張保安

（陽泉煤業(yè)（集團）有限責(zé)任公司奧倫膠帶分公司， 山西 陽泉 045000）

引言

膠帶輸送機是有電機驅(qū)動然后由輸送帶來進行貨物運輸?shù)脑O(shè)備，常見于運輸糧食，沙子等物資。膠帶輸送機的運輸有長距離和短距離之分，其中長距離運輸機的驅(qū)動系統(tǒng)多采用變頻調(diào)速系統(tǒng)。這一系統(tǒng)由變頻裝置和控制系統(tǒng)組成，主要應(yīng)用于輸送機的調(diào)速驅(qū)動過程[1]。采用這一變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸送機，無論其載荷大小，都能夠準(zhǔn)確的控制膠帶輸送機的啟動和停止，使這一過程處于動態(tài)功率平衡的狀態(tài)，并且這一系統(tǒng)的應(yīng)用對于系統(tǒng)整體性能和可靠性的提高都具有十分重要的意義[2]。

1 膠帶輸送機特性分析

1.1 膠帶機輸送機張力特性

膠帶輸送機的組成元素很多，其中主要有運輸帶，發(fā)電機，驅(qū)動裝置和保護裝置。其他部件如減速機，張緊裝置等也必不可少。不同用途的膠帶輸送機的組成元素也不盡相同，例如用于運輸煤的膠帶輸送機還配有給料機、料庫、和收塵器等部件。

根據(jù)膠帶輸送機組成元素的屬性來判斷，膠帶輸送機在工作的過程中會出現(xiàn)啟動加速和停止減速的運動狀況，其運動力學(xué)特征體現(xiàn)在橫向振動、縱向振動以及張力波的疊加，但這些特征往往會造成運輸系統(tǒng)的可靠性降低，嚴(yán)重時會導(dǎo)致運輸帶斷開，配料損失和跳帶。一旦出現(xiàn)這些現(xiàn)象，就會給企業(yè)造成巨大的損失，由此可見，阻礙張力波的擴散與堆疊，增加運輸系統(tǒng)的可靠性對企業(yè)的安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。要想防止跳帶和輸送帶斷裂等現(xiàn)象的發(fā)生，就必須要對輸送機的動態(tài)運輸過程進行嚴(yán)格的監(jiān)督與控制，這不僅能夠延長膠帶輸送機的工作壽命，而且能夠大大削弱輸送機運輸過程中的不安全因素，在一定程度上為企業(yè)節(jié)約了成本，增加了收益。

由此可見，驅(qū)動設(shè)備在整個膠帶輸送機的系統(tǒng)中占有十分重要的地位，甚至能夠影響到整個輸送機的性能，因此在驅(qū)動設(shè)備的選擇上一定要慎重，在已有的輸送機中，驅(qū)動設(shè)備常見的有調(diào)速型液力耦合器，但是這一驅(qū)動設(shè)備存在許多缺點，不僅工作效率低，消耗電能大，而且在出現(xiàn)故障時維修起來也十分復(fù)雜。最嚴(yán)重的一點是由于啟動速度過快，運輸帶的可靠性和穩(wěn)定性都極低，對輸送帶的穩(wěn)定安全運輸造成威脅。

1.2 膠帶輸送機負載特性與機械特性

膠帶輸送機受到多種阻力，在進行阻力矩計算時就顯得尤為困難，針對這一難題，現(xiàn)有的解決方案是將阻力矩看為一個整體，即電動機上的恒力矩負載。并且將膠帶輸送機上受到的各種阻力進行分段計算，首先啟動力矩即為我們想要計算的靜態(tài)阻力矩TL，計算公式如下：

膠帶輸送機機械運動方程為：

式中：Tlq為最大負載力矩；n1為額定負載轉(zhuǎn)速；Tlc為額定負載力矩；TD為輸出電磁轉(zhuǎn)矩；GD2為電機飛輪轉(zhuǎn)矩與換算到電機軸上的負載飛輪轉(zhuǎn)矩之和。

電動機運動狀態(tài)的判斷條件：△T=TD-TL＞0，且d n/d t＞0， 則 為 電 動 機 加 速 ；△T=TD-TL＜0，且d n/d t＜0，則為電動機減速。

膠帶輸送機的初始起動條件為:膠帶輸送機的各種驅(qū)動系統(tǒng)的力矩之和比啟動力矩大時，膠帶運輸機啟動，即△T=TD-TLq＞0。

1.3 優(yōu)化的速度及加速度驅(qū)動模型

在進行驅(qū)動模型的速度優(yōu)化時，運輸帶的變形及震蕩可以忽略不計，那么我們可以認為運輸帶的速度與電動機的轉(zhuǎn)速成正比，即n=kv，下面將這一公式帶入速度優(yōu)化模型進行計算。在膠帶輸送機運輸?shù)膯与A段，由于運輸帶的張力特性，會導(dǎo)致運輸帶震蕩或者跳帶。針對這一現(xiàn)象，相關(guān)人員提出了在輸送系統(tǒng)中增加低速預(yù)張緊的步驟，這一方案能夠使張力均勻后輸送帶再繼續(xù)按優(yōu)化的模型進行運動，對于驅(qū)動器獲得良好的低速性能具有十分重要的影響。

優(yōu)化曲線速度模型公式如下:

則加速度a=d v/d t曲線模型可以表示為:

式中：T為啟動周期。

圖2為優(yōu)化“S”的曲線模型中速度、加速度隨時間的變化曲線。如圖所示曲線①代表速度隨時間的變化情況，曲線②代表加速度隨時間的變化情況。

圖2 為優(yōu)化“S”，曲線的速度、加速度模型

優(yōu)化后的模型可以用于長距離膠帶輸送機，由圖2可知，由于啟動時間較長，為了滿足其性能要求，調(diào)速驅(qū)動的方式應(yīng)選擇性能較高的。在運輸帶運輸過程的監(jiān)督和控制方面，可以采用速度閉環(huán)矢量的控制方法，這不僅能夠使其擁有良好的低速性能，同時還能優(yōu)化速度模型，使運輸帶的輸送處于速度和功率的動態(tài)平衡狀態(tài)。

2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 多臺電機驅(qū)動皮帶傳動方案

本系統(tǒng)由變頻裝置和控制系統(tǒng)組成，主要應(yīng)用于輸送機的調(diào)速驅(qū)動過程。采用這一變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸送機，無論其載荷大小，都能夠準(zhǔn)確的控制膠帶輸送機的啟動和停止，使這一過程處于動態(tài)功率平衡的狀態(tài)，并且這一系統(tǒng)的應(yīng)用對于系統(tǒng)整體性能和可靠性的提高都具有十分重要的意義。

2.2 主從驅(qū)動方案

主從傳動最大的區(qū)別在于其控制方法不同，這一方案是將系統(tǒng)中的一臺驅(qū)動為主傳動，剩余都作為從傳動控制，并且PLC和各驅(qū)動利用PROFiBUS-DP來進行信息的交流，組成一個多電機驅(qū)動皮帶的系統(tǒng)。

2.3 降低電網(wǎng)諧波含量

電網(wǎng)諧波含量的降低對于長距離膠帶輸送機的性能優(yōu)化也具有十分重要的意義，目前主要通過調(diào)整變頻器的脈動配置以及進線變壓器的接線方式來降低電網(wǎng)的諧波含量。

2.4 PLC控制實現(xiàn)

主從控制器PLC所給定優(yōu)化后的曲線啟動模型是變頻器接收的速度信號，電機軸編碼器發(fā)出的脈沖信號則是變頻器接收的速度信號后給出的反饋，運輸帶的速度沿著給定的曲線模型隨時間而變化，同時主從傳動之間進行轉(zhuǎn)矩控制信號的傳遞來使電流和功率處于平衡狀態(tài)，膠帶輸送機的停車過程就應(yīng)用了這一原理，當(dāng)卸料完成后，控制器發(fā)出停車指令，變頻器隨之發(fā)出脈沖信號作為速度信號的反饋，隨著時間的變化，膠帶運輸機抱閘，停止運行。同時變頻器的信號值由人工控制輸入，這一功能大大便利了人們對于膠帶運輸機的監(jiān)督與控制。

2.5 通訊及監(jiān)控信號接口

為了更好的控制膠帶運輸機的輸送系統(tǒng)，將現(xiàn)場總線作為PLC和變頻器的通訊接口，在進行運輸過程數(shù)據(jù)控制的同時，還可以利用控制參數(shù)等方法來監(jiān)督和控制膠帶運輸機的輸送系統(tǒng)。

1）從控制器到變頻器的給定信號如表1所示。

表1 從控制器到變頻器的給定信號

2）從變頻器到控制器的信號如表2所示。

表2 從變頻器到控制器的信號

3 項目運行

將上文的研究結(jié)果應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中，安裝變頻器后，大大增加了膠帶運輸機的可靠性與安全性，降低了啟動電流，膠帶運輸機發(fā)生故障后維修難度降低。將實際安裝了變頻器的運輸系統(tǒng)進行功率核算，數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化后的膠帶運輸機的輸送系統(tǒng)每年近似節(jié)省了1.5萬kWh的電能，節(jié)能效果十分明顯。

4 結(jié)論

長距離的膠帶運輸機在啟動要求的性能較高，為了更好的進行膠帶運輸機的監(jiān)督與控制，在了解膠帶機輸送機負載特性與機械特性的同時，要建立速度和加速度的優(yōu)化模型，減少電網(wǎng)諧波的含量，實現(xiàn)PLC的控制，同時為了保持速度和功率的動態(tài)平衡，高精度的變頻調(diào)速裝置必不可少，這一裝置能夠?qū)⑥D(zhuǎn)矩電流與勵磁電流分割開來進行控制，并最大程度的節(jié)約電能，同時建立多電機傳動的方案，將這些措施應(yīng)用到實際中，必定能夠大幅優(yōu)化膠帶運輸機的性能。