皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的設(shè)計

陳永豐

（陽泉煤業(yè)集團長溝煤礦有限責(zé)任公司機運部機電隊， 山西 和順 032700）

引言

帶式輸送機為綜采工作面的關(guān)鍵運輸設(shè)備，其承擔(dān)著工作面絕大多數(shù)的運輸任務(wù)。隨著綜采工作面生產(chǎn)能力的不斷提升，帶式輸送機朝著大運量、長距離以及高帶速的方向發(fā)展，進而對其驅(qū)動系統(tǒng)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。其中，要求帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)能夠改善設(shè)備的傳動性能，且在啟動和制動條件下能夠減小對設(shè)備的沖擊[1]。本文著重對帶式輸送機的驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行設(shè)計。

1 帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)總體方案設(shè)計

隨著帶式輸送機朝著大運量、長距離以及高帶速的方向發(fā)展，在輸送機高速、重載工況下運行時，往往會由于啟動電流過大從而對工作面整個電網(wǎng)造成沖擊，進而威脅工作面其他設(shè)備的穩(wěn)定運行。因此，需對帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)進行改進，并滿足如下功能要求：

減小輸送機的啟動電流，增大其啟動力矩；解決帶式輸送機啟動、制動階段輸送帶的打滑問題；解決帶式輸送機多電機驅(qū)動系統(tǒng)功率平衡的問題；實現(xiàn)對輸送帶運速的實時控制，達到節(jié)能的效果[2]。

目前，可應(yīng)用于帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)的方案包括有電機+調(diào)速耦合器+減速器+驅(qū)動滾筒、變頻電機+聯(lián)軸器+減速器+驅(qū)動滾筒、電機+聯(lián)軸器+CST+驅(qū)動滾筒的方式[3]。綜合考慮上述三種驅(qū)動方式的啟動特性、控制系統(tǒng)、功率平衡、節(jié)能以及成本等因素，選擇變頻電機+聯(lián)軸器+減速器+驅(qū)動滾筒的總體驅(qū)動方案，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

本文以長溝煤礦可伸縮帶式輸送機為研究對象，為其配置驅(qū)動系統(tǒng)。

2.1 帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)的布置

圖1 變頻驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

驅(qū)動裝置為帶式輸送機的核心部件，根據(jù)其布置位置的不同可分為頭部集中布置、中間布置以及頭尾分散布置三種方式。其中，基于驅(qū)動裝置的頭部集中布置對帶式輸送機主電機的技術(shù)要求低；縮短電機啟動時間，進而可提高驅(qū)動系統(tǒng)電機的使用壽命；可減小啟動或制動階段對電機造成的沖擊?；谥虚g驅(qū)動布置的帶式輸送機投資成本低，安裝、維修方便以及可解決設(shè)備浪費的問題。基于頭尾分散布置的帶式輸送機對于設(shè)備的安裝空間要求較小，對應(yīng)產(chǎn)品的通用互換性強[4]。

綜合對比上述三種驅(qū)動方式的優(yōu)劣性，選擇中間驅(qū)動的布置方式對驅(qū)動系統(tǒng)進行布置。

2.2 驅(qū)動滾筒的設(shè)計

驅(qū)動滾筒作為帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)的核心零件，其結(jié)構(gòu)合理性直接決定驅(qū)動系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。隨著帶式輸送機朝著大運量、長距離以及高帶速的方向發(fā)展，設(shè)備所承受的彎矩合成力較大，進而對驅(qū)動滾筒的強度要求較高。目前，常采用的驅(qū)動滾筒為焊接式滾筒，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，帶式輸送機驅(qū)動滾筒由筒體、軸承座、軸承以及傳動軸等組成。

目前，驅(qū)動滾筒筒殼厚度的設(shè)計依據(jù)為驅(qū)動滾筒的直徑。而驅(qū)動滾筒的直徑的計算公式如式（1）所示：

式中：Cs為帶式輸送機鋼絲直徑與滾筒直徑的比值，ds為帶式輸送機鋼絲繩直徑。

本文所研究帶式輸送機輸送帶的寬度為1 400 mm，為保證帶式輸送機在運行時輸送帶在滾筒上跑偏時的余量，一般要求滾筒寬度值的余量為150～200 mm之間。因此，本文所設(shè)計帶式輸送機滾筒的寬度為1 400+200=1 600 mm。

本文所研究帶式輸送機輸送帶的縱向拉伸強度值為4 500 N/m，根據(jù)帶式輸送機強度、帶寬與驅(qū)動滾筒直徑的取值表，確定驅(qū)動滾筒的直徑為1 700 mm，對應(yīng)的驅(qū)動滾筒筒殼厚度的取值如表1所示。

表1 驅(qū)動滾筒直接與筒殼厚度關(guān)系表 mm

查表1可得，滾筒筒體的厚度取值31 mm。

綜上所述，依據(jù)現(xiàn)有帶式輸送機輸送帶的相關(guān)參數(shù)所設(shè)計驅(qū)動滾筒的直徑為1 600 mm，滾筒的寬度為1 600 mm，滾筒筒殼厚度值為31 mm。

2.3 驅(qū)動滾筒的校驗

為驗證所設(shè)計驅(qū)動滾筒的強度要求，按照上述所設(shè)計驅(qū)動滾筒的參數(shù)在SolidWorks軟件中搭建三維模型，并將三維模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中，根據(jù)帶式輸送機的實際運行工況完成有限元模型邊界條件的設(shè)置，并完成網(wǎng)格劃分后對其強度進行仿真分析[5]。初步擬定驅(qū)動滾筒所選用的材料為Q345B的鋼。

驅(qū)動滾筒在仿真時所承受的載荷為170 kN·m的扭矩和85 kN·m的反扭矩。

經(jīng)仿真分析可知：帶式輸送機驅(qū)動滾筒的最大應(yīng)力值位于驅(qū)動滾筒的兩側(cè)，且最大應(yīng)力值為235.24 MPa，小于選材的需用應(yīng)力值345 MPa。即，所設(shè)計驅(qū)動滾筒的強度滿足要求。

3 驅(qū)動滾筒控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 驅(qū)動系統(tǒng)供電方案的設(shè)計

針對帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)高壓供電和低壓供電選用不同的供電方案。其中，針對高壓供電采用單母線分段供電，并以KYN28A-12型開關(guān)柜為高壓供電的核心。電源基于兩臺進線柜電纜進線，并基于一臺聯(lián)絡(luò)柜對電壓進行聯(lián)絡(luò)和切換。針對低壓供電采用XL改進型饋電柜進行供電，該饋電柜的規(guī)格為380 V，能夠為控制柜、變頻設(shè)備以及冷卻系統(tǒng)供電。

3.2 驅(qū)動系統(tǒng)控制方案的設(shè)計

帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)的控制核心為PLC，根據(jù)現(xiàn)場各類傳感器對帶式輸送機運行參數(shù)實時監(jiān)測后，通過PLC控制器得出相應(yīng)的控制策略，進而完成對帶式輸送機帶速、驅(qū)動力等參數(shù)控制。此外，基于帶式輸送機控制系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備堆煤、縱撕等事故的保護。

本文系統(tǒng)所選用PLC控制器為AB公司所研發(fā)的控制器，可實現(xiàn)對設(shè)備手動、自動以及遠程控制。本控制系統(tǒng)的直接操作界面為TH24礦用本安型操作臺?？刂屏鞒倘鐖D3所示。

圖3 帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)控制流程圖

4 結(jié)語

帶式輸送機作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，運輸效率直接決定綜采工作面的生產(chǎn)能力。為適應(yīng)帶式輸送機高帶速、長距離以及大運量的運輸要求，本文對設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)進行設(shè)計。

1）綜合考慮三種驅(qū)動方式的啟動特性、控制系統(tǒng)、功率平衡、節(jié)能以及成本等因素，選擇變頻電機+聯(lián)軸器+減速器+驅(qū)動滾筒的總體驅(qū)動方案。

2）所設(shè)計驅(qū)動滾筒的直徑為1 600 mm，滾筒的寬度為1 600 mm，滾筒筒殼厚度值為31 mm，且經(jīng)有限元仿真分析可得，該滾筒的最大應(yīng)力值為235.24 MPa，小于選材的需用應(yīng)力值345 MPa。

3）根據(jù)帶式輸送機的工作要求，基于PLC控制器完成驅(qū)動系統(tǒng)的控制流程圖，并完成驅(qū)動系統(tǒng)的高壓、低壓供電。