郝永強(qiáng)

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司雙柳煤礦， 山西 呂梁 033300）

引言

刮板輸送機(jī)作為煤礦井下綜采面運(yùn)輸散料的機(jī)械設(shè)備，在確保井下煤炭運(yùn)輸，采煤機(jī)井下運(yùn)輸、液壓支架井下移動(dòng)方面具有重要作用[1]，其工作的可靠性和穩(wěn)定性直接決定了生產(chǎn)效率。刮板輸送機(jī)因特殊的工作用途，需要頻繁的重載啟動(dòng)，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制方式，不但啟動(dòng)困難，同時(shí)在啟動(dòng)時(shí)還需要消耗大量的電能，造成了極大的浪費(fèi)，因此如何優(yōu)化刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)便成了迫切需要解決的難題。

1 刮板輸送機(jī)的負(fù)載特性分析

刮板輸送機(jī)是依靠刮板鏈為工作機(jī)構(gòu)，以鏈傳動(dòng)的原理進(jìn)行工作的煤礦井下一種散料運(yùn)輸設(shè)備，其傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)鏈輪機(jī)構(gòu)等組成[2]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 刮板輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

刮板輸送機(jī)系統(tǒng)在開始工作時(shí)，電機(jī)通電運(yùn)轉(zhuǎn)，通過與電機(jī)相連接的液力耦合器、減速機(jī)構(gòu)、鏈輪機(jī)構(gòu)等，將動(dòng)力傳遞給鏈輪，然后由鏈輪運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)刮板鏈開始在刮板輸送機(jī)的滑動(dòng)槽內(nèi)連續(xù)不斷的運(yùn)動(dòng)，將鏈板上的煤炭等物料從輸送機(jī)的一端傳遞到另一端，在工作過程中，刮板輸送機(jī)系統(tǒng)的鏈輪承受著巨大的載荷，特別是在有負(fù)載沖擊和脈動(dòng)的環(huán)境下，將極大的損耗刮板輸送機(jī)的使用壽命。

刮板輸送機(jī)在工作過程中，落煤時(shí)間、落煤重量的不規(guī)則性，使輸送機(jī)在工作中處于無規(guī)律的滿載、空載、超載交替變化的工況中，要滿足其正常使用要求，就需要刮板輸送機(jī)具有大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，目前常用的刮板輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)的過載系數(shù)為2.5～2.8[3]。刮板輸送機(jī)在頻繁的、無規(guī)律的重載啟動(dòng)中將對(duì)輸送機(jī)造成斷鏈、零件磨損加劇、設(shè)備工作的可靠性降低、電機(jī)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)電流的沖擊大等，嚴(yán)重影響煤礦用電設(shè)備的安全運(yùn)行。

2 建立刮板輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型

為了對(duì)刮板輸送機(jī)在負(fù)載情況下的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，需要搭建刮板輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，以便進(jìn)行更深入和精細(xì)化的研究。由于刮板輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，其動(dòng)力學(xué)特性是非線性的，因此為了方便其動(dòng)力學(xué)模型的建立，做出以下假設(shè)[4]：

1）煤礦井下刮板輸送機(jī)刮板的質(zhì)量和傳動(dòng)鏈條的質(zhì)量是均勻的分散在輸送機(jī)的滑槽內(nèi)；

2）輸送機(jī)的滑槽剛度極大，在運(yùn)行中不會(huì)發(fā)生形變，其傳動(dòng)的鏈條有初張力，在運(yùn)行過程中只有縱向振動(dòng)，無橫向振動(dòng)；

3）傳動(dòng)鏈條具有均質(zhì)特性，在傳動(dòng)過程中的阻力均集中在滑槽中部，運(yùn)行阻力和運(yùn)行速度呈線性關(guān)系。

根據(jù)以上假設(shè)，同時(shí)忽略刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過程中的實(shí)際輸送線路彎曲的影響，建立起刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中的動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 刮板輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

其動(dòng)力學(xué)模型的力學(xué)分析如下[5]：

式中：M為質(zhì)量系數(shù)；C為阻尼系數(shù)；K為剛度系數(shù)；F（t）為作用于各單元上的質(zhì)量載荷；W為各有限單元質(zhì)量所受的阻力。

3 基于直接轉(zhuǎn)矩的輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)

直接轉(zhuǎn)矩控制就是將電機(jī)和逆變裝置作為一個(gè)整體，在工作時(shí)以三相正弦電壓驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)工作，在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生具有恒定轉(zhuǎn)速和幅值的磁通量，電機(jī)在定子磁鏈的影響下進(jìn)行工作，但輸入電壓的特性又控制著定子磁鏈的特性，進(jìn)而影響電機(jī)的運(yùn)行特性，因此若要確保輸送機(jī)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，就需要控制輸送機(jī)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，基于直接轉(zhuǎn)矩的輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 基于直接轉(zhuǎn)矩的變頻控制系統(tǒng)原理圖

為了對(duì)基于直接轉(zhuǎn)矩的變頻控制系統(tǒng)對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)行的調(diào)節(jié)情況進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)刮板輸送機(jī)的實(shí)際配置情況，設(shè)置電機(jī)的額定電壓為110 V，額定功率為75 kW，額定電流為50 A，額定轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，設(shè)置刮板輸送機(jī)為滿載啟動(dòng)，啟動(dòng)的時(shí)間是3 s，仿真的時(shí)間為10 s，然后對(duì)其工作情況進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

由分析結(jié)果可知，基于直接轉(zhuǎn)矩的變頻控制系統(tǒng)控制刮板輸送機(jī)工作時(shí)，其運(yùn)行速度會(huì)有輕微的波動(dòng)，同時(shí)需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能進(jìn)入到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，而輸送機(jī)的轉(zhuǎn)矩在啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)，且這個(gè)波動(dòng)量均為超過31 N·m，因此在使用變頻控制系統(tǒng)的情況下，能夠平緩工作過程中的轉(zhuǎn)矩情況，極大的降低了刮板輸送機(jī)系統(tǒng)在工作過程中的沖擊情況。

圖4 刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖

圖5 刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)矩波形圖

4 結(jié)語

使用變頻控制系統(tǒng)能夠平緩工作過程中的轉(zhuǎn)矩情況，極大降低了刮板輸送機(jī)系統(tǒng)在工作過程中的沖擊情況，不但實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)在滿載情況下的“軟啟動(dòng)”，而且極大降低了啟動(dòng)時(shí)的電能消耗。