煤礦帶式輸送機的特性及電氣節能技術的應用研究

唐印偉

（黑龍江龍煤集團鶴崗礦業有限責任公司，黑龍江 鶴崗 154100）

基于變頻調節的PLC 控制系統，可以根據帶式輸送機當前的工作狀況靈活調節電源頻率，進而改變電機轉速，讓輸送機以最佳的速度運行，從而讓帶速和運量實現最佳匹配，達到電能利用率最大化的效果。另外，在滿足電氣節能要求的基礎上，還能使帶式輸送機始終保持最佳工況運行，對減小機械損耗也有一定幫助。

1 煤礦帶式輸送機的特性分析

1.1 帶式輸送機的張力特性

分析帶式輸送機的張力特性，進而控制起動、制動加速度，對節約設備運行能耗和改善動態性能有積極幫助。實踐表明，普通驅動設備很難做到線性調速；而使用變頻起動裝置，則能滿足線性調速需求，避免起動、制動過程中輸送帶持續波動，張力特性良好，對改善輸送帶張力性能和實現電氣節能有積極影響。

1.2 帶式輸送機的負載特性

帶式輸送機的運行負載由多種力共同組成，比如靜態阻力、運行阻力以及轉動慣量等。其負載特性可用公式表示：

式（1）中，TLq與TLe分別表示輸送機運行時的最大負載力矩和額定負載力矩，單位為N/m-1；n1為輸送機滿額運行下的轉速，單位為rpm。只有帶式輸送機的電機轉速為n1時，運行負載才能達到恒力矩，此時設備運行效率最高。

1.3 帶式輸送機的軟啟動特性

如上文所述，輸送帶是具有一定張力的彈性體，在起動加速和制動減速時都會出現不同程度的彈性變形。變形時產生的動能會轉化為張力波存在于輸送帶中。其中，起動時加速度越大，輸送帶變形越明顯，震蕩也會更加嚴重，從而導致輸送機在起動、制動時出現抖動。在頻繁起停后將會嚴重影響設備的工況，為避免此類問題必須要采用“軟啟動”。所謂軟啟動，即在不同負載（尤其是重載）情況下，能夠使電動機克服系統慣性穩定起動，這樣在起動時加速度緩慢增加，起動慣性力較小，不至于對設備零件造成破壞影響。軟啟動的速度曲線如圖1 所示。

圖1 軟啟動速度曲線

圖1 所示的速度變化可用函數式表示：

為減少帶式輸送機啟動前后輸送帶從松弛到緊繃時的沖擊力，需要在啟動階段設置一個時間延遲段，該階段的實際帶速通常為設計帶速的20%-30%。這樣就能保證輸送機能夠以最小加速度完成起動，從而將啟動張力降至最低。時間延遲段的速度變化可用分段函數來表示：

將式（3）求導后可以得到加速度曲線模型，如圖2 所示。

2 帶式輸送機的電氣節能技術分析

2.1 影響輸送機功率的因素

由于帶式輸送機是依靠電機提供驅動力，在運轉時需要克服各種阻力，根據阻力產生位置、受力方式的不同，可以將其分為以下3 類：

第一是基本阻力。通過分析受力點可以發現，該阻力集中分布于輸送帶的中上部。其中，輸送帶與托輥之間的壓線阻力是構成基本阻力的主要因素。另外，當輸送帶上有煤炭等重物時，重力在輸送帶上產生一個向下的分力，與電動機提供的驅動力正好相反，由此產生了壓陷阻力。

第二是傾斜阻力。煤礦生產中所用的帶式輸送機通常為傾斜放置，傾斜角度越大的情況下，電機做功需要克服的傾斜阻力（Wq）越大，可通過下式表示：

式（4）中q 為物料的線密度，單位為kg/m；g 為重力加速度，這里取9.8m/s2；li表示輸送帶各區段的長度，單位為m；αi表示輸送帶的傾斜角度，單位為°。

第三是附加阻力。例如煤塊掉落到輸送帶上時，由于煤塊在水平方向上的速度遠遠小于輸送帶的轉動速度，因此在煤塊掉落到輸送帶后，必然會產生相對摩擦，這種摩擦阻力就是一種附加阻力。

2.2 科學設置帶速與運量

在帶式輸送機正常工作時，能夠影響其功率的因素有多種，這里只分析輸送帶的速度和運輸量2 個指標。研究表明，當帶式輸送機的運量為定值時，隨著功率的增加，帶速也會加快，即P 和V 呈正相關。從這一角度來看，可以通過減慢輸送速度來達到降低功率、節約能耗的效果。但是在實際生產中，降低帶速意味著產能下降，顯然不符合煤礦企業追求高效率作業的目標。因此，如何在節能效益和生產效率之間達到尋求最佳平衡點，成為帶式輸送機電氣節能技術需要解決的關鍵問題。當帶式輸送機處于滿載狀態時，則基于q 的帶速和運量關系可表示為：

由上式可知，若輸送機運量為0，則帶速也為0，即輸送機為停機狀態。但是實際生產中基于設備安全考慮，頻繁的起動、制動會縮短設備壽命，因此帶速不能為0。如果帶式輸送機為空載，或者其運量遠小于額定負載，這種情況下可以直接取帶速的最小值（Vmin），此時輸送機V 和Q 的關系如圖3 所示。

圖3 V-Q 關系曲線

上式中V 與Q 的關系可轉化為：

在滿足煤礦企業正常生產需要的前提下，使輸送機的V 和Q 匹配，進而能夠達到效率最優、節能最佳的運行效果。

3 帶式輸送機電氣節能控制系統的設計和應用

3.1 輸送機電氣節能控制方案

本文設計了一種適用于帶式輸送機的節能調速裝置。在煤倉內設置料位計，可實時監測煤量變化，并將煤量信息實時反饋給工控機；工位機同時還會收集皮帶秤等信息，在信號分析基礎上判斷輸送機的當前運量是否達到設計運量。如果當前運量較低，則發送加速信號，并控制執行機構提速。每隔一段時間執行一個循環判斷程序，直到判斷結果出現“實際運量=設計運量”后停止增加，從而實現輸送效率最大化。整個電氣節能控制流程如圖4 所示。

圖4 輸送機電氣節能框圖

調速驅動裝置是帶式輸送機電氣節能控制系統的核心，除了要保證在設計運量下滿足帶速要求外，還必須根據運量的動態變化靈活調節轉速，保證帶速與運量始終匹配。傳統的限矩型或調速型液力耦合器驅動裝置無法滿足這一需求，因此本文選擇了變頻裝置，可以按照理想的“S”曲線實現軟起動、軟停車，從而達到電氣節能效果。

3.2 輸送機電氣節能控制系統的硬件設計

3.2.1 單片機控制模塊

本系統采用模塊機結構設計，保證在煤礦生產現場復雜環境下也能穩定、可靠運行。利用I/0 端口與現場數據采集設備相連，可以將采集到的現場數據同步反饋給單片機。輸入模塊包括2 部分，其一是直接輸入信息，如給煤機狀態信息、輸送機啟停信息等；其二是保護裝置工況信息，如跑偏檢測、堆煤檢測、溫度檢測等。輸出模塊包括給煤機控制信息、輸送機帶速信息和運量信息，以及電機電流信息等。

3.2.2 輸送機保護裝置

為保障輸送機電氣節能控制系統的可靠運行，設計了若干保護裝置。主要包括以下幾類：（1）速度傳感器，主要用于超速保護。速度傳感器位于輸送帶下方，在滾筒隨皮帶轉動時，每隔一段時間磁頭經過一次傳感器。傳感器可以將其轉換成速度值，并反饋給單片機。單片機通過對比當前速度和設計速度，如果當前速度＞設計速度，即判斷為超速，然后由單片機發送調速指令，使速度降低。（2）智能跑偏開關。該開關安裝在輸送帶的一側，可以隨時檢測輸送帶的位置信息。當偏移量超過最大設定值時，立即進行報警。同時單片機根據偏移方向、偏移量，發送調節指令，使其重新回歸正常。（3）其他保護裝置。本系統中還設計了堆煤傳感器、超溫灑水裝置、聲光報警裝置等，可以進一步豐富獲取到的前端信息，對提高保護控制效果有積極幫助。

3.3 輸送機電氣節能控制系統的軟件設計

該系統軟件程序可實現啟動預告、延時測量、自動調速等功能。其中主程序如圖5 所示。

圖5 控制系統主程序流程圖

如圖5 所示，主程序起動后，首先完成系統初始化并發送起動預告，隨后根據系統自檢情況執行一個判斷程序“系統保護是否正常”。如果系統各項保護裝置均正常，則繼續執行后續程序，否則報警并終止程序。完成啟動后，有1-5 秒不等的延時，然后開始測量輸送帶的運行速度，并將監測到的實時運速與設計運速對比。若滿足調速要求，則緩慢加速或減速，達到設定速度后維持該速度運行。

3.4 輸送機電氣節能系統應用效果

3.4.1 電氣節能效果

某煤礦企業的1 臺帶式輸送機，改造前以每年1.5Mt/a 的產量計算，消耗電能為3.53×106kWh，能耗較高。在應用變頻調速電氣節能控制系統后，輸送機額定運量為357t/h，最佳匹配帶速為1.98m/s，電動機功率為460kW，改造后輸送機的能耗（W）為1.92×106kWh。對比來看，應用電氣節能系統后每年可節省電量1.61×106kWh，節能效率（η）：

η=1.61/3.53×100%=45.6%

3.4.2 輸送機機械損耗

帶速越高的情況下，輸送機損耗越大。實驗中統計了不同轉速下機械磨損度，如表1 所示。

表1 輸送機機械損耗表

結合表1 數據可知，當輸送機帶速較高時（3.467m/s），運行圈數較多，機械磨損程度較為嚴重（-3.0%）；隨著帶速逐漸降低，機械磨損程度也減輕。在帶速降低至2.544m/s 后，相同時間內機械磨損度僅為-39.6%。由此可見，維持低轉速運行對延長設備壽命有積極效果。

結束語

對于煤礦企業來說，在保證帶式輸送機滿足正常生產需求的前提下，最大程度上節約電能，才能維護自身效益。本文設計的一種基于變頻調速軟啟動的電氣節能控制系統，可以使帶速和運量始終處于最佳匹配狀態，從而達到理想的節能效果。同時，在滿足生產需求的情況下維持較低帶速，還能減小機械損耗，符合煤炭企業利潤最大化的目標。