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(太原理工大學機械工程學院， 山西太原 030024)

引言

作為煤炭、港口等行業(yè)首選的輸送機械，帶式輸送機是用于散裝物料輸送與裝卸的重要設備。隨著社會經濟的快速發(fā)展，帶式輸送機正在朝著長距離、高帶速、大功率、大運量方向發(fā)展。驅動裝置是帶式輸送機重要的組成部分，對帶式輸送機安全、穩(wěn)定和高效的運行具有重要影響。

目前，帶式輸送機常用的驅動裝置主要有調速型液力偶合器驅動、CST驅動、液壓馬達驅動、交流電動機變頻調速驅動、差動變頻無級調速驅動等[1]。鄒鐵漢[2]提出了調速型液力偶合器驅動系統(tǒng)，然而調速型液力偶合器動態(tài)響應速度較慢， 其性能指標及精度要求不能滿足大功率帶式輸送機驅動控制的要求。章軍等[3]、孫曉[4]提出了CST驅動系統(tǒng)、液壓馬達驅動系統(tǒng)。但CST驅動裝置存在體積龐大、安裝不便、結構復雜且維護困難，后期運行成本高等問題。液壓馬達驅動系統(tǒng)價格也比較貴，其應用受到了一定的限制。苗繼軍等[5]、張衛(wèi)良等[6]提出了交流電機變頻調速驅動系統(tǒng)、差動變頻無級調速驅動系統(tǒng)。變頻調速需要解決電氣方面的一系列問題，以及大功率變頻電機驅動系統(tǒng)造價較高，易產生機械諧波，其應用受到一定的限制。差動變頻無級調速技術是采用行星輪傳動作為差動元件的雙電機驅動方式，但這種驅動方式蝸輪蝸桿易膠合失效，散熱存在薄弱環(huán)節(jié)，這是要進一步解決的問題。

綜合比較，對以上各驅動系統(tǒng)的性能分析，鑒于變頻調速調速精度高、起動轉矩大、起動電流小、工作效率高，以及液壓馬達驅動能減小對帶式輸送機各部件的沖擊等優(yōu)點，本研究提出了一種采用交流電機變頻調速驅動作為主驅動，液壓馬達作為輔助驅動的并聯(lián)式[7]混合驅動裝置，并進行從啟動到穩(wěn)定運行過程動態(tài)特性分析。

1 電液并聯(lián)式混合驅動系統(tǒng)分析

1.1 差動行星齒輪機構

差動行星齒輪機構[8]具有二自由度，能將兩動力源的動力進行合成，其功率流傳遞路線如圖1所示。

圖1 功率流傳遞路線圖

差動行星齒輪機構的轉速、轉矩、功率關系如下：

(1)

式中，ωs，ωr，ωh分別為太陽輪、齒圈、行星架的角速度；Ts，Tr，Th分別為太陽輪、齒圈、行星架的轉矩；k，q為行星齒輪機構傳動的特性參數。

1.2 系統(tǒng)設計原理及特點

根據差動行星齒輪機構能實現(xiàn)動力合成的原理，本研究設計了一種將電機、液壓馬達并聯(lián)混合驅動帶式輸送機啟動的驅動系統(tǒng)，其原理如圖2所示。

該系統(tǒng)具有如下特點：

(1) 帶式輸送機空載啟動時，僅靠主電機就能完成帶式輸送機的啟動；

(2) 為了滿足滿載啟動等極限工況，主電機的裝機功率遠大于穩(wěn)定運行所需要的功率，導致電機長期工作在低效區(qū)，因此，在主電機上并聯(lián)1個液壓馬達，作為輔助動力源，可使主電機的裝機功率降低，極大的減少能耗。在啟動前，將蓄能器組充滿油液，啟動時蓄能器組釋放能量驅動液壓馬達工作；

(3) 通過差動行星齒輪機構實現(xiàn)主、輔驅動裝置的功率、轉速、轉矩的合成，主驅動采用變頻調速，輔助驅動利用PID校正[9]來提高控制精度，實現(xiàn)帶式輸送機“S”形速度曲線的軟啟動。

1.電動機 2.變頻器 3.液壓馬達 4.蓄能器組 5.電液換向閥6.差動行星輪系 7.減速器 8.滾筒 9.帶式輸送機圖2 帶式輸送機電液并聯(lián)式混合驅動原理圖

2 動力元件的工作原理及數學模型分析

2.1 變頻調速控制原理

變頻器通過改變電動機的供電頻率和電壓，從而達到對電動機的無級調速。其核心是通過調整IGBT的頻率和導通角的大小來改變輸出的電壓和頻率。在交流電機變頻調速系統(tǒng)中，恒壓頻比控制是最常用的一種變頻調速控制方法。通過使U/f1恒定，從而使主磁通保持不變。

U/f1曲線的數學表達式[10]為：

(2)

式中，UN為電動機額定電壓；fN為電動機額定頻率；U0為初始電壓補償值。

變頻調速的基本原理如下表達式所示：

(3)

式中，n為電動機轉速；f1為定子供電頻率；np為極對數；s為轉差率。

由式(3)可知，只要改變異步電動機的供電頻率f1就可以任意調節(jié)調節(jié)同步轉速n1，從而實現(xiàn)異步電動機的平滑無級調速。

2.2 液壓馬達數學模型

液壓馬達流量連續(xù)性方程[11]為：

式中，Qm為液壓馬達輸入流量；Cim,Cem分別為內、外泄漏系數；Dm為液壓馬達排量；θm為液壓馬達軸的轉角；V0為液壓馬達兩腔及連接管道總容積；βe為有效體積彈性模量。

液壓馬達與負載的力矩平衡方程為：

式中,Jm為液壓馬達和負載折算到馬達軸上的總慣量；Bm為液壓馬達和負載的黏性阻尼系數；G為負載的扭轉彈簧剛度；TL為作用在馬達軸上的任意負載力矩。

2.3 蓄能器的數學模型

氣囊式蓄能器適用于各種大小型液壓系統(tǒng)，其主要參數有充氣壓力p0、充氣體積V0、公稱壓力pr、最高工作壓力p1和最低工作壓力p2。蓄能器在工作過程中，根據波義耳定律，則：

常數

(6)

式中,V1為p1時的氣體體積；V2為p2時的氣體體積；n為氣體多變指數，等溫過程為1，絕熱過程為1.4。

作為輔助動力源的蓄能器，根據經驗公式，一般推薦p2=(0.6～0.85)p1，為使蓄能器的總容積最小，一般取p0=0.471p1。

當蓄能器排油速度很快(1 min及以內)，用于輔助動力源時，可按絕熱過程計算[12]，此時蓄能器的工作容積為:

(7)

3 系統(tǒng)仿真分析

3.1 模型參數確定

本研究針對帶式輸送機從啟動到穩(wěn)定運行階段的過程，以AMESim軟件為平臺，利用動力傳動庫、機械庫、液壓庫和信號庫中的元件建立了包括交流電機變頻調速主驅動、液壓輔助驅動、帶式輸送機模型和機械傳動裝置在內的帶式輸送機電液并聯(lián)式混合驅動系統(tǒng)模型，并對其進行仿真分析。為簡化分析，忽略液壓馬達的泄漏及管道中的壓力損失等因素。圖3和表1為帶式輸送機啟動過程的仿真模型和主要仿真參數。

圖3 并聯(lián)式電液混合驅動仿真模型

參數數值帶式輸送機全長/m1000帶速/m·s-14彈性模量/N·mm-216000輸送帶質量/kg42輸送帶帶芯質量/kg·m-125.6滿載物料每米質量/kg·m-1243.1驅動滾筒直徑/mm1000改向滾筒直徑/mm630/1000摩擦阻力系統(tǒng)摩擦系數0.026啟動曲線“S”形啟動拉緊力/kN100電機額定轉速/r·min-11500液壓系統(tǒng)最高壓力/MPa31蓄能器最低壓力/MPa14.61蓄能器多變系數1.4液壓馬達轉速/r·min-11000液壓馬達排量/mL·r-1200轉速合成裝置減速比4.598減速器減速比16.128

3.2 仿真分析

1) 交流電機變頻調速單獨驅動

設計帶式輸送機驅動裝置裝機功率時，一般是按照滿載穩(wěn)定運行工況下進行選取的；但為了滿足滿載啟動這一極限工況下的功率要求，將會導致所選取電機的裝機功率遠大于穩(wěn)定運行工況下所需要的功率。因此，對帶式輸送機滿載啟動到穩(wěn)定運行進行仿真，仿真中檢測啟動過程中主電機功率，帶式輸送機速度的變化情況，如圖4所示。

圖4 變頻調速驅動系統(tǒng)仿真

由圖4可知,帶式輸送機從50 s開始啟動，啟動時間為60 s,采用變頻啟動的方式能夠實現(xiàn)帶式輸送機按照“S”形速度曲線啟動，并保持穩(wěn)定運行。由功率曲線可知：滿載工況下帶式輸送機啟動功率遠大于穩(wěn)定運行的功率，大約高出50 kW，若按照此滿載啟動極限工況來選擇電機，長久以來，將導致電機工作在低效區(qū)，浪費了電能。

2) 電-液混合驅動

為滿足帶式輸送機滿載啟動的極限工況，依靠主電機和輔助液壓馬達共同驅動帶式輸送機，來完成帶式輸送機的啟動過程；啟動過程結束后，帶式輸送機所需驅動功率減小，液壓馬達退出工作，不再輸出動力，靠主電機驅動帶式輸送機滿載穩(wěn)定運行。仿真中檢測啟動過程中主電機、液壓馬達輸出功率，差動行星齒輪機構的轉速、轉矩合成情況、帶式輸送機速度的變化情況，如圖5所示。

由圖5可知，帶式輸送機從50 s開始啟動，啟動時間為60 s,在滿載起動時，主電機和輔助液壓系統(tǒng)功率之和達到滿載啟動所需要的功率，并實現(xiàn)了轉速、轉矩的合成，帶式輸送機能夠實現(xiàn)“S”形速度曲線啟動。而且,在120 s～160 s液壓馬達退出工作的過程中，控制調節(jié)主電機輸出的功率、轉速的上升，逐漸達到額定功率、額定轉速，帶式輸送機速度不變，繼續(xù)保持穩(wěn)定運行。因此，通過啟動過程的液壓輔助驅動，主電機的裝機功率減小，穩(wěn)定運行后，主電機工作在額定功率下，提高了效率，降低了能耗。

圖5 電液混合驅動系統(tǒng)仿真

4 結論

根據目前帶式輸送機驅動裝置的優(yōu)缺點,基于差動行星齒輪機構具有功率、轉速、轉矩合成的原理，本研究提出了一種帶式輸送機電液并聯(lián)式混合驅動系統(tǒng)，分析了其工作模式，并以AMESim軟件為平臺，建立了帶式輸送機電液混合驅動系統(tǒng)的仿真模型，進行了驅動系統(tǒng)參數的選擇和匹配，對仿真結果進行了分析。結果表明：所設計的電液混合驅動系統(tǒng)能夠進行功率、轉速、轉矩的合成，使帶式輸送機按照“S”形速度曲線進行啟動并保持穩(wěn)定運行。由于液壓輔助系統(tǒng)的作用，提高了系統(tǒng)的工況適應性，也使主電機的裝機功率得到了降低，并長期工作在額定功率下，提高了主電機的效率，降低了系統(tǒng)能耗。