周啟

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

大型帶式輸送機的起動與制動分析

周啟

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

對大型帶式輸送機的起動和制動進行了分析，提出了幾種可用于帶式輸送機的可控驅(qū)動裝置并分析了各自的特點，為大型帶式輸送機可控驅(qū)動裝置的選用提供了理論依據(jù)。

帶式輸送機；起動；制動；驅(qū)動裝置

1 大型帶式輸送機的現(xiàn)狀及存在的問題

大型帶式輸送機是指長距離、大運量、高帶速、總裝機功率達數(shù)百至上千千瓦的帶式輸送機。隨著我國工業(yè)的發(fā)展，這種大型帶式輸送機愈來愈多。對于這種大型帶式輸送機，采用靜態(tài)設計的基礎上乘以一個動負荷系數(shù)的方法進行設計，不能清楚地分析輸送帶在起動和制動過程中的瞬時變化。由于輸送帶是一粘彈性體，在起動和制動停車階段，輸送帶的各點在不同時刻的瞬時速度及應力都在變化，在遇到共振條件的部位還會產(chǎn)生共振，不僅使輸送帶的應力增大，還加速了托輥的損壞。因此，設計大型帶式輸送機，需要進行動態(tài)分析，才能設計出既安全可靠、又造價低的產(chǎn)品，我國目前雖然對帶式輸送機的動態(tài)分析和設計有了一定的研究，但是與國外相比還有相當長的距離要走。

2 大型帶式輸送機的起動和制動分析

大型帶式輸送機在起動階段[1-2]，驅(qū)動裝置將對輸送帶施加牽引力和慣性力，由于輸送帶的粘彈性特性[3]，使得這些作用力在輸送帶內(nèi)以一定的波速傳播和疊加，加上其他因素的影響，輸送帶內(nèi)產(chǎn)生復雜多變的應力變化，若其瞬時峰值應力超過允許值，輸送帶將被損傷甚至破壞。設計應該是經(jīng)動態(tài)分析找出使輸送帶瞬時峰值應力最小的加速度參數(shù)或加速特性曲線，按這個加速特性起動，能使輸送帶平穩(wěn)起動和運行。然后選用能具有使輸送帶按給定的加速特性加速的驅(qū)動裝置，以使設計工況得到保證。

大型帶式輸送機的減速停車過程，由制動力和慣性力以及其他因素的作用，輸送帶內(nèi)也會出現(xiàn)復雜的應力變化，有時甚至比起動階段更劇烈，因此也應該經(jīng)動態(tài)分析找出使輸送帶的瞬時峰值應力最小的減速參數(shù)或減速特性曲線，確定采取的減速方式，是靠驅(qū)動裝置減速，還是斷電自由停車，還是需要制動減速，甚至在有的條件下需要在驅(qū)動裝置上加裝貯能飛輪，以延長減速時間，獲得需要的減速度。然后選用輸送帶能按給定的減速特性減速的制動系統(tǒng)，以保證輸送帶能安全平穩(wěn)停車。因此，對于大型帶式輸送機應采用帶有響應速度快、控制精度高且能隨負載變化而自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的可控起動和制動裝置，這樣可使實際的加、減速度能與給定特性保持不變。

雖然采用可控起動和制動裝置會增加帶式輸送機的造價，但如果經(jīng)過動態(tài)分析找出適當?shù)募?、減速特性，降低了動負荷，從而可以減小所用輸送帶的強度等級，降低了輸送帶的費用，整機的總造價不一定會提高；采用可控軟起動裝置能降低電動機電流對電網(wǎng)的沖擊，有利于電網(wǎng)的安全運行；另外，采用可控起動和制動裝置減小了動負荷，提高了整機運行的安全可靠性、延長了零部件的使用壽命、減少了因事故停車造成的減產(chǎn)損失，提高了整體效益。

帶式輸送機采用可控的起動和制動裝置，要綜合考慮設備使用的地點、重要程度、電網(wǎng)容量，選用可控起動和制動裝置的可靠度等因素進行分析來確定。從技術(shù)上講，較大的帶式輸送機應該采用有可控性能的驅(qū)動裝置。

值得明確的是，軟起動與可控起動不是等同的。用鼠籠式感應電動機配限矩型液力偶合器是軟起動，因為它能改善電動機的起動工況，對恒力矩負載，它能使電動機輕載起動，跟用電動機與負載直聯(lián)相比，能減輕沖擊，有緩沖作用，對負載有“軟”的起動作用，但不能控制起動特性。因為限矩型液力耦合器是固定溶液量，即使有前、后輔助室，也只能起改善對負載的起動性能，而不能按給定的加速特性起動負載。可控起動是指能按給定的加速特性起動負載，并能人工任意調(diào)節(jié)其起動特性。具有可控起動性能的驅(qū)動裝置才能算是可控驅(qū)動裝置。

3 可用于帶式輸送機的可控驅(qū)動裝置

隨著工業(yè)化進程的發(fā)展，可控起動技術(shù)在不斷發(fā)展，各種可控起動裝置的控制性能、適用條件及工作的可靠度各不相同，應綜合各種因素考慮選用，對于對大型帶式輸送機的驅(qū)動裝置應考慮以下要求：①能實現(xiàn)對負載按給定的加、減速度特性進行起動和制動控制，且負載變化不會對輸送帶的起、制動特性產(chǎn)生影響，遇到動力供電中斷也能實現(xiàn)按給定的減速特性停車；②電動機起動對電網(wǎng)的沖擊小，能使電動機無載起動；③總傳到效率高，維護費用低；④多電機驅(qū)動時，能使各電機的負荷分配均勻，并能自動調(diào)整；⑤可實現(xiàn)長時間慢速運行，供試車、驗帶及在高寒地區(qū)非生產(chǎn)時間內(nèi)無載空轉(zhuǎn)以防凍；⑥起動和穩(wěn)定運行階段有可靠的過渡保護能力。

3.1 直流電動機

直流電動機用作帶式輸送機的驅(qū)動，有2種方式：①低速直流電動機直接與驅(qū)動滾筒聯(lián)接；②用高速直流電動機經(jīng)齒輪減速器與驅(qū)動滾筒聯(lián)接。直流電動機需要配備相應容量的直流電源設備，它有較好的調(diào)速性能，但造價較高。此外，因它有電刷和整流子，運行中的維護量較大。

3.2 變頻調(diào)速

變頻調(diào)速是通過改變定子的供電頻率，以改變電動機的同步轉(zhuǎn)速實現(xiàn)調(diào)速。鼠籠式電動機變頻調(diào)速，具有效率高、調(diào)速范圍寬和精度高的調(diào)速性能，是異步電動機較理想的調(diào)速方法。目前有許多變頻調(diào)速系統(tǒng)，分為2種：間接變頻調(diào)速系統(tǒng)（交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)）及直接變頻調(diào)速系統(tǒng)（交一交變頻調(diào)速系統(tǒng)）。

間接變頻調(diào)速系統(tǒng)是先將電網(wǎng)中的交流電整成直流電，再通過逆變器將直流電逆變?yōu)轭l率和電壓可調(diào)的交流電供電動機。

直接變頻調(diào)速系統(tǒng)是不經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)，將恒頻率的交流電直接變換成頻率和電壓可調(diào)的交流電供電動機，其效率比間接變頻調(diào)速系統(tǒng)高[4]。

變頻調(diào)速中在改變頻率的同時還需要改變其電壓，由異步電動機的電勢公式知：外加電壓近似與頻率和磁通的乘積成正比，即u∝E=cfΦ，因此有Φ∝E/f≈u/f，若外加電壓u不變，則磁通Φ將隨頻率f改變而變化。電機在設計中，為充分利用鐵芯材料，都把磁通的數(shù)值選在接近飽和數(shù)值上。調(diào)頻調(diào)速時，頻率從額定值往下降低，若不相應地調(diào)低其電壓，磁通就增加，將造成磁路過飽和，勵磁電流增加，鐵芯過熱，這是不允許的[5]。

變頻調(diào)速需要相應解決電氣上帶來的一系列問題，在幾種調(diào)速方式中價格也比較高，但自動化程度高、運行可靠和維護方便，因此，實際工程中采用變頻調(diào)速的方式較多。

3.3 鼠籠式感應電動機配調(diào)速型液力偶合器

調(diào)速型液力偶合器與限矩型液力偶合器的主要區(qū)別是它的充液量是可調(diào)的，依靠導管的位置伸縮改變工作腔內(nèi)的充油量，從而改變它所傳遞的轉(zhuǎn)矩，使負載得到調(diào)速。導管的伸縮由電動（或液控）執(zhí)行操作，配合輸出軸上的速度反饋構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)可實現(xiàn)自動控制。電動機起動時，工作腔內(nèi)不充油，使電機無載起動，電機無載起動達到穩(wěn)定工作區(qū)后，按給定要求使導管動作、向工作腔內(nèi)充液，對負載實行可控起動，多電機驅(qū)動時，依靠導管的調(diào)節(jié)可使各電動機的功率平衡[6]。

調(diào)速型液力偶合器的調(diào)速特性最適合于風機、水泵類的負載，因為這類機械運行多需的轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，而液力偶合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩為M=λrn2D5，其轉(zhuǎn)矩M也與轉(zhuǎn)速n2成正比。調(diào)速型液力偶合器起動負載時，充液量由零逐漸增加，因其力矩系數(shù)λ也是隨充液量的增加而非線性加大的，從而對于帶式輸送機這一類恒轉(zhuǎn)矩負載的機械，在起動的低速階段就難以得到穩(wěn)的定速度增長。又據(jù)液力轉(zhuǎn)動理論，因其工作腔內(nèi)的環(huán)流改道使調(diào)速型液力偶合器存在一個工作不穩(wěn)定區(qū)域。據(jù)生產(chǎn)廠提供的資料表明，在低速時因出力不足，對恒轉(zhuǎn)矩負載，不能帶動工作機正常穩(wěn)定運行。

通過以上分析可知，調(diào)速型液力偶合器，用于大型帶式輸送機，由于它在低速階段不能提供穩(wěn)定平滑的加速度，會對輸送帶產(chǎn)生不確定的動態(tài)影響。由于液力傳動的非線性特性，因而它的控制特性也是不準確的。

調(diào)速型液力偶合器一個固有的缺點是效率低，在穩(wěn)定運行也要有3%的滑差損耗，另一個問題是可靠性較變頻調(diào)速低。

3.4 CST可控驅(qū)動系統(tǒng)

CST可控驅(qū)動系統(tǒng)是一個集減速、離合和調(diào)速于一體的傳動裝置。CST內(nèi)部有輸入部分、輸出部分和離合片組件3部分組成。平行軸結(jié)構(gòu)的輸入部分為一級或二級斜齒輪減速器，直交軸結(jié)構(gòu)的輸入部分為一對錐齒輪和一對斜齒輪，輸出部分由一個太陽輪與行星輪托架聯(lián)接的行星輪和齒圈組成。離合片組件由兩組相配合的離合片組成，靜止片與機殼連接，動片（和環(huán)齒輪）是自由旋轉(zhuǎn)的[7]。

電動機起動時，多片型離合器的液壓缸上不加壓，動、靜片之間有較大的間隙。輸入軸經(jīng)一級或二級齒輪減速后，帶動行星輪系的太陽輪旋轉(zhuǎn)，由于動、靜片之間的間隙大，動片的轉(zhuǎn)動不受阻，內(nèi)齒圈可自由旋轉(zhuǎn)，使得行星輪只能自轉(zhuǎn)，行星架和輸出軸不動，從而達到無載啟動的目的。當電動機達到其額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行后，通過環(huán)形液壓缸向離合器的動、靜片上加壓，改變動、靜片的間隙使離合器結(jié)合，帶動負載啟動[8]。

CST具有傳動效率低、需要強制的循環(huán)冷卻系統(tǒng)、對潤滑油的質(zhì)量要求高、維護困難，后期運行成本高等特點。

4 結(jié)論

大型帶式輸送機是生產(chǎn)中的關鍵設備，從它所負擔的生產(chǎn)任務、本身的投資及電能消耗等各方面都影響極大。因此，安全、可靠、經(jīng)濟運行是設計的關鍵所在。由于其機身長、運量大、帶速高，設計中有很多問題要考慮，其中，起動和制動問題是核心，在這個核心中，動態(tài)分析及驅(qū)動裝置的配備是最重要的。選用驅(qū)動裝置要綜合考慮許多方面的因素，其中可靠性高是有決定意義的，因為在關鍵部位上的設備，因設備故障停車造成的生產(chǎn)損失是巨大的。

［1］ 高潔，裴計田，谷明霞．大型帶式輸送機起動特性的分析及控制［J］．煤炭工程，2011（10）：101－106．

［2］ 李峰．帶式輸送機起動特性對輸送帶張力影響的研究［D］，太原：太原理工大學，2011．

［3］ 宋偉剛．散狀物料帶式輸送機設計［M］.沈陽：東北大學出版社，2000．

［4］ 張紹元．帶式輸送機驅(qū)動裝置的選擇［J］．煤礦設計，1996（9）：39－42．

［5］ 董家奔．變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展及其產(chǎn)品在鍋爐系統(tǒng)的應用［J］．科技信息，2011（17）：108．

［6］ 徐瑞銀，董和平．膠帶輸送機驅(qū)動系統(tǒng)的應用及分析［J］．中國礦業(yè)，2004（9）：81－82．

［7］ 高建華，張云娟．長距離帶式輸送機CST驅(qū)動控制技術(shù)［J］．科技創(chuàng)新導報，2012（8）：72．

［8］ 莊嚴．CST在帶式輸送機上的應用分析［J］．煤礦機械，2007（7）：164－166．

【責任編輯：陳 毓】

Analysis on starting and braking of large belt conveyor

ZHOU Qi
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

The article analyzes the starting and braking of large belt conveyor,and proposes several kinds of controllable driving devices for belt conveyor,which provides a theoretical reference for choosing the controllable driving device of large belt conveyer.

belt conveyor;starting;braking;driving device

TH222

A

1671－9816（2017）04－0061－03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.04.018

周啟.大型帶式輸送機的起動與制動分析［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（4）：61-63.

2016-12-01

周 啟（1978—），男，工學碩士，2007年畢業(yè)于東北大學工程力學專業(yè)，主要從事帶式輸送機方面的設計和研究工作。