李 強(qiáng)

(山西西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

帶式輸送機(jī)是煤礦常見的機(jī)械運輸設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強(qiáng)、運輸量大、運輸距離長、易于維修，因此廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)和運輸?shù)母鱾€階段。近些年來，隨著煤礦自動化和智能化設(shè)備的普及，煤炭的綜采能力大幅提升，因此對重點運輸環(huán)節(jié)的皮帶輸送機(jī)的運量、功率等都提出了更高要求。對于大型、長距離帶式輸送機(jī)，為降低對輸送帶的強(qiáng)度要求、降低單電機(jī)功率、消除設(shè)備啟動造成的電網(wǎng)沖擊，普遍采用多電機(jī)、多滾筒、軟啟動的驅(qū)動方式。理想情況下，各臺具備軟啟動功能的電機(jī)按其額定工作能力分配功率，但實際由于各種因素的影響，電機(jī)功率的分配將出現(xiàn)較大偏差，由此造成有的電機(jī)超載、燒毀，對安全、高效和穩(wěn)定生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響[1-3]。

1 長距離帶式輸送機(jī)組成結(jié)構(gòu)

如圖1所示，長距離帶式輸送機(jī)主要由機(jī)頭傳動部、改向滾筒、拉緊滾筒、拉緊配重、托輥、機(jī)尾傳動部、給料裝置、輸送帶等組成。其中，輸送帶材質(zhì)為鋼芯膠帶，負(fù)責(zé)承載運輸物，并承受拉緊張力；機(jī)頭和機(jī)尾傳動部負(fù)責(zé)提供運輸動力，驅(qū)動輸送帶周期運轉(zhuǎn)，為保證啟動和制動的平穩(wěn)性，一般通過變頻器、軟啟動器等進(jìn)行啟動；由于輸送帶存在彈性變形和拉伸蠕變，因此采用拉緊滾筒和拉緊配重為輸送帶提供必要的張緊力，以保證卷筒與輸送帶之間有足夠的摩擦力[4-6]。

2 功率不平衡影響因素

對于帶式輸送機(jī)，造成各電機(jī)驅(qū)動功率不平衡的因素主要包括以下幾個方面：

(1) 輸送帶彈性伸長造成機(jī)頭位置電機(jī)超載、機(jī)尾電機(jī)欠載，且輸送帶的彈性模量越大，功率不平衡越嚴(yán)重，因此一般選用彈性模量較小的鋼絲繩芯輸送帶。

(2) 兩驅(qū)動滾筒直徑偏差造成相應(yīng)電機(jī)功率不平衡，直徑越小，輸出功率越大。

(3) 相同型號驅(qū)動裝置的機(jī)械特性也不可能完全相同，機(jī)械特性硬度越大，輸出功率越大。

3 電機(jī)功率分配方式

對于由首尾兩臺電機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)，為保證電機(jī)負(fù)荷均勻，應(yīng)按各電機(jī)的額定功率比例對外負(fù)載功率進(jìn)行合理分配，具體如下：

W1∶W2=W1e∶W2e.

其中：W1、W2為兩電機(jī)的實際輸出功率，kW；W1e、W2e為兩電機(jī)的額定輸出功率，kW。

另外，首、尾電機(jī)的實際輸出功率之和即為外負(fù)載功率，因此：

Wg=W1+W2.

其中：Wg為外負(fù)載功率，kW。

由此可知，當(dāng)按電機(jī)的額定功率之比進(jìn)行外負(fù)載功率分配時，兩電機(jī)的實際輸出功率分別表示如下：

1-拉緊滾筒；2-拉緊配重；3-改向滾筒；4-機(jī)頭傳動部；5-托輥；6-給料裝置；7-機(jī)尾傳動部；8-輸送帶

4 電機(jī)功率平衡控制技術(shù)

電機(jī)的輸出功率Wg可表示如下：

其中：U為輸入電壓，V；I為輸入電流，A；η為電機(jī)機(jī)械傳動效率；cosθ為額定功率因數(shù)。

對于帶式輸送機(jī)電機(jī)，參數(shù)U、η、cosθ一般保持不變，因此，通過檢測輸入電流I的大小，就可對電機(jī)的輸出功率Wg進(jìn)行計算。另外，由于I與Wg呈正比例關(guān)系，因此，可將電流I作為輸出功率Wg的反映指標(biāo)。以首、尾兩電機(jī)檢測電流的平均值作為參考基準(zhǔn)，然后將各電機(jī)的檢測電流與此進(jìn)行對比，可知相應(yīng)電機(jī)電流(或輸出功率)與基準(zhǔn)值的偏離程度，具體如下：

其中：Ip為基準(zhǔn)電流值，A；I1、I2分別為首、尾電機(jī)的檢測電流，A。

則兩臺電機(jī)的電流偏差值A(chǔ)1、A2分別計算如下：

相應(yīng)帶式輸送機(jī)的電機(jī)功率不平衡度δ計算如下：

對于具備軟啟動功能的帶式輸送機(jī)，其輸出功率調(diào)節(jié)采用液體黏性軟啟動裝置，該裝置可通過調(diào)節(jié)軟啟動裝置液壓系統(tǒng)的輸出油壓來對電機(jī)的輸出功率進(jìn)行無極調(diào)節(jié)。壓力增大時，輸出扭矩減小；反之，輸出扭矩增大。通過監(jiān)測電機(jī)電流的偏差來決定是否需要對電機(jī)的輸出扭矩進(jìn)行調(diào)節(jié)以及調(diào)節(jié)幅度。

電機(jī)功率平衡調(diào)節(jié)流程如圖2所示，利用電流互感器對兩電機(jī)的電流I1、I2進(jìn)行檢測，然后計算基準(zhǔn)電流Ip和A1、A2。當(dāng)電流偏差值|Ai|>5%(i=1,2)時，判定相應(yīng)位置的電機(jī)存在功率不平衡現(xiàn)象，需對該電機(jī)軟啟動裝置的油壓進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)電流偏差值|Ai|≤5%(i=1,2)，認(rèn)為電機(jī)當(dāng)前處于功率平衡狀態(tài)，不需要調(diào)節(jié)。以上控制過程，利用模糊PID控制器實現(xiàn)，將油壓調(diào)節(jié)信號發(fā)送至電液比例伺服閥，即可實現(xiàn)對油壓和電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)。另外，在帶式輸送機(jī)工作過程中，外負(fù)載功率基本不變，因此，在增大或減小一臺電機(jī)的輸出功率后，另一臺電機(jī)的輸出功率變化趨勢相反。

圖2 電機(jī)功率平衡調(diào)節(jié)流程

5 功率平衡效果評價與提升

5.1 功率平衡模擬仿真

為驗證以上功率平衡方案的可行性，采用AMESim和MATLAB/Simulink建立聯(lián)合仿真模型，其中，軟啟動控制裝置及帶式輸送機(jī)模型在AMESim中搭建?？偰M時間設(shè)置為60 s，軟啟動時間約20 s左右，為進(jìn)一步對功率平衡的效果進(jìn)行對比分析，在設(shè)備啟動40 s后加載功率平衡模塊，仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可看出：在液體黏性軟啟動裝置保護(hù)下，兩臺電機(jī)均平穩(wěn)啟動，過程無沖擊，超調(diào)量較小，但隨著啟動時間延長，功率不平衡現(xiàn)象逐漸明顯；在20 s～40 s內(nèi)，由于未加載功率平衡模塊，兩電機(jī)出現(xiàn)了嚴(yán)重的功率不平衡現(xiàn)象，不平衡度達(dá)到24%；在40 s時，開始加載功率平衡模塊，約5 s后，兩電機(jī)的檢測電流值已基本一致，電機(jī)功率不平衡度下降至2.5%，此時已實現(xiàn)功率平衡目標(biāo)。上述模擬試驗表明本文所述功率平衡技術(shù)方案效果明顯。

圖3 功率平衡仿真效果

5.2 功率平衡效果提升

帶式輸送機(jī)啟動過程中，對于由外負(fù)載大小差異引起的機(jī)頭和機(jī)尾功率不平衡現(xiàn)象，可采用按時間差順序啟動電機(jī)予以解決，即機(jī)頭電機(jī)先啟動，機(jī)尾電機(jī)后啟動。此時，電機(jī)的啟動時間差是功率平衡效果的重要影響因素。在模擬試驗中，將啟動時間差分別設(shè)置為1 s、1.5 s、2 s、2.5 s、3 s，穩(wěn)定運行后的功率不平衡度仿真結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，隨著電機(jī)啟動時間差的延長，功率不平衡度先減小后增大，在2.5 s時達(dá)到最小，僅為2.2%。

圖4 不同電機(jī)啟動時間差的功率不平衡度仿真結(jié)果

6 結(jié)語

長距離、大功率帶式輸送機(jī)是重要的煤炭運輸設(shè)備，針對其中各電機(jī)的功率平衡問題，本文首先對功率不平衡的引發(fā)因素進(jìn)行了分析，然后以雙電機(jī)帶式輸送機(jī)為例，提出了具體的功率平衡目標(biāo)，并對功率平衡的詳細(xì)技術(shù)方案進(jìn)行了研究，最后，利用聯(lián)合仿真軟件，對方案的實際效果進(jìn)行了分析評價，并對電機(jī)順序啟動的時間差進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步提高了功率平衡的效果。