基于AMT等加速控制的帶式輸送機(jī)啟動(dòng)特性研究

李鵬洲，張彥麗

（1.潞安集團(tuán)山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治047100；2.長(zhǎng)治市上黨區(qū)應(yīng)急管理局，山西 長(zhǎng)治047100）

引言

隨著對(duì)煤炭運(yùn)輸要求的不斷提高，以帶式輸送機(jī)為代表的各類型的散料輸送設(shè)備不斷投入使用，極大地提升了對(duì)煤炭的運(yùn)輸效率。輸送機(jī)受工作原理的限制，在啟動(dòng)過(guò)程中必然會(huì)在輸送帶內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)張力，當(dāng)動(dòng)張力過(guò)大時(shí)將對(duì)輸送機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的沖擊，造成輸送帶斷裂、機(jī)架受沖擊折斷、輸送帶跑偏等事故，給煤炭生產(chǎn)企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)有的各類型的變頻調(diào)速軟啟動(dòng)、交流電機(jī)軟啟動(dòng)等雖然降低輸送帶動(dòng)張力的效果比較顯著，但普遍存在著價(jià)格昂貴、故障率高、對(duì)使用環(huán)境要求高的缺點(diǎn)，因此研究一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟啟動(dòng)特性優(yōu)良、價(jià)格便宜的軟啟動(dòng)方式，確保輸送機(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)性。

1 帶式輸送機(jī)的AMT 軟啟動(dòng)工作原理

本文以異步電機(jī)為輸送機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將AMT作為輸送機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)裝置，通過(guò)在輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中逐步換擋來(lái)確保輸送機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)性，以AMT裝置為啟動(dòng)裝置的輸送機(jī)軟啟動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。

圖1 AMT軟啟動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

帶式輸送機(jī)在工作時(shí)的阻力可分為系統(tǒng)阻力FH、物料的提升阻力Fst、輸送機(jī)系統(tǒng)的附加阻力FN及輸送機(jī)系統(tǒng)的特種阻力Fs，運(yùn)行過(guò)程中的總阻力可表示為[1]：

輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中各阻力的總的阻力矩Tf可表示為：

輸送機(jī)在工作過(guò)程中通過(guò)離合器作用在從動(dòng)軸上的阻力矩TL可表示為：

式中：i0為軟制動(dòng)裝置的減速比；R為帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒的半徑；ig為軟制動(dòng)裝置的傳動(dòng)比；η為軟制動(dòng)裝置的傳動(dòng)效率。

因此可將AMT軟啟動(dòng)裝置的控制扭矩與帶式收縮功能機(jī)啟動(dòng)時(shí)的加速度之間的關(guān)系表示為[2]：

式中：TC為軟制動(dòng)裝置輸出扭矩；Jg為軟制動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J0為減速器輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jcf為軟制動(dòng)裝置從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；v為輸送機(jī)的額定運(yùn)行速度；M為輸送機(jī)的等效運(yùn)行質(zhì)量；

當(dāng)各個(gè)參數(shù)確定后，即可將AMT軟啟動(dòng)裝置工作時(shí)對(duì)不同擋位的輸出扭矩，轉(zhuǎn)換為與輸送帶運(yùn)行時(shí)的啟動(dòng)加速度之間的線性比例關(guān)系，在輸送機(jī)工作時(shí)的負(fù)載和輸送機(jī)的阻力扭矩確定后即可通過(guò)精確控制AMT軟啟動(dòng)裝置[3]的傳遞扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶啟動(dòng)加速度的精確控制。

2 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的三維建模

帶式輸送機(jī)在工作時(shí)，由于輸送帶的黏彈性特性及驅(qū)動(dòng)滾筒對(duì)輸送帶的摩擦驅(qū)動(dòng)力，使輸送帶在驅(qū)動(dòng)滾筒的切入側(cè)和分離側(cè)的張緊力并不相同，為了確保輸送帶在啟動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)性，就需要使兩側(cè)張力及控制系統(tǒng)給其施加的張緊力之間維持一定的關(guān)系，可表示為：

式中：T1為輸送帶在切入側(cè)的張力；T1為輸送帶在分離側(cè)的張力；μ為驅(qū)動(dòng)滾筒和輸送帶之間的摩擦力；Ftmax為輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒工作時(shí)對(duì)輸送帶的最大驅(qū)動(dòng)力；Ts為系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸送帶內(nèi)張力時(shí)提供的張緊力；α為輸送帶和驅(qū)動(dòng)滾筒的圍包角；Ffs為輸送帶和張緊系統(tǒng)之間的運(yùn)動(dòng)阻力。

在對(duì)輸送機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)進(jìn)行受力分析的基礎(chǔ)上，利用AMEsim仿真分析軟件[4]，以某型輸送機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，建立該輸送機(jī)系統(tǒng)的仿真分析模型，如圖2所示。本文在對(duì)輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)，只考慮AMT軟啟動(dòng)裝置的扭矩控制和接合控制規(guī)律，在軟啟動(dòng)裝置的離合器分開(kāi)后，最初輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行帶速較低，因此在各類型的運(yùn)行阻力的作用下輸送帶的運(yùn)行速度會(huì)逐漸降低，考慮軟啟動(dòng)裝置在擋位轉(zhuǎn)換過(guò)程中若分離和接合的時(shí)間過(guò)快則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊，不僅不利于對(duì)輸送帶張緊力的控制，而且還會(huì)對(duì)啟動(dòng)裝置造成損害，影響其使用壽命，因此可將其軟制動(dòng)裝置的分離時(shí)間設(shè)置為50 ms，將結(jié)合的時(shí)間設(shè)定為400 ms。

圖2 基于AMT軟啟動(dòng)系統(tǒng)的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)模型

3 基于AMT等加速控制的輸送機(jī)啟動(dòng)特性的仿真分析

在對(duì)基于AMT等加速控制的輸送機(jī)啟動(dòng)特性進(jìn)行研究時(shí)，要求系統(tǒng)從靜止逐步加速啟動(dòng)到設(shè)定的穩(wěn)定運(yùn)行速度3.31 m/s，在仿真過(guò)程中控制AMT軟啟動(dòng)裝置按等加速控制方式從最低擋開(kāi)始，逐步進(jìn)行換擋，仿真分析結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 啟動(dòng)時(shí)輸送帶的加速度變化曲線

由圖3可知，在逐步對(duì)軟啟動(dòng)裝置進(jìn)行換擋過(guò)程中在每次離合器的分離和接合的時(shí)候均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)間的加速度突變，最大突變量約為0.8 m/s2，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的沖擊較小，在整個(gè)過(guò)程中其換擋后的穩(wěn)定加速度為0.2 m/s2，輸送帶從靜止到達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行帶速所經(jīng)歷的實(shí)際時(shí)間約為29.9 s。

由圖4可知，在啟動(dòng)過(guò)程中，輸送帶的加速度的突變會(huì)導(dǎo)致滾筒的緊邊的張緊力發(fā)生突然的變化，其最大瞬時(shí)張緊力約為68 kN，當(dāng)在穩(wěn)定加速階段時(shí)其緊邊的張緊力保持在60.1 kN，當(dāng)輸送帶穩(wěn)定運(yùn)行后其緊邊的張緊力約為45.2 kN，由此可知在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中輸送帶因換擋所產(chǎn)生的動(dòng)張力最大為7.9 kN，遠(yuǎn)低于輸送帶可承受的極限張緊力，因此啟動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性較高。

圖4 啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)滾筒的緊邊張力變化曲線

由圖5可知，在輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)滾筒的扭矩在換擋時(shí)也會(huì)出現(xiàn)顯著的波動(dòng)，其扭矩的瞬間最大值可達(dá)22.9 kN·m，其穩(wěn)定時(shí)的扭矩約為18.41 kN·m，在啟動(dòng)時(shí)的扭矩波動(dòng)量約為4.49 kN·m，穩(wěn)定后驅(qū)動(dòng)滾筒的扭矩約為10.89 kN·m，遠(yuǎn)低于驅(qū)動(dòng)滾筒的極限扭矩，因此穩(wěn)定性較高，可靠性好。

圖5 啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)滾筒的扭矩變化曲線

4 結(jié)論

1）在每次加速過(guò)程中，輸送帶的最大加速度突變量約為0.8 m/s2，對(duì)系統(tǒng)的沖擊振動(dòng)較?。?/p>

2）在AMT軟啟動(dòng)系統(tǒng)換擋時(shí)，在輸送帶內(nèi)產(chǎn)生的最大的動(dòng)張力僅比正常穩(wěn)定加速換向時(shí)的動(dòng)張力大7.9 kN，遠(yuǎn)低于輸送帶可承受的極限張緊力，安全性高；

3）在啟動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)滾筒的扭矩波動(dòng)約為4.49 kN·m，遠(yuǎn)低于驅(qū)動(dòng)滾筒的極限扭矩，因此穩(wěn)定性較高，可靠性好，完全滿足輸送機(jī)系統(tǒng)平穩(wěn)性的啟動(dòng)要求。