礦用重型帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)-張緊一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

戴金昊，張 磊，鮑久圣，楊小林，陰 妍，郝建偉

1中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116

2北京百正創(chuàng)源科技有限公司 北京 100081

隨著我國礦山智能化建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，智能化將成為煤炭企業(yè)發(fā)展的必由之路和生產(chǎn)方式變革的必然方向。作為煤礦井下主煤流運(yùn)輸設(shè)備，帶式輸送機(jī)正朝著重型化、智能化的方向發(fā)展[1]，從而對其驅(qū)動系統(tǒng)和張緊裝置提出了更高的要求。傳統(tǒng)異步電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和液壓張緊裝置存在電動機(jī)工作效率低、能耗高、維護(hù)困難、液壓缸易泄漏和張緊滯后等問題[2]，難以滿足礦用重型帶式輸送機(jī)高效、智能、可靠驅(qū)動的技術(shù)要求。

永磁同步電動機(jī)作為一種新興、高效的驅(qū)動電動機(jī)，不僅功率因數(shù)高于異步電動機(jī)，而且具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的機(jī)械特性[3]，特別適用于礦山運(yùn)輸裝備低速重載的驅(qū)動需求，通過永磁電動機(jī)變頻直驅(qū)可省去 CST 或減速器等機(jī)械傳動裝置，具有維護(hù)頻率低、傳動效率高等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。近年來，永磁變頻直驅(qū)技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電[6-7]、交通[8-9]等領(lǐng)域已取得廣泛的應(yīng)用，但在礦山裝備領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少。M.Masoudinejad[10]提出了一種通過實(shí)時監(jiān)測運(yùn)輸負(fù)載、調(diào)節(jié)永磁驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速來降低能耗的方法；王洋洋等人[11]研究刮板輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)機(jī)-電耦合行為，采用永磁直驅(qū)系統(tǒng)無減速裝置，對負(fù)載響應(yīng)更快、更準(zhǔn)確。而將永磁同步電動機(jī)作為帶式輸送機(jī)張緊裝置的動力源在國內(nèi)外僅有少量研究，如太原理工大學(xué)研制了基于乳化液介質(zhì)的液壓張緊絞車和變頻自動張緊系統(tǒng)[12-13]，通過反饋信號控制變頻器的輸出頻率和電壓，來調(diào)節(jié)張緊絞車驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對輸送帶張力的實(shí)時調(diào)整；北京百正創(chuàng)源公司研發(fā)了永磁電動機(jī)變頻驅(qū)動張緊絞車[14]，實(shí)現(xiàn)了輸送帶的智能張緊與高效控制。

針對礦山裝備永磁驅(qū)動技術(shù)需求，筆者以內(nèi)蒙古某礦順槽 3 km 長重型帶式輸送機(jī)為改造對象，設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)永磁變頻驅(qū)動系統(tǒng)和永磁電張緊裝置，并通過在煤礦現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備改造安裝與實(shí)踐應(yīng)用，來驗(yàn)證改造后永磁帶式輸送機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的合理性和可行性。研究結(jié)果對于推動先進(jìn)永磁驅(qū)動技術(shù)在礦山裝備領(lǐng)域的應(yīng)用和推進(jìn)煤礦智能化發(fā)展具有重要意義。

1 帶式輸送機(jī)概況

改造前，該礦順槽帶式輸送機(jī)采用三相交流異步電動機(jī)、CST 裝置和驅(qū)動滾筒配合的驅(qū)動系統(tǒng)以及液壓缸、張緊絞車和鋼絲繩配合的液壓張緊裝置，如圖1 所示[15]。該驅(qū)動系統(tǒng)不僅存在交流異步電動機(jī)效率低、能耗高等缺陷，而且 CST 裝置還存在重載啟動困難、維護(hù)成本高等不足[16-17]，無法滿足現(xiàn)代煤礦企業(yè)礦用重型帶式輸送機(jī)的生產(chǎn)需求。此外，原有的張緊裝置與驅(qū)動系統(tǒng)是相互獨(dú)立的工作單元，系統(tǒng)間協(xié)調(diào)可控性差，液壓張緊過程也存在張緊滯后、動態(tài)性能差和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷。

圖1 改造前驅(qū)動系統(tǒng)Fig.1 Drive system before modification

帶式輸送機(jī)基本參數(shù)如表 1 所列[18]11。

表1 帶式輸送機(jī)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of belt conveyor

2 永磁直驅(qū)-張緊一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對帶式輸送機(jī)原異步驅(qū)動系統(tǒng)和液壓張緊裝置存在的不足，以及永磁驅(qū)動技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的大力推廣，提出基于永磁直驅(qū)系統(tǒng)與永磁張緊絞車的帶式輸送機(jī)永磁改造設(shè)計(jì)方案。如圖 2 所示[18]13，永磁驅(qū)動系統(tǒng)主要由 3 臺永磁同步電動機(jī)、3 臺隔爆低壓變頻器和驅(qū)動系統(tǒng)綜合控制器組成，張緊裝置則由集永磁同步電動機(jī)和張緊絞車于一體的永磁張緊絞車和變頻器組成。

圖2 改造后驅(qū)動系統(tǒng)Fig.2 Drive system after modification

改造后將原帶式輸送機(jī)的交流異步電動機(jī)全部替換成永磁同步電動機(jī)，并省去原有的 CST 裝置，在驅(qū)動系統(tǒng)位置還安裝了改向滾筒，增加帶式輸送機(jī)的圍包角，以提高摩擦牽引力且利于改向。在滿足改造前后該礦生產(chǎn)能力不變的前提下，如何提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，成為了此次改造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。張緊裝置采用永磁張緊絞車不僅可以減小其體積，減少響應(yīng)遲滯現(xiàn)象，還可以極大地延長其張緊行程。但是永磁張緊絞車的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如何合理地設(shè)計(jì)永磁張緊絞車結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)動態(tài)張緊成為改造設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

2.1 永磁直驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及選型

為改善原有帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的缺陷，現(xiàn)將其改造成“變頻器+永磁同步電動機(jī)+驅(qū)動滾筒”的驅(qū)動方式，省去原有的減速裝置。改造后的永磁直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示[18]16，設(shè)計(jì)改造過程如下。

圖3 永磁直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of permanent magnet direct drive system

2.1.1 帶式輸送機(jī)運(yùn)行阻力計(jì)算

帶式輸送機(jī)的總運(yùn)行阻力FU包括主要運(yùn)行阻力FH、附加阻力FN、提升阻力FSt及特種阻力FS[19]，其中特種阻力FS包括主要特種阻力FS1和附加特種阻力FS2。

總運(yùn)行阻力

帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中附加阻力FN占比較小，不用考慮其慣性及摩擦阻力，其與主要阻力FH之間的關(guān)系為：

通過式 (1)～ (4) 計(jì)算得FH=225.82 kN，F(xiàn)N=11.2 kN。帶式輸送機(jī)的特種阻力為托輥前傾、輸送機(jī)增加導(dǎo)料槽等裝置而產(chǎn)生的阻力，計(jì)算過程與以上兩種阻力相同，計(jì)算得FS=7.32 kN，其中FS1和FS2分別為1.58、5.74 kN。

通過以上計(jì)算得到如圖 4 所示[18]14的帶式輸送機(jī)阻力分布情況，水平運(yùn)輸帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中無提升阻力，主要運(yùn)行阻力占比較大，為 92.39%，主要來源于運(yùn)輸物料與輸送帶的自重、輸送帶和托輥組之間的摩擦力，在設(shè)計(jì)改造過程中需首先考慮。而帶式輸送機(jī)安裝的清掃器和導(dǎo)料槽等裝置所產(chǎn)生的附加阻力和附加特種阻力占比較小，分別為 4.62% 和2.35%，在計(jì)算過程中也需考慮。

圖4 帶式輸送機(jī)阻力分布Fig.4 Resistance distribution of belt conveyor

2.1.2 驅(qū)動功率計(jì)算

帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)的主要參數(shù)由運(yùn)行阻力來確定，永磁直驅(qū)系統(tǒng)總裝機(jī)功率

式中：FTr為帶式輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時傳動滾筒的總圓周力；Kd為功率儲備系數(shù)，取Kd=1.15；η1為驅(qū)動系統(tǒng)傳動效率，取η1= 0.95。

經(jīng)式 (5)、(6) 可計(jì)算出裝機(jī)功率為 1 183 kW，適合采用多臺相同型號和功率的永磁同步電動機(jī)。為此，本研究選用 3×400 kW 的 TBYC4-400-32 型永磁同步電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，如圖 5 所示[18]82，并且機(jī)頭的 2 個驅(qū)動功率配比與原系統(tǒng)配比相同，均為 2∶1，其電動機(jī)的主要參數(shù)如表 2 所列。

圖5 TBYC4-400-32 型永磁同步電動機(jī)Fig.5 TBYC4-400-32 permanent magnet synchronous motor

表2 永磁同步電動機(jī)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of permanent magnet synchronous motor

2.2 永磁張緊裝置設(shè)計(jì)及選型

改造后的永磁張緊裝置主要由永磁張緊絞車、變頻器、張力傳感器與滑輪組等組成，如圖 6 所示[18]21，其中永磁張緊絞車如圖 7 所示[20]。將永磁張緊電動機(jī)與減速器集成于一體，不僅可以實(shí)現(xiàn)低速收放鋼絲繩的目的，還能夠在滿足動態(tài)張緊帶式輸送機(jī)的同時，縮小張緊裝置的體積。

圖6 永磁張緊裝置Fig.6 Sketch of permanent magnet tensioning device

圖7 永磁張緊絞車結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structure of permanent magnet tensioning winch

張緊結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)過程如下：

采用逐點(diǎn)計(jì)算的方法且裕量系數(shù)取 1.1 時，可得游動小車所受拉力為 430 kN，因張緊裝置的滑輪組采用 3 組動滑輪形式，可得

式中：Fwr為鋼絲繩拉力，kN；nwr為鋼絲繩股數(shù)，因采用 3 組動滑輪，故nwr=3。則永磁張緊裝置所需負(fù)載轉(zhuǎn)矩

式中：Dt為絞車滾筒直徑，Dt=1 000 mm。

永磁張緊裝置負(fù)載功率

式中：vt為鋼絲繩速度，取vt=0.5 m/s。

永磁張緊電動機(jī)功率

式中：ηc為聯(lián)軸器傳動效率，取ηc=0.98；ηr為減速器傳動效率，取ηr=0.98；ηm為永磁張緊電動機(jī)傳遞效率，取ηm=0.98。

由式 (7)～ (10) 計(jì)算得到永磁張緊電動機(jī)功率Pmt=53.3 kW，鋼絲繩拉力Fwr=71.7 kN。為滿足以上選型參數(shù)，最終選用 JZB-10 型永磁張緊絞車，如圖 8所示[18]82，其參數(shù)如表 3 所列。

圖8 JZB-10 型永磁張緊絞車Fig.8 JZB-10 permanent magnet tensioning winch

表3 JZB-10 型永磁張緊絞車基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of JZB-10 tensioning winch

2.3 永磁直驅(qū)-張緊綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改造后的永磁驅(qū)動帶式輸送機(jī)系統(tǒng)主要由驅(qū)動系統(tǒng)控制器、永磁直驅(qū)系統(tǒng)和永磁張緊裝置 3 部分組成。驅(qū)動系統(tǒng)綜合控制器根據(jù)永磁同步電動機(jī) 1、2、3 的變頻器和永磁張緊絞車的張力傳感器、變頻器實(shí)時采集的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，且驅(qū)動滾筒 1 由永磁同步電動機(jī) 1 和 2 驅(qū)動，驅(qū)動滾筒 2 由永磁同步電動機(jī) 3 控制。

2.3.1 永磁驅(qū)動和永磁張緊變頻器選型

在帶式輸送機(jī)的運(yùn)行系統(tǒng)中，為能夠同時滿足礦用帶式輸送機(jī)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的需求，采用低頻隔爆型變頻器來實(shí)現(xiàn)永磁直驅(qū)系統(tǒng)的變頻調(diào)速和零速啟動，其選型過程如下。

變頻器的容量

式中：Ums為永磁同步電動機(jī)額定電壓；Ims為永磁同步電動機(jī)額定電流。

變頻器額定電流

式中：kcf為電流波形修正系數(shù)，取kcf=1.1。

經(jīng)計(jì)算，選擇北京百正創(chuàng)源公司生產(chǎn)的 BPJ-1140 型隔爆低壓變頻器，如圖 9 所示[18]16，其具體參數(shù)如表 4 所列。

圖9 BPJ-1140 型隔爆低壓變頻器Fig.9 BPJ-1140 flameproof low-voltage converter

表4 BPJ-1140 型隔爆型低壓變頻器參數(shù)Tab.4 Parameters of BPJ-1140 flameproof low-voltage converter

為實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)永磁驅(qū)動系統(tǒng)的一體化控制，永磁張緊絞車選用與永磁驅(qū)動同型號的隔爆型變頻器。

2.3.2 驅(qū)動系統(tǒng)綜合控制器選型

帶式輸送機(jī)智能驅(qū)動單元主要由智能驅(qū)動控制箱、永磁直驅(qū)系統(tǒng)和永磁張緊驅(qū)動系統(tǒng)組成，其中硬件均采用北京百正創(chuàng)源公司研發(fā)的 1 140 V 低電壓成套化產(chǎn)品，所以綜合控制器選擇 KXJ-025 型驅(qū)動系統(tǒng)綜合控制器，如圖 10 所示[18]83。

圖10 KXJ-025 型驅(qū)動系統(tǒng)綜合控制器Fig.10 Integrated controller of KXJ-025 drive system

同時為滿足井下復(fù)雜的工況環(huán)境，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)采用可靠性更高的內(nèi)置式旋轉(zhuǎn)變壓器，安裝在電動機(jī)軸上。根據(jù)采集的永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號，通過驅(qū)動控制器內(nèi)的 DSP 計(jì)算獲得實(shí)時的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩，將采集到的信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，從而對永磁帶式輸送機(jī)進(jìn)行更好的協(xié)同控制，其永磁驅(qū)動-張緊一體化帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)方案如圖 11 所示。

圖11 永磁直驅(qū)-張緊一體化帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)方案Fig.11 Scheme of control system of permanent magnet drive and tensioning integrated belt conveyor

3 煤礦井下應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益分析

為了驗(yàn)證改造后帶式輸送機(jī)的運(yùn)行是否能達(dá)到目標(biāo)效果，在內(nèi)蒙古某礦進(jìn)行了現(xiàn)場安裝調(diào)試與應(yīng)用效益分析，改造設(shè)備的參數(shù)同表 1～ 4。

3.1 帶式輸送機(jī)永磁改造安裝

在不改變原有帶式輸送機(jī)整體框架的前提下，先拆除原有的異步驅(qū)動系統(tǒng)和液壓張緊裝置，重新安裝地腳螺栓，將電動機(jī)安裝定位并保證其平穩(wěn)工作。在此基礎(chǔ)上將改造的永磁同步電動機(jī)安裝在煤礦運(yùn)輸順槽內(nèi)，將低壓隔爆型變頻器和驅(qū)動系統(tǒng)綜合控制器安裝于供電硐室，并由井下防爆電纜串入主控制系統(tǒng)與供電系統(tǒng)內(nèi)，如圖 12 所示。

圖12 永磁驅(qū)動系統(tǒng)現(xiàn)場安裝Fig.12 Site installation of permanent magnet drive system

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)礦方提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對改造后的帶式輸送機(jī)在 2020 年度的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。如圖 13(a)所示[18]90，永磁改造后，因舍去了原故障率較高的CST 驅(qū)動系統(tǒng)和液壓張緊裝置，減少了帶式輸送機(jī)停機(jī)檢修時間，提高了煤礦生產(chǎn)效率，年產(chǎn)量由原500 萬 t 提高到 530 萬 t，產(chǎn)值增加約 1.35 億元；如圖13(b) 所示，因永磁驅(qū)動系統(tǒng)工作效率較高，永磁改造后帶式輸送機(jī)年耗電量由原來的 691 萬 kW·h 減少到 521 萬 kW·h，節(jié)省電費(fèi)約 119 萬元；如圖 13(c) 所示，因永磁驅(qū)動和永磁張緊裝置簡化了傳動鏈，幾乎不需換件維修，維護(hù)費(fèi)用由 17 萬元降至 1.5 萬元。

圖13 經(jīng)濟(jì)效益對比分析Fig.13 Comparative analysis of economic benefits

由此可見，采用永磁直驅(qū)-張緊一體化系統(tǒng)的全永磁驅(qū)動帶式輸送機(jī)，可以很好地實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效與節(jié)能的生產(chǎn)目標(biāo)，每年可為企業(yè)帶來上億元的經(jīng)濟(jì)效益，極具推廣價值。

4 結(jié)論

對內(nèi)蒙古某礦原系統(tǒng)驅(qū)動方式與張緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，通過現(xiàn)場設(shè)備安裝及實(shí)際應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

(1) 利用永磁同步電動機(jī)替換原采用的異步交流電動機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩負(fù)載的直接驅(qū)動，具有高效、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；利用永磁張緊裝置替換原有的液壓張緊裝置，可增加張緊系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，減少滯后時間；在現(xiàn)場安裝運(yùn)行中，永磁帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了改造要求。

(2) 現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，采用永磁電動機(jī)直驅(qū)和永磁張緊的帶式輸送機(jī)，不僅可以節(jié)省系統(tǒng)設(shè)備的安裝空間，而且經(jīng)濟(jì)效益顯著。永磁電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上無繞組結(jié)構(gòu)，不需要勵磁繞組，不存在線圈的繞組銅損，且在系統(tǒng)中加入了多種智能矢量控制策略，能提高系統(tǒng)電動機(jī)的效率，可節(jié)約 25% 的電能消耗；采用永磁電動機(jī)直驅(qū)的方式還具有較高的傳動效率，可提高 6% 的煤炭產(chǎn)量，同時可節(jié)省 90% 以上的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。