王純高, 杜小花

(中國葛洲壩集團第六工程有限公司, 云南昆明 650000)

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通用固定帶式輸送機功率計算及其系統(tǒng)時序控制的研究

王純高, 杜小花

(中國葛洲壩集團第六工程有限公司, 云南昆明 650000)

【摘要】功率計算及時序控制是帶式輸送機系統(tǒng)設(shè)計計算的兩個基本內(nèi)容。通過對通用固定帶式輸送機功率計算及其系統(tǒng)時序控制的闡述，介紹研究對象重要因素的計算方法和控制技術(shù)，以達到提高計算的準確性和實現(xiàn)功能的最優(yōu)化，起到了事半功倍的效果。

【關(guān)鍵詞】帶式輸送機；阻力；效率；功率；時序控制；順序啟動；逆序停止

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，有許多場合需要帶式輸送機，帶式輸送機在連續(xù)運輸機中占有很重的比例，它具有運行可靠、輸送量大、輸送距離長、維護簡便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于礦山、港口、化工、紡織、 印染、 造紙、冶金煤炭、機械電力、輕工、建材、糧食及交通運輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域，是不可缺少的運輸工具。

通用固定帶式輸送機由6個主要部件組成：傳動裝置、機尾和導(dǎo)回裝置、中部機架、拉緊裝置以及膠帶。輸送機的設(shè)計計算主要部件包括輸送帶、驅(qū)動裝置、托輥、滾筒、拉緊裝置、逆止器與制動器、帶式輸送機的輔助設(shè)備、帶式輸送機的機電保護裝置等。目前，膠帶輸送機正朝著長距離、高速度、低摩擦的方向發(fā)展，近年來出現(xiàn)的氣墊式膠帶輸送機就是其中的一個。

1通用固定帶式輸送機功率計算

對新裝帶式輸送機,或?qū)υ袔捷斔蜋C的加長或減短，往往需要重新計算校驗它的實際消耗功率與所選電機是否匹配。正常情況下輸送機是空載啟動，但在緊急事故(或系統(tǒng)突然失電)非正常停機情況下，其上會有物料，再次啟動時即可能為滿載啟動，停機過程的動態(tài)效應(yīng)有可能大于啟動過程，因此應(yīng)高度引起注意，啟動過程參數(shù)的確定應(yīng)以滿載啟動為準。煤炭行業(yè)標準MT 820—2006中3.18.1.3規(guī)定，整機全長實測滿載功率不大于額定值的105 %。

工作負荷和工作環(huán)境是正確選擇帶式輸送機電機功率的主要依據(jù)，模擬摩擦阻力系數(shù)的選取和效率計算是最主要的2個因素。輸送機功率選擇的步驟是首先根據(jù)托輥、膠帶和物料等運動部件所能產(chǎn)生的各種阻力，合理選擇帶式輸送機運行所需要的軸功率，然后結(jié)合機械傳動效率，計算驅(qū)動電機的軸功率，據(jù)此選擇與其額定功率匹配的電機。效率系數(shù)選擇不當,則使帶式輸送機功率計算結(jié)果與實際所需功率相差較大,將會造成設(shè)備配置上的不合理、能源的浪費和增加不必要的設(shè)備投資。隨著設(shè)計手段的不斷發(fā)展和技術(shù)的不斷進步,這個問題的存在與經(jīng)濟發(fā)展密切相關(guān),值得認真地分析研究。

帶式輸送機通常由原動機、傳動裝置和工作裝置3部分組成。傳動裝置用來傳遞原動機的運動和動力、變換其運動形式以滿足工作裝置的需要，是帶式輸送機的重要組成部分。傳動裝置的傳動方案是否合理將直接影響帶式輸送機的工作性能、重量和成本。滿足工作裝置的需要是擬定傳動方案的基本要求，同一種運動可以有幾種不同的傳動方案來實現(xiàn)，這就需要把幾種傳動方案的優(yōu)缺點加以分析比較，從而選擇出最符合實際情況的一種方案。合理的傳動方案除了滿足工作裝置的功能外，還要求結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉、傳動效率高和使用維護方便。所以擬定一個合理的傳動方案，除了應(yīng)綜合考慮工作裝置的載荷、運動及機器的其他要求外，還應(yīng)熟悉各種傳動機構(gòu)的特點，以便選擇一個合適的傳動機構(gòu)。眾所周知，帶式輸送機的傳動裝置大多由電動機、聯(lián)軸器、減速器、聯(lián)軸器、滾筒五部分組成，而減速器又由軸、軸承、齒輪、箱體四部分組成。

電動滾筒是一種將電機和減速器共同置于滾筒體內(nèi)部的新型驅(qū)動裝置。它主要應(yīng)用于固定式和移動式帶式輸送機、替代傳統(tǒng)的電動機，減速器在驅(qū)動滾筒之外的分離式驅(qū)動裝置。

盡管與一般減速機構(gòu)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、密封性好、安裝方便等優(yōu)點，但它的傳動工作原理仍源于如下傳動簡圖(圖1)。

圖1　帶式輸送機傳動工作原理

圖1中減速箱由軸、軸承、齒輪、箱體四部分組成。對輸入軸Ⅰ有軸承端蓋兩個，調(diào)整環(huán)一個，軸承一對，齒輪一個，聯(lián)軸器一個等基本零件。 對中間軸Ⅱ有軸承端蓋兩個，軸承一對，套筒兩個，齒輪兩個等基本零件。輸出軸Ш與輸入軸類似。

1.1輸送機受力

帶式輸送機運轉(zhuǎn)時，以傳動滾筒與輸送帶間的摩擦力傳遞能量，保證輸送機平穩(wěn)可靠運行，其傳動示意見圖2。

圖2　下運帶式輸送機傳動示意

一般的，傳動滾筒上所需圓周驅(qū)動力FU為所有阻力之和[1]，即：

FU=CFH+FS1+FS2+FST=FH+FN+FS1+FS2+FST

(1)

式中:FH為主要阻力(N)；FN為附加阻力(N)；FS1為特種主要阻力，托輥前傾摩擦阻力和導(dǎo)料槽摩擦阻力(N)；FS2為特種附加阻力，清掃器、卸料器和翻轉(zhuǎn)回程前輸送帶阻力(N)；FST為傾斜阻力(N)， FST=qGHg

五種阻力中， FH、 FN是所有輸送機都有的，其他三類阻力，根據(jù)輸送機側(cè)型及附件裝設(shè)情況定，由設(shè)計者選擇。

其中:FH= fLg[qRO+ qRU+ (2qB+ qG) cosδ ]

(2)

FST=qGHg=qGLsinδ

(3)

式中：f為模擬摩擦系數(shù)；L為輸送機長度；g為重力加速度；qRO為承載分支托輥組每米長度旋轉(zhuǎn)部分重量；qRU為回程分支托輥組每米長度旋轉(zhuǎn)部分重量。

δ為輸送機的傾角；其中sinδ項的符號:對于上運輸送機，傾斜向上時取正號；對于下運輸送機，傾斜阻力和物料的輸送方向一致，和其它阻力方向相反，傾斜向下時取負號。當δ較大時，且傾斜向下達到一定程度后，下滑力就會大于運行阻力，輸送處于發(fā)電狀態(tài)，極易出現(xiàn)“滾料”和“飛車”現(xiàn)象。

1.1.1傳動滾筒圓周力的簡易計算法計算

帶式輸送機功率計算主要有簡易計算法和逐點計算法兩種[2-3], 兩種方法各有優(yōu)缺點,簡易計算法對于短距離輸送機的計算不是十分準確,因為附加阻力包括：物料在裝卸段被加速的慣性阻力和摩擦阻力；物料在裝載段的導(dǎo)料擋板側(cè)壁的摩擦阻力；除驅(qū)動滾筒以外的滾筒軸承阻力；輸送帶在滾筒上繞行的彎曲阻力。對于長距離的帶式輸送機(機長大于 80 m) ，附加阻力明顯小于主要阻力，這時為簡化運行阻力的計算，出現(xiàn)了附加阻力系數(shù) “C” 。

即CFH= FH+FN。 因此由于簡易計算法忽略了各種附加阻力, 方法簡單 , 易于計算;雖然逐點法對于輸送機的各種計算都是比較準確的,但它相對來說計算量大,運算繁瑣。

(4)

p(kg)為傳動滾筒圓周力;CN為綜合系數(shù);f為運行阻力系數(shù);qt為每1 m托輥轉(zhuǎn)動部分重量(kg/m);qO為每米輸送帶重(kg/m);q為每米物料重(kg/m);L為輸送長度(m);β為輸送傾角;Q為輸送量(t/h);V為帶速(m/s)

其中:

f的取值與制造安裝情況、運行工況和工作條件相關(guān)聯(lián)，一般在0.012～0.03之間,通常取0.020作為運行輸送帶的基本數(shù)據(jù)進行計算。

當L為80～5 000 m的范圍時， 附加阻力系數(shù) “C” 值對應(yīng)的選取為1.92～1.03。

可見對于短帶式輸送機,由于其附加阻力占比大,尤其當L小于80 m時，F(xiàn)N≥FH，更不能采用簡化計算方法,否則只會使計算變得比長帶式輸送機更加復(fù)雜。

1.1.2機械傳動效率分析

在帶式輸送機的設(shè)計計算中,傳動鏈總效率應(yīng)包括電動機軸和傳動滾筒軸之間全部傳動環(huán)節(jié)的效率。效率的計算及其相關(guān)系數(shù)的選取又與帶式輸送機的驅(qū)動方式密切相關(guān)。帶式輸送機的驅(qū)動部分主要由電動機、減速機構(gòu)和傳動滾筒等組成。

機器通常由原動機、傳動裝置和工作裝置三部分組成。合理的傳動方案除了滿足工作裝置的功能外，還要求結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉、傳動效率高和使用維護方便。

在帶式輸送機的驅(qū)動功率計算中,效率的系數(shù)選取是否合適,直接影響到其計算結(jié)果是否符合實際。機械效率是有用功與總功比值的百分比，即η=(Wu)/(Wz)%；可以由有用功率Wu與總功率Wz之比算出。由于摩擦力的存在，所有機械的機械效率都小于1。機械傳動效率就是輸出功率除以輸入功率,都小于1, 1減去機械效率就是機械功率的損耗,機械傳動發(fā)熱就是由于功率損耗產(chǎn)生的。

由電動機至工作機(主動端)之間傳動裝置的總效率[4]：

(5)

式中： η1、η2、η3、η4分別是齒輪傳動、卷筒、軸承、聯(lián)軸器的效率。

1.2各軸的功率

電動機軸輸出功率Pr

軸1的輸入功率：P1=Pr·η4

軸2的輸入功率：P2=P1·η1·η3

軸3的輸入功率：P3=P2·η1·η3

卷筒軸的輸入功率：Pk=P3·η3·η4

輸送帶卷筒(工作機主動端)的輸入功率：Pk·η3·η2

1.3電動機容量

1.3.1電動機容量計算方法一

(1)傳動滾筒(工作機主動端)工作所需功率[4]：

(6)

式中:F為輸送帶拉力(N)，V為輸送帶速度(m/s)， ηW為工作機(輸送帶)的效率。

(2)電動機的功率：

式中:η為電動機至工作機(主動端)之間的總傳動效率。

所以

Pd= F ×V/ (1000η·ηW)kW

(7)

(3)由于電動機一般為長期連續(xù)運轉(zhuǎn)，因此確定電動機功率的原則是電動機的額定功率Pw≥Pd，這樣電動機在工作時就不會發(fā)熱。根據(jù)Pd選取電動機的額定功率Pw使 Pw=(1～1.3) Pd。

1.3.2電動機容量計算方法二[3]

(1)傳動滾筒軸功率的計算

NO=P*V/102kW

式中:P為輸送帶拉力(kg)，V為輸送帶速度(m/s)，

1kgm=9.8Nm, 1Nm=0.102kgm。

(2) 電機功率的確定

(8)

式中:η為總傳動效率。

在以上兩種電機功率計算方法中，方法一中的式(7)與方法二中的式(8)根本差別在于式(7)中涉及到了工作機(輸送帶)本身的效率ηW。

1.3.3輸送帶效率因素分析

輸送機工作的主要部件就是輸送帶，輸送帶的效率直接影響到輸送機生產(chǎn)工作的效率。影響輸送帶工作效率的因素很多，從主、客觀兩方面來分析，主要概括為如下4個方面：

(1)推廣應(yīng)用新技術(shù)、新材料、新工藝；合理選用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,充分了解輸送帶性能。

(2)加強業(yè)務(wù)培訓(xùn)，提高專業(yè)技能；正確掌握使用方法，嚴格遵守輸送帶安全操作規(guī)程。

(3)協(xié)調(diào)安全與生產(chǎn)的關(guān)系；避免盲目追求生產(chǎn)率，避開輸送帶的疲憊期。

(4)正確使用，加強保養(yǎng)；出現(xiàn)故障及時處理，保證輸送帶正常運轉(zhuǎn)。

綜上所述，安全的操作和正確的保養(yǎng)是影響輸送帶效率因素的關(guān)鍵所在?？梢娸斔蛶师荳在功率計算式中的重要性。

1.4帶式輸送機空載功率

皮帶輸送機安裝后，需要進行空轉(zhuǎn)試機。在空轉(zhuǎn)試機中，要注意輸送帶運行中有無跑偏現(xiàn)象、驅(qū)動部分的運轉(zhuǎn)溫度、托輥運轉(zhuǎn)中的活動情況、清掃裝置和導(dǎo)料板與輸送帶表面的接觸嚴密程度等，同時要進行必要的調(diào)整，各部件都正常后才可以進行帶負載運轉(zhuǎn)試機。因此帶式輸送機空載功率是鑒定制造、安裝質(zhì)量的重要指標。帶式輸送機空載功率理論計算值在某種程度上可以反映整機的性能，直接關(guān)系到測量結(jié)果的判定。

2通用固定帶式輸送機時序控制

在采用直線傳送的單皮帶輸送機無法滿足輸送路程遠，路徑變化大時，為方便系統(tǒng)的靈活組合,故采用多條皮帶輸送機系統(tǒng)[5]。每條帶式輸送機都是1臺單獨的電氣設(shè)備，對于整個系統(tǒng)的連續(xù)運行，則需要協(xié)調(diào)好各條帶式輸送機之間運行的先后順序。以兩條連續(xù)運行的帶式輸送機為例，如圖3所示。工作過程的時序控制，一般要求滿足3個條件：

(1)順序啟動。為避免貨物在帶上堆積，即先啟動1號，再緊接著啟動2號；

(2)逆序停止。為保證停車后帶上不殘存貨物，即先停車2號，緊接著停車1號；

(3)緊急停車。為避免繼續(xù)進料，當1號出現(xiàn)故障停車時，2號能隨即停車。

兩條帶式輸送機構(gòu)成的系統(tǒng)示意見圖3。電動機M1、M2分別拖動1號、2號傳送帶。

圖3　兩條帶式輸送機連續(xù)運行系統(tǒng)示意

2.1兩臺電動機按順序啟動逆序停止的電路

多機拖動使電氣控制線路進一步復(fù)雜化，多機拖動系統(tǒng)中按各電動機所起的作用又組合一個有機體，存在著千絲萬縷的關(guān)系。如何統(tǒng)籌合理地控制這些電動機,保證操作過程的合理性、工作的安全可靠和符合加工工藝要求,以兩臺電動機按順序啟動逆序停止電路圖為例，來探究分析電動機順序控制方案[6]，盡管由于可編程序控制器(PLC)的出現(xiàn)，它拋棄了傳統(tǒng)的計算機編程語言和表達形式，以計算機軟件技術(shù)構(gòu)成人們習(xí)慣的繼電器模型，進而得到以繼電器電路梯形圖為基礎(chǔ)的形象匯編語言和模塊化軟件[7]。

兩皮帶物料輸送系統(tǒng)有驅(qū)動電動機2臺(M1和M2)，其控制主回路分別由交流接觸器KM1、KM2組成。

2.2兩條帶式輸送機順序啟動逆序停止控制電路

兩條帶式輸送機按順序啟動逆序停止控制電路見圖4(實線部分)。

圖4　兩條電動機按順序啟動、逆序停止控制電路

按下SB2起動按鈕,接觸器KM1得電吸合并自鎖，其主觸點閉合，第一臺電動機M1啟動運轉(zhuǎn)。由于KM1的常開輔助觸點作為KM2得電的先決條件串聯(lián)在KM2線圈電路，所以只有在M1啟動后M2才能啟動，實現(xiàn)了按順序啟動。

需要停車時，如果先按下第一臺電動機M1的停止按鈕SB1，由于在SB1停止按鈕兩端并聯(lián)一個接觸器KM2的常開輔助觸點作為KM1失電的先決條件，所以M1不能停止運轉(zhuǎn)，只有只有先使接觸器KM2線圈失電，在按下第二臺電動機M2的停止按鈕SB3后，接觸器KM2失電釋放，M2停止運轉(zhuǎn)，同時KM2常開輔助觸頭斷開，然后才能按下SB1，達到斷開接觸器KM1線圈電源的目的，使第一臺電動機M1才能停止運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)按逆序依次停止。

這種順序控制線路的特點是：使兩臺電動機依次順序起動，而逆序停止。

眾所周知,傳統(tǒng)的兩條帶式輸送機控制電路共使用了4個按鈕來進行控制。常用的按鈕絕大多數(shù)是既有常開觸點又有常閉觸點的。如果將按鈕的常閉觸點和常開觸點都盡量利用起來，把圖3中按鈕SB3的常閉觸點用按鈕SB2的常閉觸點進行取代，也就是SB2與SB3合用一個按鈕，實線圖添加虛線后成為優(yōu)化圖，這樣可節(jié)省按鈕一個，同時仍能滿足原設(shè)計要求。其關(guān)鍵是利用了按鈕按下時常閉觸點先分斷、常開觸點后閉合的特點。

若對3條帶式運輸機的控制電路進行類似優(yōu)化，可比原電路圖中的6個按鈕節(jié)省3個，優(yōu)化后的控制電路仍然滿足3個控制要求，更具有較強的經(jīng)濟實用性。

2.3兩條帶式輸送機順序啟動、逆序停止延時控制電路圖

兩條帶式輸送機順序啟動、逆序停止延時控制電路見圖5。

圖5　兩條帶式輸送機順序啟動、逆序停止延時控制電路

按下SB2起動按鈕，接觸器KM1得電吸合并自鎖，其主觸點閉合，第一臺電動機M1起動運轉(zhuǎn)，同時KT1上電，由于KT1的延時閉合觸點作為KM2得電的先決條件串聯(lián)在KM2線圈電路，因此只有在M1啟動后并經(jīng)延時第二臺電動機M2才能相繼啟動運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了按順序啟動。

按下SB3停止按鈕，第二臺電動機M2停止運行，經(jīng)KT2延時后，第一臺電動機M1停止運行，實現(xiàn)按逆序依次停止。

當出現(xiàn)故障時，只需按下SB1緊急停止按鈕，兩臺電動機均立即停止運行。

3結(jié)論

帶式輸送機是連續(xù)輸送機中使用最廣泛、結(jié)構(gòu)最典型的一種型式。帶式輸送機的需用功率是一個十分重要的參數(shù)，在設(shè)計帶式輸送機和選型時，必須準確知道系統(tǒng)所需功率，才能做到既不浪費能量又能滿足工作要求。目前確定帶式輸送機的電機功率計算有若干方法，文中采用功率的簡易計算方法，是由于簡易計算公式的參數(shù)都是客觀數(shù)據(jù)，省卻了許多查參數(shù)的麻煩，能有效地避免人為因素的影響。電動滾筒作為一種新型驅(qū)動裝置，與一般減速機構(gòu)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、耗能少、噪聲低、使用壽命長、運行平穩(wěn)、工作可靠、密封性好、占據(jù)空間小、安裝維護方便等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于各個生產(chǎn)領(lǐng)域。

電氣原理圖是指為了表達生產(chǎn)機械電氣控制系統(tǒng)的組成及工作原理，對機電控制設(shè)備故障的分析、判斷過程中，必須具有較強的識圖本領(lǐng)，傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)是通過各種硬件繼電器之間接線來實施，控制功能相對固定，當要修改控制功能時，必修重新接線。繼電接觸器控制電路工作時，電路中硬件繼電器以并行的工作方式總是處于受控狀態(tài)。因此對于電氣原理圖的分析應(yīng)重點放在設(shè)計思路、分析順序、所用方法上，從而掌握關(guān)鍵。比如，在圖4中KM1的常開輔助觸點是實現(xiàn)順序起動控制的關(guān)鍵，而KM2的常開輔助觸點是實現(xiàn)逆序停止控制的關(guān)鍵。可編程控制器(PLC)是一種以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置。它將傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)與計算機技術(shù)結(jié)合在一起，具有高可靠性、靈活通用、易于編程、使用方便等特點，因此近年來在工業(yè)自動控制、機電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到普遍應(yīng)用[8]。PLC控制電路由軟件編程以串行的工作方式來實施，可以靈活變化和在線修改。

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[作者簡介]王純高(1959～)，男，本科，教授級高級工程師，一級注冊建造師，研究方向為電力拖動與控制。

【中圖分類號】TH222； TD528； TM306

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-04-05