聶仕義

（同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司，大同 山西037001）

0 引言

眾所周知，煤炭行業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有很重要的位置[1]。而煤礦開(kāi)采過(guò)程中涉及的機(jī)械系統(tǒng)，由于其長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，其受到的外部載荷往往對(duì)設(shè)備使用壽命有很大的影響[2]。刮板輸送機(jī)是煤礦開(kāi)采系統(tǒng)中最常見(jiàn)的基本機(jī)械之一[3]。輸送機(jī)的長(zhǎng)度和安裝方式（水平或傾斜）取決于礦區(qū)具體的地質(zhì)條件，包括煤層的位置等等[4]。它們?cè)诠ぷ鬟^(guò)程中，載荷是不斷變化的，而在實(shí)際過(guò)程中這種載荷的變化很難預(yù)測(cè)，且影響載荷的主要因素是由運(yùn)輸材料的體積決定的[1]。輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的鏈條張力和配合對(duì)動(dòng)態(tài)載荷也有一定影響[5]。作者所工作過(guò)的絕大多數(shù)礦區(qū)的大多數(shù)輸送機(jī)在啟動(dòng)階段后以恒定速度運(yùn)行。然而，最先進(jìn)的傳送帶有可能配備頻率傳感器[3]。頻率傳感器的使用可以控制輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，即控制其輸出功率。本文給出了在輸送機(jī)載荷變化的情況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)載荷變化的仿真分析結(jié)果。分析了電機(jī)（變頻器設(shè)置的變化）頻率變化對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)的影響。

1 SGD320型號(hào)的礦用刮板輸送機(jī)仿真模型

本文研究的是SGD320型號(hào)的礦用刮板輸送機(jī)（如圖1所示），其性能指標(biāo)見(jiàn)表1，由刮板輸送機(jī)的物理模型和驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型組成（見(jiàn)圖1）。物理模型由剛性固體、幾何約束、彈性衰減元件建立。模型是在MSC中開(kāi)發(fā)的Adams計(jì)算機(jī)程序，用于多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。在MatLab/Simulink軟件環(huán)境下建立了電機(jī)模型。在定義了兩種模型的輸出/輸入信號(hào)后，將用于控制輸送機(jī)速度的頻率傳感器與電機(jī)模型相連接。然后使用聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)輸送機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行仿真[3]，并且對(duì)煤礦中實(shí)際運(yùn)行的SGD320型號(hào)的礦用刮板輸送機(jī)進(jìn)行了工程驗(yàn)證。

表1 SGD320型礦用刮板輸送機(jī)主要性能指標(biāo)

圖1 刮板輸送機(jī)仿真物理模型及系統(tǒng)

刮板鏈負(fù)荷的估算是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，甚至是不可能的，因?yàn)檫@種荷載具有隨機(jī)性。刮板輸送機(jī)在輸送時(shí)，物料受到刮板鏈條在運(yùn)動(dòng)方向的壓力及物料自身重量的作用，在物料間產(chǎn)生了內(nèi)摩擦力。這種摩擦力保證了料層之間的穩(wěn)定狀態(tài)，并足以克服物料在機(jī)槽中移動(dòng)而產(chǎn)生的外摩擦力，使物料形成連續(xù)整體的料流而被輸送，使物料形成了連續(xù)整體的料流，對(duì)于數(shù)值試驗(yàn)，定義了連接到所選刮板中心的力F的矢量（圖1）。然后將鏈條上部的載荷簡(jiǎn)化為運(yùn)輸?shù)奈锪纤a(chǎn)生的摩擦力。

2 仿真結(jié)果與討論

在恒定長(zhǎng)度的輸送帶上進(jìn)行了數(shù)值模擬（在卸料端和回料端驅(qū)動(dòng)滾筒中心之間的距離沒(méi)有改變）。通過(guò)改變電機(jī)模型中頻率傳感器的設(shè)置來(lái)模擬電機(jī)主頻率的變化。分別對(duì)25Hz、35Hz和50Hz頻率進(jìn)行了仿真。在每個(gè)頻率下，輸送機(jī)通過(guò)力矢量由0變?yōu)?00kN，并跳躍式加載50kN。

圖2 電壓頻率變化對(duì)電機(jī)電流變化的影響以及極高負(fù)載條件下應(yīng)力數(shù)值分析結(jié)果

圖2 （a）給出了在不同加載頻率下電機(jī)的平均電流隨負(fù)載值的變化情況，從圖中可以看出，電機(jī)中的電流與其負(fù)載成正比，這意味著電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是平衡設(shè)定負(fù)載所不可缺少的。如圖2（a）所示，研究還發(fā)現(xiàn)，在負(fù)載值較低時(shí)，提升頻率似乎可以有效的降低平均電流，但是到負(fù)載值非常高時(shí)，例如負(fù)載值達(dá)到400kN時(shí)，雖然頻率的提升依然可以微弱的降低電機(jī)平均電流，但是頻率對(duì)電流的影響已經(jīng)不顯著，我們對(duì)比了負(fù)載為400kN時(shí)，三種頻率對(duì)應(yīng)的刮板輸送機(jī)的數(shù)值結(jié)果，如圖2（b～d）所示，可以看到，A、B、C、D表示刮板輸送機(jī)出現(xiàn)較高應(yīng)力的部位，這些部位在高負(fù)載值條件下，位置區(qū)別并不大，這也印證了圖2（a）所顯示頻率對(duì)電流的影響已經(jīng)不顯著，也就是說(shuō)，在工程實(shí)際中，在高負(fù)載情況下，調(diào)節(jié)電機(jī)的頻率對(duì)改善刮板輸送機(jī)鏈條張力的作用不顯著。

圖3 電機(jī)內(nèi)的電流隨負(fù)荷值的變化規(guī)律

此外，以電壓評(píng)論為50Hz為例，加載力矢量從0增加到400kN，每次增加50kN，來(lái)改變外載荷。在模擬過(guò)程中，記錄了驅(qū)動(dòng)滾筒和轉(zhuǎn)矩的電機(jī)電流。在圖3中，給出了輸送機(jī)卸料端（A）和回料端（B）處電機(jī)的最小、最大電流對(duì)輸送機(jī)鏈條上部負(fù)荷的函數(shù)關(guān)系?？梢钥闯?，最大出料端和回料端的最大最小電流變化趨勢(shì)具有一致性，且隨著負(fù)荷值的增加，其與電流成線性關(guān)系，根據(jù)數(shù)據(jù)可以擬合出電流隨符合變化的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)：

3 實(shí)際應(yīng)用及效果

實(shí)際應(yīng)用中，刮板鏈?zhǔn)枪伟遢斔蜋C(jī)的最核心部件之一，其在工作中承受的載荷往往是不穩(wěn)定的（動(dòng)載荷部分），基于上述研究規(guī)律，筆者在同煤國(guó)電同忻煤礦進(jìn)行了相關(guān)的工程應(yīng)用。

3.1 應(yīng)用1——實(shí)現(xiàn)了對(duì)刮板輸送機(jī)載荷的預(yù)測(cè)

通過(guò)檢測(cè)在同煤國(guó)電同忻煤礦中SGD320型號(hào)的礦用刮板輸送機(jī)電機(jī)電流，實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)刮板鏈所承受的物料重量（載荷）的直接預(yù)測(cè)。即，基于上述經(jīng)驗(yàn)公式，本文筆者對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的刮板輸送機(jī)在不同載荷時(shí)的電機(jī)電流進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，具體的預(yù)測(cè)結(jié)果如下表2所示。

表2 不同工程與模擬負(fù)載值對(duì)電機(jī)電流變化的影響對(duì)比（以卸料端為例）

從表2可以看出，工程實(shí)際過(guò)程中的電機(jī)電流和公式預(yù)測(cè)出的結(jié)果具有極高的一直性。動(dòng)態(tài)載荷對(duì)于電機(jī)電流的影響確實(shí)是線性的，本文得到的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于SGD320型礦用刮板輸送機(jī)的負(fù)荷以及電流的預(yù)測(cè)效果良好。本文所提出的經(jīng)驗(yàn)公式被直接編程輸入到電氣控制柜中，也就是說(shuō)，控制人員通過(guò)控制電腦可以遠(yuǎn)程的了解當(dāng)下刮板輸送機(jī)輸送鏈的載荷狀態(tài)，為專家診斷系統(tǒng)和后續(xù)維修提供依據(jù)。

3.2 應(yīng)用2——?jiǎng)討B(tài)載荷作用下的刮板鏈保護(hù)方法

此外，我們?cè)诿旱V的實(shí)際工程應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和（包括減速機(jī)的傳動(dòng)比）等于輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)阻力之和。

首先，對(duì)于SGD320型礦用刮板輸送機(jī)來(lái)說(shuō)，負(fù)載值相同時(shí)，頻率越高，電機(jī)的平均電流越低。電機(jī)電壓頻率的降低（轉(zhuǎn)速的降低）導(dǎo)致了輸送裝置在相同負(fù)載下電流的增加。例如，在控制SGD320型礦用刮板輸送機(jī)安全工作時(shí)（電流約為265A），主頻率為25Hz，其最大只能負(fù)載100kN，主頻率為35Hz，其最大只能負(fù)載150kN，主頻率為50Hz，其最大只能負(fù)載250kN。

也就是說(shuō)，在工程實(shí)際操作環(huán)境中，當(dāng)負(fù)載值在較低范圍內(nèi)時(shí)，控制主頻率可以有效的保障刮板輸送機(jī)的設(shè)備安全，但是當(dāng)負(fù)載達(dá)到極高值時(shí)，控制主頻率不能有效的保證刮板輸送機(jī)的設(shè)備安全，需要考慮其他方案，例如，筆者在工作中，提出了過(guò)高負(fù)載的監(jiān)測(cè)和保護(hù)方案。

圖4 動(dòng)態(tài)載荷作用下的刮板鏈保護(hù)方案

如圖4所示，電機(jī)柜監(jiān)測(cè)刮板輸送機(jī)的電流信號(hào)，并對(duì)其負(fù)載進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)預(yù)測(cè)的負(fù)載值沒(méi)有達(dá)到極高值時(shí)，此時(shí)啟動(dòng)輸送機(jī)速度的頻率傳感器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，以在適應(yīng)刮板鏈載荷的情況下，保護(hù)刮板鏈。當(dāng)刮板鏈載荷預(yù)測(cè)值達(dá)到極高值時(shí)，要啟動(dòng)刮板鏈的保護(hù)裝置，同煤國(guó)電同忻煤礦中SGD320型號(hào)的礦用刮板輸送機(jī)新型鏈保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示?？拷姍C(jī)兩側(cè)的開(kāi)關(guān)通過(guò)紅外信號(hào)進(jìn)行刮板鏈鏈條張力信號(hào)采集，并通過(guò)反饋信號(hào)對(duì)比刮板鏈?zhǔn)欠癜l(fā)生斷裂，若未發(fā)生斷裂，此時(shí)需要降低刮板輸送機(jī)目前的載荷，若發(fā)生斷裂，需要立即停機(jī)發(fā)出報(bào)警，并隨機(jī)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。所以本文工作為刮板輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)載荷預(yù)測(cè)以及不同載荷狀態(tài)下的調(diào)節(jié)提供了切實(shí)可行的方案。

4 結(jié)論

在煤礦中作業(yè)的刮板輸送機(jī)的壽命常常會(huì)受到隨機(jī)載荷的影響，本文研究成果為刮板輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)載荷預(yù)測(cè)以及不同載荷狀態(tài)下的調(diào)節(jié)提供了切實(shí)可行的方案。