王 博，王彬發(fā)

（陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500）

1 工程背景

1.1 礦井主運輸系統(tǒng)概況

陜西彬長小莊礦運輸大巷帶式輸送機運輸距離2 360 m，提升高度81.7 m，皮帶強度ST/S3150，帶寬1 600 mm，運量4 000 t/h，驅(qū)動滾筒直徑1 400 mm，帶速4.5 m/s。帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)采用四臺1 120 kW電機配套調(diào)速型耦合器和減速機，驅(qū)動功率為4×1 120 kW（三用一備），電機電壓等級為10 kV，使用天津華寧KT101控制器進行控制。

1.2 工程問題

帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)存在傳動效率低，能耗高，重載啟動困難，頻繁啟動油溫上升快、不易冷卻，無法對皮帶運行速度進行調(diào)控，維護費用高等問題，亟待升級改造。

2 帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)改造方案設(shè)計

2.1 高壓變頻一體機組成及原理

高壓永磁變頻一體機電氣系統(tǒng)主要由變頻部分和電動機部分組成，其中變頻部分又由主電路、控制電路、驅(qū)動電路、顯示屏等組成[1]，其中主回路電源由接觸器、電抗器進行濾波穩(wěn)壓，經(jīng)逆變電路將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率、電壓均可調(diào)的交流電；控制電路負責將采集的實時信號運算產(chǎn)生驅(qū)動信號，完成光纖與驅(qū)動單元的數(shù)據(jù)交換，并通過顯示屏顯示處理后信息；驅(qū)動電路負責接收主控器的觸發(fā)信號，控制該信號的導通和關(guān)斷；變頻單元附屬電路負責變頻器操作、控制及保護電路；永磁一體機顯示屏負責接收顯示主控器發(fā)送的實時信息，包括直流電壓、變頻輸出電流、輸出功率和轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

2.2 帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)改造方案

永磁直驅(qū)變頻一體機集成了減速機、電動機和變頻器，現(xiàn)將帶式輸送機高壓電動機配套調(diào)速型耦合器、減速機驅(qū)動方式改造為由三臺永磁直驅(qū)變頻一體機、一臺控制器和兩臺移動變電站組成的大功率永磁直驅(qū)變頻一體機，并與驅(qū)動滾筒連接，三臺永磁直驅(qū)變頻一體機之間通過通信線連接，如圖1所示。

圖1 帶式輸送機永磁一體機驅(qū)動系統(tǒng)

帶式輸送機智能控制系統(tǒng)如下頁圖2所示，永磁直驅(qū)變頻一體機與控制臺連接并接受控制臺的控制，控制臺可以顯示各一體機工作狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)和故障信息，控制永磁直驅(qū)變頻一體機驅(qū)動帶式輸送機平穩(wěn)啟動和運行，智能控制箱可將運行數(shù)據(jù)實時上傳至地面調(diào)度中心，使帶式輸送機遠程控制，實現(xiàn)動態(tài)功率平衡并具備同步調(diào)速功能[2-3]。在順槽帶式輸送機機頭前方10 m左右位置安裝視頻監(jiān)控及檢測裝置，其不僅能在識別錨桿、大塊矸石等異物后停機保護，并給出相應(yīng)故障信息，還能識別瞬時煤量，根據(jù)煤量大小自動調(diào)整帶式輸送機轉(zhuǎn)速。

圖2 帶式輸送機智能控制系統(tǒng)

另外，該帶式輸送機的永磁直驅(qū)變頻一體機使用了配套循環(huán)水冷卻裝置，冷卻方式為外殼水冷，可為永磁變頻一體機提供冷卻。

3 改造驅(qū)動系統(tǒng)計算核準及驅(qū)動電機選型

3.1 輸送帶寬度的確定

驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計計算及選型依據(jù)《煤礦用固定帶式輸送機設(shè)計選用手冊》和《DTⅡ型固定帶式輸送機設(shè)計選用手冊》[4]。帶式輸送機輸送帶寬度可按式（1）進行計算。

式中：B為輸送帶寬度，m；Q為輸送機輸送能力，t/h；k為傾斜系數(shù)，取0.93；ρ為輸送物料松散密度，取1.3t/m3；v為輸送帶傳送速度，m/s；Ce為槽型系數(shù)，取492。

將1.1節(jié)已知的相關(guān)參數(shù)帶入式（1）中，得輸送帶寬度為1.22 m，由此表明選用標準驅(qū)動系統(tǒng)帶寬1 600 mm能夠滿足運輸要求。

3.2 托輥及物料計算

對于托輥及物料的計算可按式（2）和式（3）進行求取。

式中：qR為托輥重，kg/m；qG為物料重，kg/m；Gz為承載分支三聯(lián)托輥組重量，kg；Lz為承載分支三聯(lián)托輥組長度，m；Gk為回程分支平行托輥組重量，kg；Lk為回程分支平行托輥組長度，m。

目前選用的輸送帶規(guī)格為ST/S3150，其中托輥直徑Φ=159 mm，皮帶張力F=5 040 kN，輸送帶單位長 度 的 質(zhì) 量qB=67.2 kg/m，Gz=46.56 kg，Lz=1.2 m；Gk=16.27kg，Lk=3m。經(jīng)計算得托輥重qR=44.22333kg/m，物料重qG=68.59 kg/m。

3.3 傳動滾筒圓周驅(qū)動力計算

傳動滾筒圓周驅(qū)動力Fu按照式（4）進行計算。

式中：C為附加阻力系數(shù)，取1.05；f為運行阻力系數(shù)，取0.03；L為運輸長度，m；g為重力加速度，取9.8m/s2；β為帶式輸送機在運輸方向上的傾角（當傾角小于18°時，一般取cosβ≈1），（°）；H為物料提升高度，m；FS為阻力，取1 000 N。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（4）中計算得傳動滾筒圓周驅(qū)動力Fu=236 017.67 N。

3.4 電動機功率計算

電動機功率可按式（5）和式（6）進行計算。

式中：P為軸功率，kW；Pd為電動機功率，kW；Kd為功率備用系數(shù)，取1.3；η為驅(qū)動裝置傳動效率，取0.98；εd為多級功率不平衡系數(shù)，取0.98；ε為電壓降系數(shù)，取0.95。

將相關(guān)參數(shù)帶入式（5）和（6），經(jīng)計算得軸功率P=1 062.08 kW，電動機功率Pd=3 026.54 kW，因此電機功率選擇3×1 000 kW，轉(zhuǎn)速選擇60 r/min，帶式輸送帶可滿足提速要求。

3.5 永磁變頻調(diào)速一體機驅(qū)動電機選型

由于國內(nèi)煤礦井下尚無6 kV防爆永磁變頻調(diào)速一體機相關(guān)產(chǎn)品，為了減少設(shè)備投入成本，選用型號為TJVFT-1000/80YC、驅(qū)動電機電壓為1 140 V的礦用隔爆兼本安型永磁同步變頻調(diào)速一體機可滿足小莊礦運輸需求。

4 預(yù)計改造效果及節(jié)能經(jīng)濟分析

永磁同步變頻調(diào)速一體機的使用可實現(xiàn)礦井膠帶輸送機無人值守，只需維修工定期檢查巡視即可。空載或重載情況下，多臺電機能夠達到絕對同步運行，啟動輸送帶運行平穩(wěn)，且電機在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)恒定扭矩輸出，可保證主運皮帶安全運行。另外，巷道中安設(shè)的煤流監(jiān)測控制系統(tǒng)可根據(jù)輸送帶帶面的煤流量控制和調(diào)節(jié)帶式輸送機帶速，減少滾筒、托輥及輸送帶的轉(zhuǎn)動，提高滾筒、托輥及輸送帶的使用壽命。

永磁變頻調(diào)速一體機的使用可降低減速機、耦合器冷卻風扇、油泵、濾芯及油脂等配件材料的消耗，減少能量傳遞過程中的損失，節(jié)約電力消耗，降低生產(chǎn)成本[5]。為此對改造前后的帶式輸送機進行節(jié)能經(jīng)濟分析，改造前滾筒軸功率2 751 kW，改造后1 062.08 kW，按額定負載60%、每天運行時間16 h（每月30 d）進行計算，得改造前帶式輸送機年度電費570.45萬元，預(yù)計改造后年度電費220.23萬元。使用變頻電機的傳動效率為96%，傳統(tǒng)傳動方式傳動總效率為82.7%（電動機效率88%，減速機、耦合器效率94%），每條皮帶每年預(yù)計節(jié)約電費約350萬元。

5 結(jié)論

1）礦用大功率永磁變頻一體機的使用可使帶式輸送機平穩(wěn)啟動，實現(xiàn)同步調(diào)速運行功能及動態(tài)功率平衡。

2）帶式輸送機驅(qū)動電機選用型號TJVFT-1000/80YC的礦用隔爆兼本安型永磁同步變頻調(diào)速一體機可滿足小莊礦運輸需求。

3）帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)改造可實現(xiàn)節(jié)能降耗，減少設(shè)備磨損，預(yù)計每條皮帶年生產(chǎn)成本減少約350萬元。