王振朝

山西霍寶干河煤礦有限公司 山西 臨汾 041602

煤炭是我國(guó)重要的能源支柱，隨著供給側(cè)改革的推進(jìn)，節(jié)能減排逐漸成為煤炭發(fā)展的主流。對(duì)于帶式輸送機(jī)而言，因?yàn)檫\(yùn)行速度和物料承載的波動(dòng)，經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)載運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備損耗大。通過(guò)改變控制模式減低輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的工作阻力以降低能耗是有效的方法之一，但是在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中，因?yàn)檫\(yùn)輸物料量的不穩(wěn)定性，很難確?？刂颇Ｊ娇梢赃m應(yīng)各種運(yùn)輸條件[1]。本文根據(jù)礦井實(shí)際運(yùn)輸環(huán)境，通過(guò)改變物料質(zhì)量調(diào)節(jié)皮帶運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)了各種工況下智能調(diào)速的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的，為帶式輸送機(jī)節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了依據(jù)。

1 帶式輸送機(jī)節(jié)能運(yùn)行分析

礦用帶式輸送機(jī)往往根據(jù)礦井生產(chǎn)能力所確定，在額定功率下，電機(jī)在一定工頻下穩(wěn)定運(yùn)行，因此理想狀態(tài)下輸送機(jī)帶速是恒定的，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，因?yàn)檫\(yùn)料量的不同和帶速運(yùn)行速度的波動(dòng)，往往導(dǎo)致輸送機(jī)負(fù)載運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)載運(yùn)行造成設(shè)備運(yùn)行效率低下，功耗大，為此對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行功耗節(jié)能分析就顯得十分重要[2]。

帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中阻力是造成能耗最重要的原因，現(xiàn)降工作阻力分為基本阻力、傾斜阻力、附加阻力和特殊阻力四種。基本阻力是由托輥的運(yùn)行阻力、物料擠壓阻力、壓陷阻力和輸送機(jī)彎折阻力構(gòu)成。托輥運(yùn)行阻力是由裝置密封及運(yùn)行中軸承摩擦產(chǎn)生，因此轉(zhuǎn)速是重要的影響因素；此外運(yùn)行中物料與輸送機(jī)之間的摩擦力造成的擠壓阻力和壓陷阻力也是基本阻力的組成部分。

基本阻力計(jì)算公式如下：

式中，帶式輸送機(jī)承載段阻力系數(shù)為fi；輸送機(jī)長(zhǎng)度為li，單位m；重力加速度為g，單位m/s2；承重線密度為qi，單位kg/m；物料線密度為q，單位kg/m；輸送機(jī)線密度為qd，單位kg/m；運(yùn)行線路傾角為βi，單位°。

對(duì)于傾斜阻力而言，主要是機(jī)頭機(jī)尾角度差造成，因此傾斜阻力的計(jì)算與帶式輸送機(jī)傾斜角度有關(guān)，可用以下公式計(jì)算：

對(duì)于附加阻力，主要由滾筒阻力、轉(zhuǎn)動(dòng)阻力和落料阻力構(gòu)成，在運(yùn)料的過(guò)程中，物料在承載段會(huì)不斷消耗能量，消耗能量以阻力的形式表現(xiàn)，造成滾筒阻力和轉(zhuǎn)動(dòng)阻力的出現(xiàn)，當(dāng)物料下落的角度、速度與輸送機(jī)運(yùn)行方向及速度有差異時(shí)，造成了落料阻力。

特殊阻力并不存在于所有的帶式輸送機(jī)上，一般是因?yàn)樾读涎b置等所致，但是在長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，一般忽略特殊阻力的計(jì)算。

因此，對(duì)于帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中工作阻力的計(jì)算，主要通過(guò)以下公式獲得：

根據(jù)阻力計(jì)算公式，式中帶式輸送機(jī)承載段阻力系數(shù)為fi與輸送機(jī)運(yùn)行速度有關(guān)，其它參數(shù)則與功率因素有關(guān)，功率因素往往根據(jù)礦井生產(chǎn)所定，因此通過(guò)調(diào)節(jié)輸送機(jī)運(yùn)行速度減小運(yùn)行阻力。為此根據(jù)礦井帶式輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況，對(duì)設(shè)備工況進(jìn)行分析，設(shè)備參數(shù)如下：輸送機(jī)運(yùn)量為1100t/h，皮帶運(yùn)行速度為3.2m/s，承重線密度q為20.5kg/m，運(yùn)行過(guò)程中皮帶阻力系數(shù)為0.023，通過(guò)改變皮帶運(yùn)行的速度，判斷設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中能耗的變化，得到表1所示的結(jié)果。

表1 不同運(yùn)行速度下帶式輸送機(jī)能耗變化表

從表1可以看出，相同運(yùn)量下，隨著皮帶速度的增加，帶式輸送機(jī)能量損耗率增加明顯，雖然減小皮帶速度可以降低能量損耗率，但是卻增加了填充率，容易造成設(shè)備負(fù)載運(yùn)行，由此可見(jiàn)，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，適當(dāng)降低皮帶運(yùn)行速度是最佳的選擇，從實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，通過(guò)改變物料質(zhì)量調(diào)節(jié)皮帶運(yùn)行速度是最佳的選擇。

2 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)能控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)隨質(zhì)量變化調(diào)控皮帶運(yùn)行速度的目的，對(duì)節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行了總方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。系統(tǒng)流程如下，運(yùn)送物料經(jīng)過(guò)稱重傳感器進(jìn)行稱重，隨后將數(shù)據(jù)傳送至STM32F103單片機(jī)中，單片機(jī)將接受數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)輸出不同占比的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的控制。

圖1 節(jié)能控制系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)中，稱重傳感器是質(zhì)量檢測(cè)的重要手段，也是進(jìn)行后續(xù)速度調(diào)控的依據(jù)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：設(shè)備的量程靈敏度為1mv/v，零點(diǎn)輸出誤差在0.1mv/v范圍內(nèi)；非線性量程電阻與重復(fù)性電阻一樣，值為0.05Ω；滯后絕緣電阻為0.05MΩ；測(cè)量精度在1g以內(nèi)。

2.2 節(jié)能控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

節(jié)能控制軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)依賴于編程語(yǔ)言，利用C語(yǔ)言庫(kù)中的函數(shù)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行編寫。編寫程序功能包括系統(tǒng)構(gòu)架的初始化、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊以及電機(jī)控制模塊。對(duì)于節(jié)能調(diào)速功能的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)稱重傳感器預(yù)設(shè)參數(shù)和實(shí)測(cè)參數(shù)的計(jì)算獲得，根據(jù)PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)調(diào)速功能的實(shí)現(xiàn)。假定系統(tǒng)定時(shí)器的時(shí)鐘為75MHz，自動(dòng)裝載值為900，則PWM信號(hào)輸出的頻率值為80Khz，PWM信號(hào)的輸出依據(jù)比較值CCRx確定。節(jié)能控制軟件系統(tǒng)運(yùn)行成功后，將編譯環(huán)境通過(guò)USB串口導(dǎo)入到STM32單片機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)循環(huán)語(yǔ)言對(duì)不同質(zhì)量的預(yù)設(shè)值進(jìn)行預(yù)定值比較，進(jìn)而輸出控制量，進(jìn)行調(diào)速操作。

3 實(shí)際運(yùn)行狀況分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，改變物料的不同質(zhì)量，通過(guò)PWM輸出信號(hào)判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況。不同重量下PWM輸出信號(hào)如圖2所示，輸出頻率的額定設(shè)定值為80Khz，從圖4（a）圖可知，重量小于1kg的PWM輸出電壓平均值為1.17V；從圖4（b）圖可知，重量1kg-3kg的PWM輸出電壓平均值為2.29V；從圖4（c）圖可知，重量3kg-5kg的PWM輸出電壓平均值為3.38V；不同重量下輸出電壓值與編寫程序相符，當(dāng)質(zhì)量改變后，電壓信號(hào)也隨之改變，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制的功能，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖2 不同重量下PWM輸出信號(hào)

為了更直觀的得到調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能功能，對(duì)調(diào)速前和調(diào)速后功耗進(jìn)行了對(duì)比。進(jìn)行節(jié)能調(diào)速后，帶式輸送機(jī)的功率明顯降低，假定在400t/h運(yùn)行時(shí)間為3h，600t/h運(yùn)行時(shí)間為5h，800t/h運(yùn)行時(shí)間為3h，1000t/h運(yùn)行時(shí)間為4h，則進(jìn)行節(jié)能調(diào)速后每天共可節(jié)約電能80.5kW·h，證明了此次節(jié)能調(diào)速的成功性。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)節(jié)能運(yùn)行分析，得到輸送機(jī)運(yùn)行速度是造成能量損耗的主要原因，通過(guò)質(zhì)量調(diào)節(jié)皮帶運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)節(jié)能是最佳選擇。

（2）在對(duì)節(jié)能控制系統(tǒng)總體方案和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)帶式輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行了分析，得到系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制的功能，滿足設(shè)計(jì)需求。

（3）對(duì)節(jié)能調(diào)速前后功率進(jìn)行分析對(duì)比，計(jì)算得到節(jié)能調(diào)速后每天可節(jié)約電能80.5kW·h，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。