王衛(wèi)東，侯繼鵬，丁增佳，李冉

(山鋼股份萊蕪分公司焦化廠，山東萊蕪271104)

管式皮帶運輸機是在通用帶式輸送機基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型帶式輸送機，因其在輸送過程中物料密閉，輸送線路適應(yīng)性較強，因此可設(shè)計成為長距離物料輸送設(shè)備。這一技術(shù)早期在日本采用，隨后歐洲許多公司也開始設(shè)計制造這種皮帶運輸機［1］。我國管式皮帶運輸機的設(shè)計、制造和使用起步相對較晚，管式皮帶運輸機的驅(qū)動方式一般有“變頻電機—減速機”驅(qū)動和液壓驅(qū)動兩種，普遍采用頭部(卸料端)驅(qū)動的設(shè)計方式。而當(dāng)設(shè)計為單機長度超過2 km 的超長距離管式皮帶機時，單純的頭部驅(qū)動就不足以提供設(shè)備運行所需要的動力，需要采用頭尾部雙驅(qū)的驅(qū)動方式。目前，萊鋼焦化廠在用4 條管式皮帶機中有2 條單機距離超過2 km，其中2007 年初投入使用的焦化廠3#管帶機單機距離達(dá)到3 km，其驅(qū)動系統(tǒng)采用的頭、尾液壓馬達(dá)雙驅(qū)式設(shè)計在國內(nèi)尚屬首例。因此，該系統(tǒng)在調(diào)試、使用過程中出現(xiàn)了許多問題，尤其是管帶機頭尾部液壓馬達(dá)在運轉(zhuǎn)過程中的不同步問題，一度影響到管帶機的正常運行，近年來，焦化廠技術(shù)人員會同各方面的專家對此問題進行了探索，并采取了措拖使得該問題在管式皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)中得到了創(chuàng)新性解決。

1 管帶機頭尾液壓馬達(dá)雙驅(qū)系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 超長距離管式皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成圖

萊鋼焦化廠3#管式皮帶機設(shè)計水平投影長度為3 km，為超長距離管式皮帶機，其拉緊方式采用重錘漲緊，頭尾部各置一套驅(qū)動裝置，并自成系統(tǒng)，其驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1。

該管式皮帶機驅(qū)動裝置采用赫格隆液壓驅(qū)動系統(tǒng)［2］(如圖2 所示)，其構(gòu)成主要包括以下部分:(1)液壓動力站。其主要作用是將電能轉(zhuǎn)換成液壓動力以供馬達(dá); (2)液壓馬達(dá)。主要作用為輸出扭矩，將液壓動力轉(zhuǎn)換成機械能; (3)液壓管路。將液壓動力站與液壓馬達(dá)連接，用于系統(tǒng)輸送液壓動力;(4)控制系統(tǒng)。液壓動力站內(nèi)SPIDER 控制器，主要對液壓系統(tǒng)整體運行進行控制和檢測。

圖2 赫格隆液壓驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成圖

該液壓系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)回路: (1)使用雙向軸向柱塞變量泵，通過柱塞控制液壓泵斜盤傾角，從而控制流量與壓力。 (2)采用徑向柱塞式定量液壓馬達(dá)，運轉(zhuǎn)時馬達(dá)殼體固定，油缸體/空心軸旋轉(zhuǎn)，偶數(shù)個柱塞均布于油缸體的柱塞孔中，配流盤實現(xiàn)對工作柱塞的準(zhǔn)確配流。當(dāng)液壓力作用在柱塞底部時，柱塞通過凸輪滾子將力傳遞到凸輪環(huán)的斜面上，因凸輪環(huán)與殼體固定在一起，而殼體固定，所以凸輪滾子將凸輪環(huán)的反作用力傳遞到柱塞上，反作用力在垂直于柱塞中心線方向上的分力對柱塞產(chǎn)生扭矩，因此油缸體和柱塞一起產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，同時扭矩正比于系統(tǒng)壓力。(3)運行中20% ～25% 的工作流量被補油泵輸入的冷油置換出來，使主回路強制冷卻。 (4)容積調(diào)速系統(tǒng):使用比例閥控制液壓泵的斜盤傾角的變化，從而控制液壓泵輸出流量的變化，進而控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速n=Q/q。 (5)液壓系統(tǒng)高度集成化，總效率可達(dá)70% ～80%。

圖3 管帶機頭尾液壓馬達(dá)雙驅(qū)式設(shè)計控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

在控制系統(tǒng)構(gòu)成方面，赫格隆液壓系統(tǒng)自身配備Spider 集成控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含多種功能，如馬達(dá)轉(zhuǎn)速、扭矩等數(shù)據(jù)的采集與控制，動力站的主要工作參數(shù)的監(jiān)控和記錄，并能通過自身閉環(huán)控制實現(xiàn)油壓與馬達(dá)速度的調(diào)節(jié)，同時與上位機協(xié)調(diào)作用還能夠?qū)崿F(xiàn)頭尾馬達(dá)的協(xié)同控制。在實際應(yīng)用中，管帶機機頭、機尾兩套液壓系統(tǒng)各成體系，通過總線與上位機相連接，在上位機中植入頭尾油壓比例與自調(diào)節(jié)程序，根據(jù)理論計算得出頭尾油壓調(diào)節(jié)值，并將信號反饋于Spider 控制系統(tǒng)，進而作用于油泵和馬達(dá)，實現(xiàn)油壓與速度的協(xié)調(diào)控制，如圖3 所示。

2 管帶機頭尾液壓馬達(dá)雙驅(qū)式設(shè)計同步調(diào)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)

(1)管帶機頭尾部油壓比例區(qū)間的確定

在實際應(yīng)用中，管帶機頭、尾部液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速直接影響著管帶能否正常運行，而決定馬達(dá)轉(zhuǎn)速的因素是油壓，如果油壓比例不合適，頭、尾部馬達(dá)將不能同步，進而造成管帶扭轉(zhuǎn)、跑偏、打滑、滾筒磨損，嚴(yán)重時將造成馬達(dá)損壞、皮帶撕裂等惡性事故。短距離管式皮帶機一般采用頭部驅(qū)動的設(shè)計方式，所有的驅(qū)動負(fù)載集中在頭部，因此不存在頭尾部驅(qū)動不同步的情況;而當(dāng)采用頭尾部雙驅(qū)動設(shè)計時，就需要通過理論計算來重新分配負(fù)載，通過對圓管帶式輸送機驅(qū)動功率以及頭尾部張力值計算進而重新分配頭尾部驅(qū)動功率(計算過程較為復(fù)雜，不贅述):

管帶機運行總功率:p=p頭+p尾=720 kW

其中:p頭=400 kW，p尾=320 kW;

所以，頭尾部油壓比例:ω = (p頭－15)/(p尾－15)=1.26

根據(jù)實際應(yīng)用中頭尾油壓的波動范圍以及設(shè)備承壓極限，確定頭尾部油壓比例在0.8 ～1.75 之間的允許波動區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)頭尾部油壓可控且不至于造成設(shè)備損壞。

(2)頭尾部油壓比例自調(diào)程序的設(shè)計與調(diào)試

在管帶調(diào)試初期，頭、尾部馬達(dá)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)采用人工調(diào)節(jié)的方式來完成:即主控人員根據(jù)現(xiàn)場油壓比例反饋信號對速度給定值進行調(diào)節(jié)，從而使比例參數(shù)維持在0.8 ～1.75 安全區(qū)間以內(nèi)，但人工調(diào)節(jié)不僅增加了現(xiàn)場人員的工作量，同時也因為人為判斷與反應(yīng)的滯后性影響到調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和靈敏度，效果不是很理想。后期通過大量的現(xiàn)場比較實驗，進行了頭尾部油壓比例自調(diào)程序的設(shè)定，實現(xiàn)了對速度的自動調(diào)節(jié):確定頭、尾部油壓比例值理想?yún)^(qū)間為1.2 ～1.35，以此區(qū)間為中心的正、負(fù)范圍內(nèi)各設(shè)定3 個檔次，并根據(jù)各檔次區(qū)間內(nèi)油壓比例表現(xiàn)確定不同程度的自調(diào)值(自調(diào)值的大小可以影響調(diào)節(jié)的程度與響應(yīng)時間);現(xiàn)場頭、尾部油壓比例處于哪種檔次內(nèi)，信號就依據(jù)自調(diào)值進行自動調(diào)節(jié)，從而大大優(yōu)化了同步調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和靈敏度。

通過長時間數(shù)據(jù)采集與比較可以確定，當(dāng)管帶機頭尾部油壓比例自調(diào)參數(shù)按照表1 設(shè)計時，自調(diào)程序與現(xiàn)場響應(yīng)表現(xiàn)及時而平穩(wěn)，自調(diào)過程中自調(diào)參數(shù)與油壓比例表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

表1 頭尾同步自調(diào)參數(shù)列表

(3)Spider 控制系統(tǒng)的速度反饋PID 調(diào)節(jié)功能

管式皮帶機采用鋼絲繩芯膠帶，主要張力變化被膠帶內(nèi)置的133 根鋼絲所承受。在管帶機啟動、停止以及物料變化時，皮帶漲緊力也在復(fù)雜變化，如果在速度的調(diào)節(jié)上采用開環(huán)控制，將會造成膠帶內(nèi)部鋼絲受力不均勻，進而造成膠帶運行不穩(wěn)定，降低了皮帶壽命。在此，對頭、尾部馬達(dá)的Spider 控制器進行了閉環(huán)控制設(shè)定，通過Spider 控制器對馬達(dá)內(nèi)部速度編碼器數(shù)據(jù)的實時采集值與上位機反饋的給定速度值進行比較，隨時對現(xiàn)場馬達(dá)轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，從而起到進一步穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的目的。

圖4 為Spider 控制器PID 調(diào)節(jié)功能原理圖，Spider 的PID 調(diào)節(jié)功能可有效補償因負(fù)載變化引起的速度改變，從而使馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，其主要過程包括:

①速度指令信號和實際速度信號的差值(差值信號)將傳送到PID 調(diào)節(jié)器;

②PID 調(diào)解器包括三方面的調(diào)節(jié):

P 調(diào)節(jié):將差值信號比例放大;

I 調(diào)節(jié):差值信號積分調(diào)節(jié);

D 調(diào)節(jié):差值信號微分調(diào)節(jié)(一般不用)。

圖4 Spider 控制器速度反饋——PID 調(diào)節(jié)功能原理圖

通過Spider 控制器的參數(shù)設(shè)置面板可設(shè)置P 調(diào)節(jié)的比率因子、差值信號的值域、I 調(diào)節(jié)的時間范圍等參數(shù)。按照程序默認(rèn)設(shè)置，如果在10 s 內(nèi)PID 調(diào)節(jié)不能使差值信號進入差值信號的值域，Spider 控制器將給出“ERR TOO LARGE”或”誤差太大“警告。

3 結(jié)論

通過對頭尾液壓馬達(dá)雙驅(qū)式管帶機頭尾驅(qū)動不同步問題的討論，確定了驅(qū)動不同步問題出現(xiàn)的原因，并通過頭尾部油壓比例區(qū)間的確定、頭尾部油壓比例自調(diào)程序的設(shè)計以及Spider 控制系統(tǒng)速度反饋PID 調(diào)節(jié)功能的設(shè)定等多種方式的協(xié)調(diào)應(yīng)用，實現(xiàn)了頭尾雙驅(qū)同步性的有效提升，從而為頭尾雙驅(qū)式馬達(dá)設(shè)計在超長距離物料輸送設(shè)備上的應(yīng)用提供了理論支持與實踐方面的依據(jù)。該調(diào)節(jié)方式在實際應(yīng)用中具備安裝使用靈活、靈敏度高、準(zhǔn)確性強、反應(yīng)迅捷的優(yōu)點，在工程應(yīng)用中具備十分廣闊的前景與深遠(yuǎn)的意義。

【1】張鉞.新型圓管帶式輸送機設(shè)計手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

【2】赫格隆驅(qū)動系統(tǒng)(上海)有限公司.赫格隆CB 馬達(dá)安裝維護手冊，2004.