3 調(diào)速控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用變頻器對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行調(diào)速，關(guān)鍵在于其控制頻率的優(yōu)化，確保帶式輸送機(jī)的加速度及速度變化曲線較為平滑，即兩者的偏差值盡可能較小，f（v）=vi-v；f（a）=（vi-v）/（ti-t）-a0。兩者的值進(jìn)行模糊控制優(yōu)化設(shè)計(jì)，所得出優(yōu)化后的參數(shù)作為變頻器的調(diào)節(jié)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的優(yōu)化控制效果。具體流程如圖2 所示。由帶式輸送機(jī)終端的實(shí)際運(yùn)行速度、加速度作為初始信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻器速度調(diào)節(jié)后向PLC控制器進(jìn)行信號(hào)傳輸，并最終傳輸至上位機(jī)控制室，完成帶式輸送機(jī)的調(diào)速控制優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 基于輸送機(jī)調(diào)速優(yōu)化控制流程

3 帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化模型，對(duì)帶式輸送機(jī)的負(fù)載運(yùn)行情況進(jìn)行仿真模擬，設(shè)計(jì)啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)90 s，制動(dòng)控制時(shí)長(zhǎng)70 s，啟動(dòng)、停車(chē)制動(dòng)過(guò)程中的速度變化曲線如圖3 所示。

圖3 帶式輸送機(jī)啟動(dòng)、停車(chē)控制速度變化曲線圖

由圖3 可以看出，控制啟動(dòng)、停車(chē)及緊急停車(chē)過(guò)程中的速度變化曲線都較為平滑，達(dá)到了預(yù)期效果，基本可以實(shí)現(xiàn)變頻器對(duì)速度的靈活調(diào)節(jié)效果。其中分析啟動(dòng)及緊急停車(chē)過(guò)程中的初始時(shí)間20 s 之內(nèi)的速度突變情況，主要原因在于制動(dòng)器的慣性作用，出現(xiàn)制動(dòng)盤(pán)的打滑情況，從而造成速度的突變[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

帶式輸送機(jī)的大型化發(fā)展給其運(yùn)行狀態(tài)的平穩(wěn)性、可靠性帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，但通過(guò)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制設(shè)計(jì)，從帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度以及加速度控制上做到靈活調(diào)節(jié)，能夠確保帶式輸送機(jī)的可靠平穩(wěn)運(yùn)行。即仿真模擬中曲線變化越為平滑，帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)、電機(jī)電流等不穩(wěn)定變化的情況也就越少，這對(duì)煤礦大型設(shè)備的維護(hù)以及智能化控制有著重要意義。