礦井帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化研究

梁 楠

(西山煤電有限責(zé)任公司 發(fā)電公司，山西 太原 030200)

帶式輸送機(jī)是井下運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，同時(shí)也是井下掘進(jìn)電氣設(shè)備中能耗較大的設(shè)施[1]。所以針對(duì)帶式輸送機(jī)的節(jié)能研究引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，并開(kāi)展了一系列的研究。程軍等[2]通過(guò)計(jì)算帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需的軸功率，提出了變頻調(diào)速的方法對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行節(jié)能控制；任中全等[3]采用模糊控制理論設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)，并用MATLAB對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的帶速進(jìn)行了仿真；孫汪萍[4]從輸送帶應(yīng)力應(yīng)變的特性入手，將帶式輸送系統(tǒng)離散成有限個(gè)“質(zhì)量-彈簧-阻尼”子系統(tǒng)，建立了整個(gè)輸送系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。帶式輸送機(jī)的技術(shù)優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，為企業(yè)降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，因此開(kāi)展帶式輸送機(jī)的節(jié)能研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 帶式輸送機(jī)的數(shù)學(xué)模型

帶式輸送機(jī)由三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶運(yùn)行，由滾筒、軸承等實(shí)現(xiàn)傳送帶的轉(zhuǎn)向功能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在輸送機(jī)的工作過(guò)程中，會(huì)受到基本阻力、傾斜阻力、附加阻力以及其他阻力的作用[5]。

圖1 帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)

1) 基本阻力是出現(xiàn)在水平的傳送帶上物料和傳送帶以及托輥之間相互摩擦所產(chǎn)生的阻力，是造成系統(tǒng)能耗最大的阻力。

Wz=(f0+cv)·l·g·[q'+(q+qd)cosβ]

(1)

式中：f0為與輸送機(jī)帶速無(wú)關(guān)的阻力系數(shù)；c為與輸送機(jī)帶速有關(guān)的阻力系數(shù)；v為輸送機(jī)帶速，m/s；l為輸送帶長(zhǎng)度，m；q為物料在傳送帶上的分布密度，kg/m；qd為輸送帶不同階段的線密度，kg/m；q' 為輸送帶上托輥旋轉(zhuǎn)部分的分布密度，kg/m ；β為輸送機(jī)傾角，向上運(yùn)行時(shí)為正，向下運(yùn)行時(shí)為負(fù)；g為重力加速度，m/s2。

回程段傳送帶中的基本阻力：

Wk=(f'0+c'v)·l·g·[q"+(q+qd)cosβ]

(2)

式中：f'0為回程段與輸送機(jī)帶速無(wú)關(guān)的阻力系數(shù)；c' 為回程段與輸送機(jī)帶速有關(guān)的阻力系數(shù)；q"為不同回程段中托輥旋轉(zhuǎn)的密度，kg/m。

2) 傾斜阻力：由運(yùn)輸路徑產(chǎn)生傾角而造成的阻力。

Wq=q·g·l·sinβ

(3)

3) 附加阻力主要是指在輸送過(guò)程中受到其他因素影響所造成的阻力，主要包括：傳送帶送料區(qū)的添加阻力、傳送帶的滾筒連接處的改向阻力和驅(qū)動(dòng)滾筒軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力。

4) 特殊阻力通常是為了適應(yīng)特殊情況而加裝設(shè)備后才產(chǎn)生的阻力，這種阻力所消耗的能量通常較小，對(duì)于大型輸送帶系統(tǒng)，一般情況下可以忽略不計(jì)。

輸送機(jī)的牽引力：

F=Wz+Wk+Wq

(4)

輸送機(jī)的運(yùn)量：

Q=3.6qv

(5)

式中：Q為輸送機(jī)的運(yùn)量，t/h。

傳動(dòng)帶軸承功率：

P=Fv

(6)

將式(1)～(5)代入式(6)中，可得到傳送帶滾筒軸承所消耗的功率：

P=l·g[c(q'+qdcosβ)+c'(q"+qdcosβ)]v2+

(7)

2 帶式輸送機(jī)節(jié)能分析

由式(1)～(7)分析可知，當(dāng)運(yùn)速一定時(shí)，運(yùn)量增大，傳送帶軸承功率增大，當(dāng)運(yùn)量一定時(shí)，輸送機(jī)的運(yùn)速和功率成線性正比關(guān)系。消耗的功率和運(yùn)量及運(yùn)速相互影響、相互制約。運(yùn)量處于滿(mǎn)載或者輕載狀態(tài)時(shí)，輸送機(jī)上的物料分布密度q也會(huì)隨著運(yùn)速的變化而變化，即物料填充率隨運(yùn)速的變化而變化。當(dāng)滿(mǎn)載時(shí)，隨著運(yùn)速的減小，物料填充率增加，此時(shí)功率也隨之降低，能耗也降低。當(dāng)運(yùn)量降低，即處于輕載狀態(tài)時(shí)，運(yùn)速不變則能耗將增大，降低運(yùn)速則物料填充率增加，能耗降低。同時(shí)帶式輸送機(jī)的速度受到運(yùn)量和輸送帶強(qiáng)度的制約，降低帶速時(shí)單位長(zhǎng)度輸送帶上的物料質(zhì)量增加，因此輸送帶的張力同樣要增加，則對(duì)輸送機(jī)的傳送帶的性能提出更高要求，要求韌性好、寬度大的傳送帶，但這樣卻大大增加了設(shè)備成本，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，輸送機(jī)并不是滿(mǎn)負(fù)荷作業(yè)，采用大帶寬、高強(qiáng)度的傳送帶，則會(huì)造成很大的資源浪費(fèi)，增加成本。因此，在實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)中根據(jù)運(yùn)量的大小匹配運(yùn)速，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。運(yùn)量和運(yùn)速的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)運(yùn)速低于輸送機(jī)設(shè)置的最低運(yùn)速時(shí)，會(huì)將運(yùn)速固定為最低運(yùn)速。運(yùn)量和運(yùn)速的關(guān)系可用式(8)表達(dá)。因此要在確保輸送帶強(qiáng)度的情況下，考慮煤倉(cāng)的儲(chǔ)煤量、單位時(shí)間內(nèi)的采煤量等因素，匹配運(yùn)量和運(yùn)速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

圖2 輸送機(jī)運(yùn)量和運(yùn)速關(guān)系

(8)

3 帶式輸送機(jī)的控制優(yōu)化

在大型井下采煤系統(tǒng)中，都是大運(yùn)量、遠(yuǎn)距離輸送，甚至還有大傾角的情況。為了能夠在這種工礦環(huán)境下高效地工作，帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也要相應(yīng)配備大功率電機(jī)。

帶式輸送機(jī)系統(tǒng)如果采用單機(jī)驅(qū)動(dòng)，單電機(jī)功率大、體積大，不利于煤礦井下狹窄環(huán)境下設(shè)備運(yùn)輸與安裝。帶式輸送機(jī)雙機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比起來(lái)，功率可以更大，但是體積可以更小，方便了煤礦井下的設(shè)備運(yùn)輸與安裝，因此采用變頻雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)是發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是井下實(shí)現(xiàn)大功率輸送的有效方法。帶式輸送機(jī)采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制要確保電機(jī)同步，所以需要滿(mǎn)足電機(jī)轉(zhuǎn)速相等和電磁轉(zhuǎn)矩相等的要求[6]。需要從原理上研究電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系。

電機(jī)電力拖動(dòng)公式：

(9)

式中：te為電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩；tl為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；ωt為電機(jī)角速度；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；β為電機(jī)角加速度。

由式(9)可知電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)的加速或者減速起到?jīng)Q定性作用。電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生角加速度使電機(jī)加速；電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生角減速度使電機(jī)減速[7]。所以在對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化控制的時(shí)候應(yīng)該對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合理分配，確保電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制。

本文主要研究變頻雙電機(jī)優(yōu)化調(diào)節(jié)，采用動(dòng)態(tài)加速控制方法，同時(shí)在該系統(tǒng)加裝節(jié)能調(diào)速控制模塊，根據(jù)運(yùn)輸物料的重量自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)速?？刂圃砣鐖D3所示。當(dāng)系統(tǒng)處于加速時(shí)，兩電機(jī)都以程序給定加速度加速，控制過(guò)程中速度進(jìn)行閉環(huán)控制，控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩相等，將主電機(jī)的實(shí)際速度作為從電機(jī)的給定速度，保證兩電機(jī)同步同速。此時(shí)主電機(jī)和從電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩分別為 ，te1=t11+J1·β1，te2=t12+J2·β2，由于控制過(guò)程中速度時(shí)刻同步，則兩電機(jī)角加速度也相等。膠帶總負(fù)載轉(zhuǎn)矩t1=t11+t12為定值，變頻雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總輸出電磁轉(zhuǎn)矩也為定值，系統(tǒng)要加速，在總輸出電磁轉(zhuǎn)矩為定值的前提下，只有對(duì)主電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整，其補(bǔ)償量為0.5(te2-te1) ，則主電機(jī)的給定輸出電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)閠e/2，從而從電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩也為te/2，最終達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速同步和輸出功率平衡，實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)同步。

對(duì)某帶式輸送機(jī)的電機(jī)進(jìn)行Simulink仿真，兩電機(jī)參數(shù)一致，功率為500 kW，額定電壓為1 140 V，額定工作頻率為50 Hz，電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)為2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 3.1 kg·m2。仿真中對(duì)皮帶施加的重力進(jìn)行調(diào)整，以觀察皮帶運(yùn)速的變化狀態(tài)。結(jié)果如圖4、5所示。

通過(guò)對(duì)雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)仿真中經(jīng)歷了不穩(wěn)定啟動(dòng)狀態(tài)、加速狀態(tài)、減速狀態(tài)和平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)。在系統(tǒng)啟動(dòng)階段處于不穩(wěn)定啟動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)啟動(dòng)電流大，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩都為零，因此需要在控制中加限流環(huán)節(jié)。膠帶系統(tǒng)加速狀態(tài)和減速時(shí)兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩相等，轉(zhuǎn)速基本達(dá)到同步。系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)也達(dá)到了電機(jī)輸出功率平衡，實(shí)現(xiàn)了無(wú)極調(diào)速功能，電機(jī)啟動(dòng)電流、加速電流和電磁轉(zhuǎn)矩幅值波動(dòng)控制在范圍之內(nèi)。

圖5 主從電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)的力學(xué)模型和節(jié)能原理進(jìn)行分析，并提出了雙電機(jī)控制的節(jié)能系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和Simulink仿真。通過(guò)研究可得到如下結(jié)論：

1) 帶式輸送機(jī)的節(jié)能是可實(shí)現(xiàn)，并且易于實(shí)現(xiàn)的節(jié)能手段，可大大提高資源利用率，實(shí)現(xiàn)降本增效。

2) 動(dòng)態(tài)加速控制方法是雙電機(jī)變頻調(diào)速控制的有效方法，可確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性及雙電機(jī)的同步精度。

3) 采用該控制方法，帶式輸送機(jī)的利用率可達(dá)到90%以上，具有一定的社會(huì)意義。