煤礦帶式輸送機電氣節能改造方法探究

摘要：煤礦帶式輸送機作為煤炭開采過程中的重要運輸設備，其能源消耗與環境影響問題日益凸顯。為符合國家能源節約、減排降碳及與推動綠色高質量發展的政策導向，煤礦企業應加大對帶式輸送機的電氣節能改造力度。為此， 通過設計了一種新型帶式輸送機自動控制系統，并在此基礎上提出了一種創新的電氣節能改造策略。實際應用效果表明，該方法有效降低了煤礦能耗，提升了設備利用率，同時降低了安全生產成本，取得了顯著的經濟與社會效益。

關鍵詞：煤礦帶式輸送機； 電氣節能； 節能改造； 能效評估

Exploration of Electrical Energy Ssaving Renovation Methods for Coal Mine Belt Conveyors

GAO Zhengyuan" CHU Tao" SHAN Haoran" QlU Bin

Zaozhuang Mining Group Gaozhuang Coal Industry Co.， Ltd.，" Ji’ning， Shandong Province， 277600 China

Abstract： As an important transportation equipment in the coal mining process， the energy consumption and environmental impact of coal mine belt conveyors are becoming increasingly prominent. In order to comply with the policy orientation of national energy conservation， emission reduction and carbon reduction， and promote green and high-quality development， coal mining enterprises should increase their efforts in electrical energy-saving renovation of belt conveyors. To this end， a new type of automatic control system for belt conveyors has been designed， and an innovative electrical energy-saving renovation strategy has been proposed based on this. The practical application effect shows that this method effectively reduces coal mine energy consumption， improves equipment utilization， and reduces safety production costs， achieving significant economic and social benefits.

Key W Wwords： Coal mine belt conveyor; Electrical energy conservationsaving; Energy saving renovation; Energy eEfficiency aAssessment

煤炭開采技術持續發展，帶式輸送機在煤礦中的應用廣泛，提升了煤礦作業效率。然而，復雜惡劣的工作環境與及潛在的安全風險，限制了帶式輸送機的使用壽命。同時，帶式輸送機作為煤礦中的能耗大戶，帶式輸送機的其節能改造成為亟需解決的問題。為此，煤礦企業要合理選型設備，確保高效、低耗，實現節能目標。；同時，科學運用電氣節能技術，強化設備的維護管理，提升設備效能，促進能源節約。

1帶式輸送機的工作原理

煤礦帶式輸送機作為物料連續輸送的關鍵設備，其核心機制在于運用皮帶作為物料傳輸與承載的媒介。，通過滾筒與托輥間產生的摩擦力，驅動皮帶進行連續的循環運動。此設備專為煤礦井下設計，能夠滿足大流量、長距離的物料運輸需求，并展現出結構簡潔、運行平穩、維護便利等優勢。

煤礦帶式輸送機的主要構成部分包括以下幾個關鍵元件：。（1）驅動裝置：。該裝置集成了電動機、減速器以及、制動器等核心組件，其主要職責是為電機提供穩定、可靠的電力供應，從而驅動整個輸送系統的正常運轉；。（2）驅動滾輪：。其作為皮帶機的核心動力源，它依賴與皮帶間的摩擦力來驅動皮帶進行移動；。（3）換向滾輪：。其作用在于調整皮帶的運動方向，確保物料能夠按照既定的路徑被準確輸送；。（4）支撐皮帶移動的托輥系統：。該系統由上托輥群與下托輥群共同構建，為皮帶提供了必要的支撐與導向功能；。（5）膠帶：。其作為皮帶機的主體承載結構，通常由多層高強度、耐磨損的膠布復合而成，能夠可靠地承載并傳遞物料[1]。

在煤礦帶式輸送機的運行過程中，電動機通過減速器將動力傳遞至驅動滾輪，驅動滾輪則利用摩擦力帶動皮帶進行連續的循環運動。物料被放置在皮帶上，隨著皮帶的移動被連續地輸送至指定位置。在整個輸送過程中，換向滾輪確保了皮帶能夠按照預定的路徑進行轉向，而托輥系統則保證了皮帶在運動過程中的穩定性與可靠性，從而確保了整個輸送過程的順利進行。

2煤礦帶式輸送機的電氣節能改造方法

2.1節能管控軟件系統

煤礦帶式輸送機作為煤礦運輸系統的關鍵，其功能對整體作業效率產生深遠影響。當前，盡管許多煤礦已采用變頻調速技術來控制皮帶輸送機，并取得了一定效果，但皮帶輸送機運行狀態頻繁變化，傳統調速技術難以全面適應，能耗問題依舊突出。因此，構建一套更高效、科學的電氣節能管控體系，是降低皮帶輸送機能耗的重要途徑。

基于此，本文提出了一種基于C語言的能耗監測與控制軟件設計方案。該軟件集成了系統初始化、信號采集、數據處理、及電機控制等功能模塊。為實現節能目標，軟件設計采用負載傳感器預設參數與實際測量值相結合的方法。在系統計時器時鐘頻率為75 MHz ，且自動加載數值設定為900的條件下，脈寬調制（Pulse-Width Modulation ，PWM）信號的輸出頻率可達80 KHz，而PWM信號的輸出則依據對比值CCRx進行調整。

此外，本文還設計了一套基于USB接口的嵌入式系統，用于實現能耗的實時監測與節能控制。該系統通過對比預設品質指標與實際測量值，將結果輸入至控制器，進而對皮帶輸送機的運行速度進行動態調整。通過這種方式，系統能夠根據實時負載情況靈活調整皮帶輸送機的工作狀態，從而有效降低能耗[2]。

2.2煤流智能監測

在煤礦帶式輸送機的運行過程中，煤流的實時監測對于實現節能調速具有重要意義。本文采用激光發射裝置與高清相機相結合的方式，對皮帶上煤炭的裝載情況進行實時監測。首先，通過光電相機的定點校準，獲取煤量的空間分布圖像；其次然后，利用圖像處理技術對采集到的煤炭圖像進行增強處理，并通過激光干涉技術實現高清圖像的清晰分離。在此基礎上，利用先進的圖像處理算法，對煤塊進行在線檢測與識別，提取煤塊的外形輪廓，并生成閉合包絡曲線。通過計算包絡線的長度，可以確定煤區的閉合區域，進而分析煤的分布截面特性。根據煤粉濃度，可以計算出皮帶上的煤流分布情況，為皮帶輸送機的動態調速提供科學依據。

為實現皮帶輸送機的動態調速，本文首先收集了運輸順槽、集中運輸巷、和主傾斜線等關鍵部位的皮帶輸送距離數據，并建立了皮帶運輸系統的數學模型。其中，皮帶速度和輸送距離是構建數學模型的關鍵參數。通過計算輸送長度和輸送速度，可以預測皮帶輸送機的煤炭流量、輸送速度以及與輸送至下一皮帶的時間。在此基礎上，通過對比實際皮帶速度與預測皮帶速度，適時對皮帶機進行加速或減速調節。在皮帶輸送機的前端安裝了隔爆型控制盒，用于接收原有皮帶機主控系統的操作指令，并根據皮帶上的煤量實時調節變頻器的運行速度，從而實現皮帶輸送機的變頻調速與節能傳動。在每個煤炭裝載點處，安裝了激光型礦用隔爆型煤量探測器和控制器，用于實時監測落在膠帶上的煤面情況，并將數據傳輸至帶式輸送機前端的隔爆型控制盒，為變頻調節提供精確的數據支持。在調速過程中，由于皮帶機的運行速度不斷變化，需要實時對比當前皮帶輸送機的轉速與傳動頻率的輸出轉速，以確保提供精確的轉速保護，并與集中控制系統實現無縫連接。在皮帶機前端的主控箱上，LCD屏幕能夠精確顯示當前皮帶機在速度調節過程中的工作狀態和關鍵能耗數據[3]。

2.3傳輸速度動態監測

皮帶輸送機的運轉速率是評估其能效與經濟性的核心指標。為此，本研究采納了GSH5型井下專用的轉速傳感器，實現對皮帶輸送機速度的動態監測。實施細節上，該傳感器被安裝于皮帶輸送機滾筒的一端，通過捕捉永磁鐵隨滾筒旋轉產生的脈沖信號來工作。具體而言，一定數量的永磁鐵被均勻鑲嵌于滾筒表面，每當磁鐵經過傳感器時，即觸發一次脈沖信號。基于霍爾效應的理論基礎，結合磁鐵數量、滾筒周長以及與傳感器接收的脈沖頻次，可以精確推算出皮帶輸送機的實時運行速度[4]。

2.4部署智能巡檢機器人

皮帶輸送機面臨復雜的作業環境，如高粉塵濃度、長期重載運行和長距離傳輸，傳統的人工巡檢方式已難以滿足高效性與全面性的要求。因此，為降低勞動強度、提升巡檢效率、減少人力投入的目標，可以部署智能巡檢機器人，。

智能巡檢機器人集成了智能攝像頭、無線通訊基站、電力驅動系統及和天軌裝置。，其中，天軌設計類似于單軌吊，依靠電力驅動系統，使機器人能夠沿預設軌道進行精確、高效的往返移動。此外，智能巡檢機器人還裝備了豐富的傳感器套件，包括紅外熱成像儀、聲音探測器、氣體濃度傳感器等，能夠全方位、多維度地監測設備的運行狀態。這些傳感器替代了人工巡檢，實現了對皮帶輸送機及其周邊環境的精細監控。更重要的是，機器人所搭載的傳感器能夠將監測數據實時數字化，并通過大數據平臺的智能分析算法，對海量數據進行深度挖掘與解析。這一過程不僅提供了對設備當前運行狀態的精準評估，還借助大數據分析技術，實現了對設備故障風險的早期預警與預測，有效縮短了設備故障導致的停工時間，顯著提升了設備的運行穩定性和安全性。

3仿真實證研究

3.1模擬平臺構建與實驗規劃

本研究利用Simulink構建虛擬樣機，模擬皮帶輸送機機械結構、電機特性、變頻調速與及負載變化。選用630kW異步電動機，設定減速器傳動比、皮帶輪直徑等參數。研發無位置傳感器矢量控制變頻器模型，構建負載變化模型，模擬實際作業場景與及外界因素干擾。規劃兩組對比實驗：恒速運行對照組與變頻調速實驗組，研究功率因數、電機轉速波動、皮帶張力等，探討控制參數對系統動力學的影響。實測數據顯示，變頻調速技術節能效果顯著[5]。

3.2能效評估與經濟性分析

表1模擬計算結果顯示，變頻調速方案效果顯著。表1顯示：，變頻控制下，系統工作效率提升18.2%，輸入動力波動性大幅降低，電機速度基準誤差減少63.4%，最大張力下降35.2%。表2對比兩種控制方式下1" h能耗，變頻控制下能耗降低至7886 kW，年節約電能約140萬kW，節省電費70余萬元。此外，該方案還能延長設備壽命，降低維修成本，經濟效益顯著。

煤炭開采技術持續發展，帶式輸送機在煤礦中的應用廣泛提升了煤礦作業效率。然而，復雜惡劣的工作環境與潛在的安全風險限制了帶式輸送機的使用壽命。同時，帶式輸送機作為煤礦中的能耗大戶，其節能改造成為亟需解決的問題。為此，煤礦企業要合理選型設備，確保高效、低耗，實現節能目標；同時，科學運用電氣節能技術，強化設備的維護管理，提升設備效能，促進能源節約。

1帶式輸送機的工作原理

煤礦帶式輸送機作為物料連續輸送的關鍵設備，其核心機制在于運用皮帶作為物料傳輸與承載的媒介，通過滾筒與托輥間產生的摩擦力，驅動皮帶進行連續的循環運動。此設備專為煤礦井下設計，能夠滿足大流量、長距離的物料運輸需求，并展現出結構簡潔、運行平穩、維護便利等優勢。

煤礦帶式輸送機的主要構成部分包括以下幾個關鍵元件。（1）驅動裝置。該裝置集成了電動機、減速器、制動器等核心組件，其主要職責是為電機提供穩定、可靠的電力供應，從而驅動整個輸送系統的正常運轉。（2）驅動滾輪。其作為皮帶機的核心動力源，依賴與皮帶間的摩擦力來驅動皮帶進行移動。（3）換向滾輪。其作用在于調整皮帶的運動方向，確保物料能夠按照既定的路徑被準確輸送。（4）支撐皮帶移動的托輥系統。該系統由上托輥群與下托輥群共同構建，為皮帶提供了必要的支撐與導向功能。（5）膠帶。其作為皮帶機的主體承載結構，通常由多層高強度、耐磨損的膠布復合而成，能夠可靠地承載并傳遞物料[1]。

在煤礦帶式輸送機的運行過程中，電動機通過減速器將動力傳遞至驅動滾輪，驅動滾輪利用摩擦力帶動皮帶進行連續的循環運動。物料被放置在皮帶上，隨著皮帶的移動被連續地輸送至指定位置。在整個輸送過程中，換向滾輪確保了皮帶能夠按照預定的路徑進行轉向，托輥系統則保證了皮帶在運動過程中的穩定性與可靠性，從而確保了整個輸送過程的順利進行。

2煤礦帶式輸送機的電氣節能改造方法

2.1節能管控軟件系統

煤礦帶式輸送機作為煤礦運輸系統的關鍵，其功能對整體作業效率產生深遠影響。當前，盡管許多煤礦已采用變頻調速技術來控制皮帶輸送機并取得了一定效果，但皮帶輸送機運行狀態頻繁變化，傳統調速技術難以全面適應，能耗問題依舊突出。因此，構建一套更高效、科學的電氣節能管控體系是降低皮帶輸送機能耗的重要途徑。

基于此，本文提出了一種基于C語言的能耗監測與控制軟件設計方案。該軟件集成了系統初始化、信號采集、數據處理、電機控制等功能模塊。為實現節能目標，軟件設計采用負載傳感器預設參數與實際測量值相結合的方法。在系統計時器時鐘頻率為75 MHz 且自動加載數值設定為900的條件下，脈寬調制（Pulse-Width Modulation ，PWM）信號的輸出頻率可達80 KHz，而PWM信號的輸出則依據對比值CCRx進行調整。

此外，本文還設計了一套基于USB接口的嵌入式系統，用于能耗的實時監測與節能控制。該系統通過對比預設品質指標與實際測量值，將結果輸入控制器，進而對皮帶輸送機的運行速度進行動態調整。通過這種方式，系統能夠根據實時負載情況靈活調整皮帶輸送機的工作狀態，從而有效降低能耗[2]。

2.2煤流智能監測

在煤礦帶式輸送機的運行過程中，煤流的實時監測對實現節能調速具有重要意義。本文采用激光發射裝置與高清相機相結合的方式，對皮帶上煤炭的裝載情況進行實時監測。首先，通過光電相機的定點校準，獲取煤量的空間分布圖像；其次，利用圖像處理技術對采集到的煤炭圖像進行增強處理，并通過激光干涉技術實現高清圖像的清晰分離。在此基礎上，利用先進的圖像處理算法，對煤塊進行在線檢測與識別，提取煤塊的外形輪廓，并生成閉合包絡曲線。通過計算包絡線的長度，可以確定煤區的閉合區域，進而分析煤的分布截面特性。根據煤粉濃度，可以計算出皮帶上的煤流分布情況，為皮帶輸送機的動態調速提供科學依據。

為實現皮帶輸送機的動態調速，本文首先收集了運輸順槽、集中運輸巷、主傾斜線等關鍵部位的皮帶輸送距離數據，并建立了皮帶運輸系統的數學模型。其中，皮帶速度和輸送距離是構建數學模型的關鍵參數。通過計算輸送長度和輸送速度，可以預測皮帶輸送機的煤炭流量、輸送速度與輸送至下一皮帶的時間。在此基礎上，通過對比實際皮帶速度與預測皮帶速度，適時對皮帶機進行加速或減速調節。在皮帶輸送機的前端安裝了隔爆型控制盒，用于接收原有皮帶機主控系統的操作指令，并根據皮帶上的煤量實時調節變頻器的運行速度，從而實現皮帶輸送機的變頻調速與節能傳動。在每個煤炭裝載點處安裝了激光型礦用隔爆型煤量探測器和控制器，用于實時監測落在膠帶上的煤面情況，并將數據傳輸至帶式輸送機前端的隔爆型控制盒，為變頻調節提供精確的數據支持。在調速過程中，由于皮帶機的運行速度不斷變化，需要實時對比當前皮帶輸送機的轉速與傳動頻率的輸出轉速，以確保提供精確的轉速保護，并與集中控制系統實現無縫連接。在皮帶機前端的主控箱上，LCD屏幕能夠精確顯示當前皮帶機在速度調節過程中的工作狀態和關鍵能耗數據[3]。

2.3傳輸速度動態監測

皮帶輸送機的運轉速率是評估其能效與經濟性的核心指標。為此，本研究采納了GSH5型井下專用的轉速傳感器，實現對皮帶輸送機速度的動態監測。實施細節上，該傳感器被安裝于皮帶輸送機滾筒的一端，通過捕捉永磁鐵隨滾筒旋轉產生的脈沖信號來工作。具體而言，一定數量的永磁鐵被均勻鑲嵌于滾筒表面，每當磁鐵經過傳感器時，即觸發一次脈沖信號。基于霍爾效應的理論基礎，結合磁鐵數量、滾筒周長與傳感器接收的脈沖頻次，可以精確推算出皮帶輸送機的實時運行速度[4]。

2.4部署智能巡檢機器人

皮帶輸送機面臨復雜的作業環境，如高粉塵濃度、長期重載運行和長距離傳輸，傳統的人工巡檢方式已難以滿足高效性與全面性的要求。因此，為降低勞動強度、提升巡檢效率、減少人力投入的目標，可以部署智能巡檢機器人。

智能巡檢機器人集成了智能攝像頭、無線通訊基站、電力驅動系統和天軌裝置，其中，天軌設計類似于單軌吊，依靠電力驅動系統，使機器人能夠沿預設軌道進行精確、高效的往返移動。此外，智能巡檢機器人還裝備了豐富的傳感器套件，包括紅外熱成像儀、聲音探測器、氣體濃度傳感器等，能夠全方位、多維度地監測設備的運行狀態。這些傳感器替代了人工巡檢，實現了對皮帶輸送機及其周邊環境的精細監控。更重要的是，機器人所搭載的傳感器能夠將監測數據實時數字化，并通過大數據平臺的智能分析算法，對海量數據進行深度挖掘與解析。這一過程不僅提供了對設備當前運行狀態的精準評估，還借助大數據分析技術，實現了對設備故障風險的早期預警與預測，有效縮短了設備故障導致的停工時間，顯著提升了設備的運行穩定性和安全性[5]。

3仿真實證研究

3.1模擬平臺構建與實驗規劃

本研究利用Simulink構建虛擬樣機，模擬皮帶輸送機機械結構、電機特性、變頻調速與負載變化。選用630kW異步電動機，設定減速器傳動比、皮帶輪直徑等參數。研發無位置傳感器矢量控制變頻器模型，構建負載變化模型，模擬實際作業場景與外界因素干擾。規劃兩組對比實驗：恒速運行對照組與變頻調速實驗組，研究功率因數、電機轉速波動、皮帶張力等，探討控制參數對系統動力學的影響。實測數據顯示，變頻調速技術節能效果顯著[6]。

3.2能效評估與經濟性分析

表1模擬計算結果顯示，變頻調速方案效果顯著：變頻控制下，系統工作效率提升18.2%，輸入動力波動性大幅降低，電機速度基準誤差減少63.4%，最大張力下降35.2%。

4結語

綜上所述，面對煤炭資源在供給側結構性調整中的高效利用要求，針對皮帶輸送機運行速率與負載波動大、重載運行損耗高的問題，通過優化傳動方式減小工作阻力是實現節能降耗的有效手段。本研究通過仿真驗證與能效分析，充分證明了變頻調速技術在煤礦帶式輸送機電氣節能改造中的顯著成效，為行業節能減排、綠色發展提供了堅實支撐。

參考文獻：

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