劉子榮

（晉能煤業(yè)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000）

引言

刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)、液壓支架統(tǒng)稱為綜采工作面的“三機(jī)”，其不僅為采煤機(jī)牽引提供軌道，而且還為液壓支架的推溜提供支撐。目前，隨著采煤技術(shù)和采煤設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提高，對(duì)刮板輸送機(jī)的自動(dòng)化水平和運(yùn)輸能力也提出了更高的要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于工作面環(huán)境惡劣，刮板輸送機(jī)主要面臨著啟動(dòng)困難、零部件性能較差且智能化水平偏低的問題[1]。

交流變頻技術(shù)為刮板輸送機(jī)主要采用的控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化對(duì)于提升工作面生產(chǎn)能力和自動(dòng)化、智能化水平具有重要意義。

1 礦用刮板輸送機(jī)現(xiàn)狀及負(fù)載特性研究

1.1 礦用刮板輸送機(jī)現(xiàn)狀

刮板輸送機(jī)為綜采工作面與采煤機(jī)和液壓支架相互配套的輸送機(jī)，在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到重載啟動(dòng)或載荷突變的情況。當(dāng)前刮板輸送機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)無法根據(jù)工況的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，在出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況下導(dǎo)致能耗嚴(yán)重，或?qū)е聦?duì)設(shè)備和電氣部件造成沖擊。因此，應(yīng)實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的變頻調(diào)速功能，保證刮板輸送機(jī)電機(jī)輸出功率與其運(yùn)量和運(yùn)速相互匹配，在達(dá)到節(jié)能效果的同時(shí)，也對(duì)刮板輸送機(jī)的相關(guān)設(shè)備起到保護(hù)作用。

目前，由于工作面生產(chǎn)能力的增加，刮板輸送機(jī)也發(fā)展為雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，面臨的主要問題是如何在變頻調(diào)速系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)的功率平衡控制。

因此，本文將重點(diǎn)針對(duì)上述問題對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行改造優(yōu)化。

1.2 礦用刮板輸送機(jī)負(fù)載特性分析

刮板輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 刮板輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

如圖1 所示，刮板輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括有液力耦合器、減速器、刮板鏈、電機(jī)以及鏈輪機(jī)軸等。液力耦合器和減速器為傳動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的核心裝置；刮板鏈為傳遞動(dòng)力的裝置。在實(shí)際運(yùn)輸過程中，往往在刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾位置各布置一臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)，從而保證整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。為解決刮板輸送機(jī)經(jīng)常面臨的重載啟動(dòng)和載荷突變的運(yùn)行工況，常通過采用交流變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)的控制，從而降低突變工況下運(yùn)行對(duì)設(shè)備造成的沖擊，進(jìn)一步提升刮板輸送機(jī)運(yùn)行的安全性，降低設(shè)備能耗和機(jī)械沖擊[2]。

對(duì)于一般多電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)而言，解決電機(jī)功率不平衡問題尤為重要。實(shí)際應(yīng)用中常通過采用順序啟動(dòng)方式降低多電機(jī)驅(qū)動(dòng)所帶來的功率不平衡問題，一般先啟動(dòng)機(jī)尾驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而后啟動(dòng)機(jī)頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該種控制方式對(duì)重載啟動(dòng)時(shí)所帶來的功率不平衡問題最為有效。

2 交流變頻技術(shù)在刮板輸送機(jī)的應(yīng)用

2.1 變頻一體化驅(qū)動(dòng)裝置的應(yīng)用

對(duì)于綜采工作面相對(duì)惡劣的工作環(huán)境，除了實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)常規(guī)的變頻調(diào)速控制外，還需消除各個(gè)電氣設(shè)備之間的電磁干擾，以進(jìn)一步提升刮板輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性[3]。因此，基于交流變頻技術(shù)將傳統(tǒng)的變頻器改造為變頻一體化驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用于刮板輸送機(jī)中，其對(duì)應(yīng)的電氣原理如下頁圖2 所示。

如圖2 所示，變頻一體驅(qū)動(dòng)裝置的變頻部分又可細(xì)分為主回路、驅(qū)動(dòng)回路、主控制回路、顯示系統(tǒng)等。同時(shí)，變頻一體裝置變頻部分所采用的結(jié)構(gòu)形式為交-直-交流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 變頻一體驅(qū)動(dòng)裝置電氣原理圖

針對(duì)變頻一體驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)涉及到關(guān)鍵內(nèi)容包括對(duì)功率平衡、硬件、軟件等進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于變頻一體驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的功率平衡控制而言，主要實(shí)現(xiàn)途徑為通過主電機(jī)對(duì)各個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制。變頻一體化驅(qū)動(dòng)裝置采用Rockwell 集成化網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)完成信息層、設(shè)備層和控制層的設(shè)計(jì)；變頻一體驅(qū)動(dòng)裝置采用Logix550 編程軟件對(duì)控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)；此外，將變頻一體驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)、停止以及變頻調(diào)速功能與刮板輸送機(jī)的常規(guī)保護(hù)功能相結(jié)合。

2.2 基于交流變頻刮板輸送機(jī)的配套

本文所研究刮板輸送機(jī)的應(yīng)用工作面的實(shí)際生產(chǎn)能力為37000 t/h，工作面的設(shè)計(jì)長度為300 m，所配套刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸速度為1.5 m/s。結(jié)合上述參數(shù)和理論計(jì)算選型得出合理且相配套的刮板輸送機(jī)，具體型號(hào)為SGZ1000/3000 的中雙鏈變頻刮板輸送機(jī)，該型刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸速度為0～1.7 m/s，電機(jī)額定功率為1000 kW，鏈條中心距離為280 mm。結(jié)合現(xiàn)場使用工況，為確保變頻技術(shù)能夠充分發(fā)揮其作用，對(duì)刮板輸送機(jī)的關(guān)鍵零部件及控制策略的設(shè)計(jì)也尤為重要。

3 基于交流變頻技術(shù)刮板輸送機(jī)的優(yōu)化

本小節(jié)主要從刮板輸送機(jī)零部件性能、智能控制水平等方面對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，以確保交流變頻技術(shù)能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

3.1 刮板輸送機(jī)機(jī)械零部件的優(yōu)化

為解決刮板輸送機(jī)傳統(tǒng)機(jī)頭架容易發(fā)生煤塊堆積，從而增加運(yùn)行阻力加劇設(shè)備磨損的情況。將原刮板輸送機(jī)的機(jī)頭架采用交叉卸式布局形式，并采用中板開天窗的結(jié)構(gòu)，從而降低煤炭的卸料高度，降低了刮板輸送機(jī)在卸煤過程中的運(yùn)行阻力，明顯提升整機(jī)的運(yùn)輸效率，降低故障率。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 刮板輸送機(jī)頭架優(yōu)化效果

3.2 刮板輸送機(jī)啟動(dòng)方式的優(yōu)化

傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)主要采用直接啟動(dòng)方式，該種啟動(dòng)方式在載荷突變或者重載啟動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成沖擊，對(duì)應(yīng)的電流值為刮板輸送機(jī)額定電流值的6 倍左右，嚴(yán)重影響同一個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)其他設(shè)備的運(yùn)行。因此，本工程中刮板輸送機(jī)采用交流變頻技術(shù)中的CST 控制方式對(duì)其進(jìn)行控制。實(shí)踐表明，CST 控制方式能夠明顯在載荷突變和重載啟動(dòng)工況下降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，從而減小對(duì)相關(guān)機(jī)械零部件的沖擊。

3.3 刮板輸送機(jī)功率平衡控制的優(yōu)化

多電機(jī)驅(qū)動(dòng)為刮板輸送機(jī)主要發(fā)展趨勢，由于實(shí)際工況中刮板輸送機(jī)負(fù)載不均勻問題極易帶來各個(gè)電機(jī)功率不平衡問題，隨時(shí)可能造成電機(jī)燒毀的問題發(fā)生。因此在交流變頻技術(shù)的基礎(chǔ)上還需設(shè)計(jì)有效的功率平衡控制流程，保證當(dāng)刮板輸送機(jī)運(yùn)輸中負(fù)載發(fā)生變化時(shí)可對(duì)多臺(tái)電機(jī)的功率進(jìn)行平衡分配。

在比對(duì)PID 控制算法和模糊控制算法的基礎(chǔ)上，最終確定采用模糊PID 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)的功率平衡控制，對(duì)應(yīng)的程序流程如圖4 所示。

圖4 雙電機(jī)功率平衡控制流程圖

4 結(jié)語

刮板輸送機(jī)為綜采工作面與采煤機(jī)和液壓支架相配套的運(yùn)輸設(shè)備，其不僅為采煤機(jī)牽引提供軌道，而且還為液壓支架的移架推溜操作提供支撐。對(duì)于刮板輸送機(jī)而言，如何保證其運(yùn)輸能力和自動(dòng)化控制化水平對(duì)綜采工作面生產(chǎn)能力尤為重要。本文主要在交流變頻技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，具體總結(jié)如下：

1）采用變頻驅(qū)動(dòng)一體化裝置不僅可以解決其在載荷突變或重載啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備造成的沖擊問題，而且還能夠解決刮板輸送機(jī)電氣裝置之間的電磁干擾問題；

2）采用交叉卸式布局的機(jī)頭架形式可以有效解決塊煤堆積而造成的運(yùn)輸效率低、磨損嚴(yán)重的問題；

3）基于模糊PID 控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)多電機(jī)的功率平衡控制，可有效解決電機(jī)燒毀的問題。