刮板輸送機變頻驅動控制的實現研究

李守睿

（山西大同永定莊煤業公司， 山西 大同 037000）

引言

在煤礦井下開采面工作期間刮板輸送機的作用十分重要，刮板輸送機能夠有效保證煤炭井下運輸、采煤機井下運輸以及液壓支架井下移動的穩定性和安全性，而這些設施的安全穩定運行決定著煤礦開采工作的生產效率。由于刮板輸送機自身具有獨特的工作用途，所以經常需要重載啟動，而采用傳統的驅動方式，不僅啟動效率較低，還會造成十分嚴重的電能浪費。因此，如何優化刮板輸送機變頻驅動控制系統成為了當務之急。

1 刮板輸送機負載特性分析

刮板輸送機一般都是將刮板鏈作為主要工作機構，利用鏈傳動的原理來完成煤礦井下散料運輸工作，刮板輸送機設備的主要構成包括減速機構、驅動鏈輪機構以及電機等。整體結構組成如圖1 所示。

圖1 刮板輸送機運動機構示意圖

在刮板輸送機初始運作期間，電機會完成通電運轉，利用和電機保持連接狀態的相關結構、液力耦合器和鏈輪機構，將動力輸送給鏈輪，隨后鏈輪在運轉過程中會使刮板鏈在設備滑動槽當中不斷運動，進而將鏈板上的煤炭材料通過運輸機完成運輸[1]。在實際工作過程中，刮板輸送機中的鏈輪結構會承受非常大的載荷，尤其在負載沖擊影響下，嚴重損耗問題會明顯降低刮板輸送機的使用壽命。

另外，刮板輸送機在運作期間，落煤質量與時間的不規范性將直接導致輸送機處于無規律滿載、超載的交替變化中，而要想滿足刮板輸送機的正常使用要求，就必須要確保刮板輸送機具備較大的啟動轉矩，常見的啟動過載系數在2.5～3.0 區間之內。當刮板輸送機處于頻繁且無規律的重載啟動過程中時，就很有可能出現斷鏈和零件磨損嚴重的情況，設備運行的可靠性也明顯降低，電機設備會對電網電流造成十分嚴重的沖擊影響，進而影響著煤礦用電設備的整體安全性。

2 刮板輸送機變頻驅動控制系統的構建

2.1 變頻驅動控制系統結構

1）機械傳動系統。此系統主要包含動力輸入端、液力耦合器以及動力輸出端等。根據不同的設計需求來選擇不同的元件，比如齒輪傳動系統必須要在其系統內部安裝減速裝置，一般會選擇直角型三級齒輪減速器，而處于動力輸出端的減速設備一般會挑選新型齒輪減速器[2]。

2）液壓控制系統。在液壓控制系統設計過程中，要將液壓元器件當作油缸壓力控制的重要構件，隨后將液壓油缸壓力輸送到液力耦合器當中，進而對轉距進行合理控制。再應用潤滑冷卻系統，它可以對驅動控制系統進行有效冷卻，在發動機傳動零件初始運動期間就開始進行高速相對運動，使潤滑油能夠順利傳遞到摩擦表面上，從而在表面上形成一層油膜，實現液體摩擦的效果，進而減少功率損耗和工件磨損，減少摩擦阻力，強化發動機的持久性和穩定性。但是在潤滑冷卻系統設計過程中，除了要控制油壓和摩擦表面油量供應以及做好機油濾清工作之外，還要控制好功率消耗和機油損失量。

3）電氣控制系統。在電氣控制系統設計過程中，通常會用到PLC 控制器和變頻器，利用不同類型的傳感器來采集刮板運輸機實時運行狀態數據，并通過PLC 控制器來進行數據分析。在此基礎上，結合智能變頻器的電氣系統圖紙、溫度檢測單元以及DSP 模塊等構件對變頻器的主控器進行有效控制，再與AC/DC 轉換和過壓保護單元相連接，從而組建成一個完整變頻器電氣系統。根據刮板輸送機在運行期間所顯示的實際情況來總結控制指令，完成變頻器的調控。在電機控制下，變頻器能夠根據具體要求來適當調節刮板輸送機的具體參數。刮板輸送機變頻軟啟動如圖2 所示。

圖2 刮板輸送機變頻軟啟動

2.2 選擇合適的元器件

刮板輸送機變頻驅動控制系統都會用到PLC 控制設備與變頻器等相關設備，而在挑選元器件時，要根據變頻驅動控制系統的實際需要來決定，確保元器件能夠與系統良好銜接在一起。在此期間，首先要挑選合適的PLC 控制器，結合以往PLC 控制器的使用經驗和刮板輸送機在變頻控制方面的實際需求，將PLC 控制器和電源模塊、模擬量輸入模塊以及接口模塊等組成部分相結合，之后再展開PLC 控制系統設計[3]。同時，在系統設計基礎上，還要詳細了解控制要求，在刮板輸送機變頻驅動控制系統內部設計定量輸入模塊，總共需要設計8 路，而模擬量的輸出模塊只需要設計4 路即可。此外常見的數字量輸入模塊與輸出模塊分別有96 點和48 點。

2.3 選擇變頻器

變頻器在選擇過程中要重點參考刮板運輸機的容量，在具體運行過程中，對電機負載電流也要進行精準計算，在計算出負載電流之后再考慮到刮板輸送機之前是否會出現滿載啟動或空載運輸的問題。因此刮板輸送機的平均力距只需要超過標準值的1.5 倍即可。刮板輸送機直接轉矩變頻控制系統原理如圖3 所示。

圖3 刮板輸送機直接轉矩變頻控制系統原理

3 刮板輸送機變頻驅動控制系統的具體應用

在煤礦井下生產工作中，必須要加強刮板輸送機變頻驅動控制系統電機負荷的均衡性。通常情況下，大功率刮板輸送機需要不同的驅動電機配合運行完成，結合設備運行期間的性能、特點以及均衡性，經常會選擇主從式控制變頻器。同時還要結合主頻器運行過程中的具體情況，確定輸出電流的頻率，強化主從驅動電機負載的均衡程度[4]。當刮板輸送機在運行過程中，機尾變頻器可以充當主機，機頭變頻器可以充當從機，主機利用集中控制器所發出的運行指令，將指令發送給機尾主頻器，之后從機采用CAN 通信方法來獲取指令。這樣一來就可以明顯提高驅動電機功率的均衡性。同時，當刮板運輸機處于運行狀態時，卡鏈問題十分常見，如果問題嚴重還會導致刮板輸送機鏈條發生斷裂，對煤礦綜采作業面的正常運行造成影響。

而利用變頻驅動控制系統所進行的檢測工作，能夠在系統當中融入具體檢測數值，全面分析電流降低率，從而判斷是否會出現刮板機斷裂問題。另外，合理的刮板鏈參數也是確保刮板輸送機順利運行的條件。在參數設置過程中，要將驅動電機的瞬間電流值下降到80%，如果超出標準數值，就很有可能會出現斷鏈漏報的情況。而如果低于70%，就會產生故障誤報問題。刮板輸送機故障診斷系統如圖4 所示。

圖4 刮板輸送機故障診斷系統

井下煤礦開采工作一般都會面臨十分惡劣的環境，在現場開采環境中，刮板輸送機重載啟動概率特別高，這也就要求變頻驅動控制系統必須要能夠充足地完成重載啟動轉距。當啟動變頻器的額定轉距與額定電流實現了2.3 倍的時候，就要對變頻器當中所儲存的數據進行科學調整。隨后利用控制信息傳輸模塊和井下通信網絡系統來獲取刮板運輸機的運行參數，將這些參數傳送到地面監控指揮中心當中，進而獲得最理想的刮板運輸機控制成效。另外，如果刮板輸送機在運行過程中的刮板鏈出現卡鏈問題，這時驅動電機就會出現瞬堵問題，如果此問題長期得不到解決，那么就會對井下煤礦采面生產造成影響。而在利用刮板輸送機變頻驅動控制系統之后，可以提前設定好額定電流值，在電機出現堵轉問題之后，電流值就會超出標準范圍，驅動電機運行狀態就會變成恒定功率，電機轉速也會明顯降低。這時可以采用滑差率保護方法，合理設定刮板輸送機的滑差率與持續時間，如果出現斷鏈與摩擦故障，那么就要立刻停止設備運轉，進行全面檢查。

4 結語

建立完善的刮板輸送機驅動控制系統，在此設備基礎上，能夠利用信息技術來構建具備信息化和數字化特點的信息控制系統，主要對煤礦生產現場的刮板輸送機的運行情況進行重點控制。利用該系統能夠在短時間內發現斷鏈問題，支持設備參數完成實時調整，確保刮板輸送機可以更加穩定運行，使煤礦現場開采作業能夠更加安全與穩定。參考文獻

[1] 劉偉峰.刮板輸送機變頻驅動控制系統的研究[J].機械管理開發，2020，35（9）：278-280.

[2] 楊建軍.關于礦用刮板輸送機變頻驅動控制方法的設計研究[J].機械管理開發，2020，35（9）：254-256.

[3] 郅富標.基于功率平衡的刮板輸送機控制系統仿真分析[J].煤礦機械，2020，41（9）：80-82.

[4] 劉小兵.采煤機與刮板輸送機的協同調速控制策略的研究[J].機械管理開發，2020，35（2）：167-168；196.