帶式輸送機(jī)節(jié)能控制方法淺析

黃世頂，韓雷，常欣，吳在超，王永波，王強(qiáng)

（1.兗礦集團(tuán)貴州能化龍鳳煤礦，貴州 金沙 551800；2.力博重工科技股份有限公司，山東泰安 271000；3.山東歐瑞安電氣有限公司，山東 泰安 271000）

帶式輸送機(jī)作為散狀物料輸送領(lǐng)域中效率最高、應(yīng)用最為廣泛的物料運(yùn)輸裝備，是一種以輸送帶作為承載與牽引部件，依靠摩擦傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的物料輸送設(shè)備。其主要由輸送帶、托輥、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)裝置、拉緊裝置、制動(dòng)裝置、滾筒組及其它輔助設(shè)備構(gòu)成，已廣泛應(yīng)用在礦山、冶金、水泥、碼頭等領(lǐng)域，目前正向著長(zhǎng)距離、大傾角、高帶速、智能化的方向發(fā)展。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，輸送機(jī)的能耗問(wèn)題也越來(lái)越突出。

1 帶式輸送機(jī)能量浪費(fèi)的主要來(lái)源

(1）由于生產(chǎn)的不連續(xù)性與運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性之間的矛盾，使得帶式輸送機(jī)經(jīng)常處于半載甚至空載的運(yùn)行工況，其運(yùn)輸物料的效率較低。

(2）在除去運(yùn)送物料所必須消耗的能量之外，帶式輸送機(jī)的能量消耗主要取決于它的運(yùn)行阻力，包括：托輥旋轉(zhuǎn)阻力、輸送帶壓陷滾動(dòng)阻力、其他附加阻力等；隨著長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高帶速輸送機(jī)的發(fā)展，壓陷滾動(dòng)阻力占主要阻力的比例越來(lái)越大，這極大增大了輸送機(jī)的無(wú)用功率。

(3）傳動(dòng)裝置的能量損耗問(wèn)題。傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)得驅(qū)動(dòng)裝置通常由異步電機(jī)、液力耦合器或液體粘性軟起動(dòng)、減速器、聯(lián)軸器等組成，起動(dòng)時(shí)扭矩小，難以實(shí)現(xiàn)滿載起動(dòng)，且故障形式多樣，故障率高，維護(hù)成本較高，是一種嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。

2 帶式輸送機(jī)節(jié)能改造方法

2.1 低阻力節(jié)能型輸送帶

在設(shè)計(jì)一個(gè)輸送系統(tǒng)時(shí)，需合理選擇輸送機(jī)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，包括：帶寬、帶速、托輥間距、托輥直徑、輸送帶類型等，基本參數(shù)的選擇不僅要滿足系統(tǒng)的功能要求外，更應(yīng)該使系統(tǒng)能量消耗及成本減小。

帶式輸送機(jī)輸送帶是由內(nèi)部帶芯和外部上下覆蓋膠組合而成的復(fù)合材料，其整體宏觀特性表現(xiàn)為粘彈性。其中，上下覆蓋膠多為橡膠材質(zhì)，其力學(xué)表現(xiàn)為粘彈性。與其接觸的托輥多為鋼制材料，力學(xué)表現(xiàn)為剛性。在輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，輸送帶的覆蓋膠與托輥相接觸，由于二者力學(xué)特性相差較大，與托輥接觸部分的覆蓋膠在輸送帶自身重力與承載物料重力的作用下出現(xiàn)壓陷變形，而當(dāng)該部分覆蓋膠在脫離托輥后恢復(fù)形變時(shí)，因自身的粘彈性導(dǎo)致形變恢復(fù)出現(xiàn)時(shí)滯現(xiàn)象。這種由于托輥壓入輸送帶覆蓋膠而引起的與輸送帶運(yùn)行方向相反的阻力我們稱之為壓陷滾動(dòng)阻力。

有研究測(cè)試表明，在運(yùn)輸距離為一千米的帶式輸送機(jī)中，壓陷滾動(dòng)阻力約占輸送機(jī)總運(yùn)行阻力的60%，且距離越長(zhǎng)，壓陷阻力所占比重越大。因此降低輸送帶壓陷滾動(dòng)阻力是實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的重要手段措施。

分析壓陷滾動(dòng)阻力產(chǎn)生的機(jī)理可知，輸送帶的粘彈性特性是影響輸送機(jī)壓陷滾動(dòng)阻力的主要因素，可以通過(guò)選配合理的輸送帶橡膠材料及其配方獲得合適的輸送帶粘彈性參數(shù)，再結(jié)合調(diào)整輸送帶和輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如適當(dāng)調(diào)整托輥布置間距，適當(dāng)提高帶速，增大托輥輥徑等，達(dá)到降低輸送帶壓陷阻力的目的；目前通過(guò)調(diào)整輸送帶本身特性實(shí)現(xiàn)輸送帶節(jié)能的三個(gè)方式有：

（1）降低輸送帶厚度，尤其是輸送帶與托輥接觸面覆蓋膠的厚度；

（2）在保證輸送帶強(qiáng)度的情況下，研發(fā)新型帶芯材料，減輕輸送帶的自重；

（3）改進(jìn)橡膠配方進(jìn)而改進(jìn)輸送帶上下覆蓋膠的粘彈性，減少其形變量。芳綸輸送帶因其高模量、低伸長(zhǎng)、高強(qiáng)度、低質(zhì)量、低蠕變的性能，在輸送帶節(jié)能上有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖1 壓陷阻力輸送帶對(duì)比傳統(tǒng)輸送帶的粘彈性損耗仿真圖

2.2 新型驅(qū)動(dòng)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)驅(qū)動(dòng)

帶式輸送機(jī)輸送帶為粘彈性體，在起動(dòng)和拉緊中，輸送帶內(nèi)部會(huì)儲(chǔ)存大量的能量，而在制動(dòng)時(shí)輸送帶存儲(chǔ)的能量將釋放，這就造成輸送帶產(chǎn)生動(dòng)張力。為盡可能地降低輸送帶在過(guò)渡工況下的動(dòng)張力，降低對(duì)輸送機(jī)電氣裝置與機(jī)械本體的沖擊，輸送機(jī)通常安置有軟起動(dòng)裝置。目前常用的軟起動(dòng)裝置或技術(shù)有：變頻調(diào)速、可控硅電機(jī)調(diào)速、調(diào)速型液力耦合器、液體粘性軟起動(dòng)、CST可控軟起動(dòng)裝置等，其中液力耦合器、液體粘性軟起動(dòng)和變頻技術(shù)應(yīng)用最為普遍。液力耦合器相比于液體粘性軟起動(dòng)，存在一定的劣勢(shì)：

（1）液力耦合器在工作時(shí)必須有3%~5%的滑差，而這又造成傳動(dòng)功率的損失；

（2）電機(jī)必須空載起動(dòng)，造成起動(dòng)過(guò)程中會(huì)有較大的沖擊；

（3）無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比為1 的直接起動(dòng)，目前已基本淘汰。

理論上講，變頻裝置是最理想的軟起動(dòng)裝置，通過(guò)改變電流的頻率對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，起動(dòng)時(shí)電機(jī)特性較硬，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，但其對(duì)電源的頻率以及電壓的穩(wěn)定性要求較高，維護(hù)成本相對(duì)較高。

隨著電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)正在逐漸取代傳動(dòng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置，其直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)滾筒使得輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中拋棄原有的液力耦合器、齒輪減速箱等中間傳動(dòng)裝置，減少了傳動(dòng)損耗，提高了傳動(dòng)效率。永磁同步電機(jī)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）較高的傳動(dòng)效率：永磁直驅(qū)傳動(dòng)效率可達(dá)93%，傳動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置僅在70~80%左右；

（2）較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：永磁同步電機(jī)搭配變頻器可恒定輸出2.2 倍額定轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)重載起動(dòng)；

（3）電機(jī)功率因數(shù)高。永磁同步電機(jī)的功率因數(shù)在0.96 左右，大大降低了電機(jī)的無(wú)用功率。

圖2 永磁電機(jī)和永磁滾筒應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

2.3 基于帶式輸送機(jī)料流監(jiān)測(cè)的調(diào)速控制方法

根據(jù)專家學(xué)者分析及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，帶式輸送機(jī)輸送帶上的料流越穩(wěn)定、質(zhì)量分布越均勻，則輸送機(jī)系統(tǒng)耗電量就越低。因此通過(guò)實(shí)時(shí)判別輸送帶上的物料狀態(tài)，以此合理調(diào)整輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，即可達(dá)到提高能效的目的。其中，輸送帶上物料的瞬時(shí)流量是最為重要的物料狀態(tài)參數(shù)。有效的獲得物料瞬時(shí)流量則是該技術(shù)的核心。

目前帶式輸送機(jī)上大多采用皮帶秤、核子稱、超聲波測(cè)距儀進(jìn)行瞬時(shí)流量監(jiān)測(cè)。通過(guò)將采集到的信號(hào)回傳給控制室，為管理人員提供決策依據(jù)。其中，電子皮帶秤現(xiàn)世時(shí)間最長(zhǎng)，其價(jià)格低廉，依靠稱重傳感器進(jìn)行設(shè)定輸送帶長(zhǎng)度上物料重量的稱量，結(jié)合速度傳感器，從而計(jì)算該區(qū)域內(nèi)的物料流量，該計(jì)量裝置并未充分考慮物料的分布情況，存在一定的誤差;核子稱的穩(wěn)定性和可靠性遠(yuǎn)高于電子皮帶秤，但因放射性物質(zhì)而存在較大的安全隱患；超聲波測(cè)距儀也廣泛應(yīng)用于物料監(jiān)測(cè)，由于其扇形發(fā)射特性，使得它的抗干擾能力較差。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，激光測(cè)量法逐漸應(yīng)用在帶式輸送機(jī)料流監(jiān)測(cè)方面，該光學(xué)測(cè)量技術(shù)具有柔性大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低及高精度等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)激光掃描儀實(shí)時(shí)獲取輸送帶上物料橫截面輪廓信息，快速實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量計(jì)算。除去監(jiān)測(cè)物料橫截面輪廓信息之外，基于料寬比的料流分析法也在逐漸應(yīng)用，該方法基于視頻與識(shí)別技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)比對(duì)料流寬度與輸送帶寬度，可粗略地進(jìn)行瞬時(shí)流量判定。

通過(guò)對(duì)物料瞬時(shí)流量的精準(zhǔn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)物料量與輸送機(jī)運(yùn)行速度相匹配，從而實(shí)現(xiàn)“量多快運(yùn)，量少慢運(yùn)”，避免出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，有效減少設(shè)備的空載運(yùn)行時(shí)間，減少設(shè)備磨損，節(jié)約電力資源。對(duì)于由多條輸送機(jī)組成的主運(yùn)輸系統(tǒng)，采用基于激光三角法或超聲波法的物料瞬時(shí)流量監(jiān)測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的逆煤流起動(dòng)向順煤流起動(dòng)的轉(zhuǎn)變，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，節(jié)約成本。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在分析帶式輸送機(jī)能量浪費(fèi)來(lái)源的基礎(chǔ)上，從多方面提出了帶式輸送機(jī)節(jié)能控制策略，提升帶式輸送機(jī)的運(yùn)行效率，進(jìn)而減少電量消耗與設(shè)備磨損，有效地降低企業(yè)投入成本，有力地促進(jìn)帶式輸送機(jī)的節(jié)能減排與綠色發(fā)展。