郝喜軍

(大同煤礦集團(tuán)公司 雁崖礦，山西　大同　037031)

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帶式輸送機(jī)節(jié)能降耗控制方法研究

郝喜軍

(大同煤礦集團(tuán)公司 雁崖礦，山西大同037031)

摘要帶式輸送機(jī)在煤炭行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，但是我國(guó)礦用輸送機(jī)多以恒速運(yùn)行為主，導(dǎo)致工作效率較低，浪費(fèi)了大量的電能。分析了帶速與裝載量之間的關(guān)系，提出了利用模糊控制理論和PLC控制技術(shù)進(jìn)行節(jié)能的方案。通過(guò)采集裝載量，達(dá)到實(shí)現(xiàn)控制輸出帶速的目的，并建立了節(jié)能方案結(jié)構(gòu)框圖和軟件流程圖。最后，根據(jù)假定的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果證明采用節(jié)能方案后節(jié)能率為13.9%，具有一定的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞帶式輸送機(jī)；節(jié)能；帶速；運(yùn)量；模糊控制理論；PLC

帶式輸送機(jī)的功能主要是輸送碎散物料或者成件物品，其主要特點(diǎn)是輸送距離遠(yuǎn)、裝載量大。在煤炭、電力、港口等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，特別是在煤炭行業(yè)，已經(jīng)成為運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ摺?0世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)礦用帶式輸送機(jī)經(jīng)歷了從引進(jìn)到吸收到自主研發(fā)的過(guò)程，目前在運(yùn)送距離、裝載量等方面已經(jīng)有了極大的提高。

但是，我國(guó)礦用輸送機(jī)普遍存在“大馬拉小車(chē)”的情況。這是由于輸送機(jī)的運(yùn)行速度多以恒速為主，無(wú)法與運(yùn)量匹配，導(dǎo)致輸送機(jī)實(shí)際工作效率只有40%～60%，浪費(fèi)了大量的電能，提高了生產(chǎn)成本，與“綠色礦山，節(jié)能降耗”的原則相違背。因此，解決帶式輸送機(jī)的能耗問(wèn)題是一項(xiàng)非常重要的工作。本文從帶速調(diào)整方面入手，探討帶式輸送機(jī)的節(jié)能方法。

1帶式輸送機(jī)簡(jiǎn)介

1.1帶式輸送機(jī)工作原理

帶式輸送機(jī)(見(jiàn)圖1)主要由輸送帶、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及滾筒、減速器、托輥、張緊裝置、制動(dòng)裝置等部分組成。其中，輸送帶以閉合形式分別繞過(guò)驅(qū)動(dòng)滾筒和換向滾筒，上輸送帶和下輸送帶以托輥為支撐，拉緊力則由拉緊裝置提供。工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將扭矩傳遞給輸送帶，牽引輸送帶運(yùn)動(dòng)，完成物料的運(yùn)輸。

圖1　帶式輸送機(jī)實(shí)物圖

1.2帶式輸送機(jī)能耗問(wèn)題

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于輸送機(jī)裝載量的增大，其能耗也隨之增大，成為影響企業(yè)成本的一個(gè)主要因素。帶式輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)靠電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用，在運(yùn)轉(zhuǎn)中各個(gè)機(jī)械部件都會(huì)產(chǎn)生阻力。通過(guò)分析，阻力主要有基本阻力、傾斜阻力、附加阻力和特殊阻力4種。其中，基本阻力是指輸送帶、物料以及托輥之間摩擦產(chǎn)生的阻力；傾斜阻力是指由于機(jī)身傾斜，物料產(chǎn)生的重力分量帶來(lái)的阻力；附加阻力是指物料落在皮帶上時(shí)，由于速度與皮帶本身運(yùn)行速度不同而產(chǎn)生了相對(duì)摩擦，或者是皮帶被壓彎后恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的阻力；特殊阻力是指對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行改造后產(chǎn)生的阻力。有專(zhuān)家對(duì)輸送機(jī)阻力的計(jì)算進(jìn)行了相關(guān)研究，最后證明在長(zhǎng)距離運(yùn)輸中，阻力的計(jì)算主要由基本阻力和傾斜阻力組成，而影響功率的參數(shù)則主要是輸送機(jī)的運(yùn)量以及輸送機(jī)運(yùn)行帶速。

目前，帶式輸送機(jī)的運(yùn)行主要以恒速運(yùn)行為主，運(yùn)行速度不能隨裝載量進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)設(shè)備空載或者輕載運(yùn)行的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)效率很低，浪費(fèi)大量電能。空載和輕載運(yùn)行的原因主要是由于生產(chǎn)不平衡所致。不同地區(qū)，受地質(zhì)賦存情況影響，產(chǎn)煤能力不同；同一地區(qū)，出煤量也不是永遠(yuǎn)保持一個(gè)定值，而是有一定的波動(dòng)。所以，如果能夠根據(jù)不同的裝載量自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送機(jī)帶速，就能在運(yùn)行過(guò)程中提高其做功效率，減少電耗的損耗。

2帶式輸送機(jī)節(jié)能技術(shù)研究

2.1輸送機(jī)運(yùn)量和帶速的關(guān)系研究

通過(guò)分析輸送機(jī)能耗問(wèn)題可知，影響功率的主要參數(shù)是運(yùn)量以及運(yùn)行帶速。運(yùn)量與帶速的關(guān)系見(jiàn)圖2，從圖2中可以看出，在相同帶速下，運(yùn)量越大則功率越大；在相同運(yùn)量下，帶速越高則功率越大。輸送機(jī)在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，通常是按照最大的運(yùn)量計(jì)算其安全速度，但是實(shí)際生產(chǎn)中，輸送機(jī)運(yùn)量不是一直保持在最大值上，這就造成了功率的增加和電能的損耗。如果能夠根據(jù)運(yùn)量的大小，及時(shí)調(diào)整帶速的快慢，這樣既提高了輸送機(jī)的效率，也達(dá)到了節(jié)能的目的。

圖2　 輸送機(jī)容量、帶速及功率之間的關(guān)系示意圖

2.2運(yùn)用模糊控制理論調(diào)節(jié)帶速與運(yùn)量

模糊控制理論的本質(zhì)是運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)表示邏輯關(guān)系的一種控制系統(tǒng)，但是其數(shù)學(xué)模型和變成語(yǔ)言是模糊的邏輯關(guān)系而不是具體的規(guī)則。

通過(guò)分析可知，要降低輸送機(jī)能耗，根據(jù)運(yùn)量大小調(diào)節(jié)帶速是關(guān)鍵。因此，利用模糊理論，可以建立運(yùn)量、帶速和帶速變化率與輸出功率之間的模糊關(guān)系，將這個(gè)三輸入一輸出的結(jié)構(gòu)作為模糊控制器，其基本邏輯規(guī)則就是運(yùn)量與帶速之間的關(guān)系式。

模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)計(jì)算機(jī)程序完成的，在實(shí)際中一般是利用PLC進(jìn)行程序的編寫(xiě)和控制。通過(guò)在PLC中存放模糊控制器的邏輯表，利用外部的傳感器采集數(shù)據(jù)的變化，再調(diào)用PLC中的邏輯表就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的調(diào)節(jié)。

2.3節(jié)能控制方案

根據(jù)前面的分析，利用模糊系統(tǒng)和PLC設(shè)計(jì)節(jié)能調(diào)節(jié)裝置。通過(guò)測(cè)量輸送機(jī)裝載量、煤倉(cāng)煤量以及目前輸送機(jī)的運(yùn)行速度，對(duì)輸出速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)可以提前設(shè)定煤倉(cāng)容量的合理范圍，在合理范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)運(yùn)量進(jìn)行速度的調(diào)整；超出合理容量時(shí)，要減少產(chǎn)煤量；不足合理容量范圍時(shí)，要對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行停機(jī)。

整個(gè)系統(tǒng)可由檢測(cè)部分、控制部分和驅(qū)動(dòng)部分組成。其中，檢測(cè)部分主要是檢測(cè)輸送機(jī)上煤流的厚度、輸送機(jī)實(shí)時(shí)速度；控制部分則是利用PLC將輸入轉(zhuǎn)化為模擬量，之后輸出隨裝載量變化而變化的速度；檢測(cè)部分主要是變頻器和通風(fēng)機(jī)，變頻器用來(lái)調(diào)節(jié)速度，通風(fēng)機(jī)用來(lái)散熱。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖3.

圖3　節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.4系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

軟件流程按照控制方案進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，首先檢測(cè)煤倉(cāng)容量，如果煤倉(cāng)超限或者不足則需要減少產(chǎn)量或者停機(jī)處理。如果煤倉(cāng)容量合理，則進(jìn)行裝載量和帶速的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)判斷采集數(shù)據(jù)是否合理來(lái)進(jìn)行輸出帶速的計(jì)算。系統(tǒng)軟件流程圖見(jiàn)圖4.

3節(jié)能效果理論分析

采用節(jié)能措施以后，節(jié)能效果應(yīng)該是指原系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)功率與新系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)功率之差，即輸送機(jī)恒速運(yùn)行下的電動(dòng)機(jī)功率與輸送機(jī)帶速調(diào)節(jié)后的電動(dòng)機(jī)功率之差。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，電動(dòng)機(jī)軸所需功率為：

圖4　節(jié)能系統(tǒng)軟件程序流程圖

(1)

式中：

λ1=K1K2CωLg(q＇+q＂+2q0cosβ)·v

λ2=K1K2(CωLgcosβ+gH)

式中：

PM—電動(dòng)機(jī)功率；

K1—電動(dòng)機(jī)功率系數(shù)；

K2—啟動(dòng)方式系數(shù)；

C、ω—阻力系數(shù)；

β—輸送機(jī)傾角，(°)；

v—帶速，m/s；

q—運(yùn)量,t/h；

q＇—上托輥傳動(dòng)部分重量,kg/s；

q＂—下托輥傳動(dòng)部分重量,kg/s；

L—皮帶斜長(zhǎng),m；

H—高差,m；

q0—輸送帶重量,kg/m.

分析輸送機(jī)節(jié)能情況可根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算，由于采取節(jié)能措施后，輸送帶帶速是按照與裝載量成正比計(jì)算的。因此，計(jì)算按照空載、20%遞增負(fù)載和滿載進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

表1　采取節(jié)能措施前后功率計(jì)算表

假設(shè)輸送機(jī)每天運(yùn)行時(shí)間為22h，其中空載運(yùn)行3h，60%負(fù)載運(yùn)行7h，80%負(fù)載運(yùn)行5h，滿載運(yùn)行7h. 假設(shè)相關(guān)系數(shù)數(shù)值為：K1=1.3；K2=1；C=1.2；ω=0.02；β=10°；v=3m/s；q=1 000t/h；q＇=20kg/s；q＂=5kg/s；L=700m；H=2.5m；q0=60 kg/m.

由表1可以得出輸送機(jī)全天節(jié)能率為13.9%.

4總結(jié)

1) 本文從阻力方面分析了影響帶式輸送機(jī)輸出功率的主要因素，同時(shí)分析了帶速與裝載量之間的關(guān)系。

2) 分析并提出了輸送機(jī)節(jié)能方案，利用模糊控制理論和PLC控制技術(shù)，通過(guò)對(duì)裝載量的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)控制輸出帶速的目的。建立了節(jié)能方案結(jié)構(gòu)框圖和軟件流程圖。

3) 通過(guò)計(jì)算，對(duì)比了采用節(jié)能方案前后電動(dòng)機(jī)的輸出功率，根據(jù)假定的參數(shù)，節(jié)能率為13.9%，證明方案確實(shí)有一定的節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)

[1]程軍，李愈清，陸文濤.基于變頻調(diào)速的煤礦帶式輸送機(jī)節(jié)能控制方法[J].電氣傳動(dòng),2013,43(11)：61-64.

[2]陳一兵.煤礦帶式輸送機(jī)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電,2014(04)：112-114.

[3]肖衛(wèi)雄.煤礦帶式輸送機(jī)節(jié)能降耗控制系統(tǒng)的改造[J].煤礦機(jī)電, 2014(01)：104-116.

[4]何磊.煤礦帶式輸送機(jī)的電氣節(jié)能技術(shù)研究[D].西安科技大學(xué)：2010.

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Study on Control Method of Energy Saving and

Reducing Consumption of Belt Conveyor

HAO Xijun

AbstractBelt conveyors have a wide range of applications in the coal industry, but most of them are running at constant speed, result in low efficiency and waste a lot of energy. Analyzes the relationship between the speed and load, the energy saving program based on fuzzy control theory and PLC control technology is proposed.Through the acquisition of loading, achieve the purpose of controlling the output belt speed, and establish a structure diagram and software flow of energy-saving solutions. Finally, it is proved that after used energy-saving scheme energy saving rate is 13.9% based on the assumed parameters carry out calculating. So it has a certain energy saving effect.

Key wordsBelt conveyor; Energy saving; Belt speed; Transport volume; Fuzzy control theory; Programmable logic controller

作者簡(jiǎn)介：解志明(1973—)，男，山西臨汾人，2009年畢業(yè)于東北大學(xué)，工程師，主要從事煤礦技術(shù)管理工作 郝喜軍(1977—)，男，山西大同人，2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事煤礦機(jī)電管理工作 聶偉濤(1966—)，男，河北唐縣人，1990年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事礦井地質(zhì)工作

收稿日期：2015-02-23 2014-03-10 2014-03-10

中圖分類(lèi)號(hào)：TD63+4.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)04-0019-03