堆取料機(jī)變速電子皮帶秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

歐榮年 唐 蒙

國投中煤同煤京唐港口有限公司

1 引言

斗輪堆取料機(jī)的設(shè)計(jì)理念逐漸趨于大型化和自動化，作業(yè)能力逐漸增加。在作業(yè)計(jì)量方面，堆取料機(jī)在作業(yè)過程中利用安裝在懸臂皮帶上的電子皮帶秤進(jìn)行物料的動態(tài)稱量。某堆取料機(jī)電子皮帶秤的結(jié)構(gòu)形式為雙杠桿式，速度形式為恒速，速度約為5.3 m/s，皮帶速度較高。當(dāng)堆取料機(jī)的取料流量低于1 500 t/h時，電子皮帶秤的精度會出現(xiàn)偏差較大的情況。提出利用變頻調(diào)速技術(shù)對堆取料機(jī)懸臂皮帶進(jìn)行速度調(diào)整，當(dāng)流量較小時通過皮帶降速來增加單位長度上的物料重量和厚度，同時降低帶速對皮帶秤干擾等因素來綜合提升電子皮帶秤的精度。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

按照《GBT7721-2017連續(xù)累計(jì)自動衡器(皮帶秤)》規(guī)定，電子皮帶秤準(zhǔn)確度等級為0.2、0.5、1、2四個等級，雙杠桿式電子皮帶秤在堆取料機(jī)上的理論精度一般為1%左右。標(biāo)準(zhǔn)也明確指出：單速電子皮帶秤的最小流量應(yīng)等于最大流量的20%。當(dāng)通過皮帶秤的物料流量過低時，加載到稱重傳感器上的凈載荷較少，系統(tǒng)精度受外部環(huán)境影響較大，如溫度、機(jī)械加工精度、傳感器本身精度、皮帶跑偏、皮帶秤零點(diǎn)不準(zhǔn)等。因此提高稱重傳感器上的靜載荷成為解決堆取料機(jī)皮帶秤低流量作業(yè)時精度問題的關(guān)鍵。

電子皮帶秤的累積量計(jì)算可用如下積分式表示：

W=Q×dt=q(t)×V(t)×dt

(1)

式中，W為物料累積量，t；Q為物料瞬時量，t/s；q(t)為單位長度上的物料載荷質(zhì)量，t/m；V(t)為皮帶帶速，m/s。

在斗輪取料流量Q恒定的情況下，懸臂皮帶單位長度上的物料載荷重量q與皮帶帶速V成反比關(guān)系。帶速越高，皮帶上單位長度的物料越少，帶速越低，皮帶上單位長度的物料越多，理論上傳感器的靜載荷越大。理論上可以通過降低懸臂皮帶速度來提高電子皮帶秤精度，因此需要對調(diào)整速度前后所需要的功率進(jìn)行計(jì)算。

堆取料機(jī)懸臂驅(qū)動電機(jī)功率計(jì)算公式為[1-2]：

(2)

(3)

Fu=FH+FN+Fs1+Fs2+Fst

(4)

式中，PM為電動機(jī)功率；η為傳遞效率；PA為傳動滾筒軸功率；Fu為傳動滾筒上所需的圓周驅(qū)動力；V為皮帶帶速；FH為主要阻力；FN為附加阻力；Fs1為特種主要阻力；Fs2為特種附加阻力；Fst為傾斜阻力。

以上阻力當(dāng)中以FH為主，而且FH與單位長度輸送物料質(zhì)量q基本成線性關(guān)系。

結(jié)合以上電子皮帶秤的累積量公式可以得出：調(diào)速前后堆取料機(jī)懸臂驅(qū)動電機(jī)所需要的功率PM基本不變。

3 技術(shù)方案

現(xiàn)有的調(diào)速方式有以下4種：軟啟動器調(diào)速、變頻器調(diào)速、永磁調(diào)速、液力耦合器調(diào)速。斗輪堆取料機(jī)的懸臂皮帶為重型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在進(jìn)行調(diào)速技術(shù)方案選擇時，需要考慮皮帶的帶負(fù)載啟動，防止出現(xiàn)帶負(fù)載啟動時力矩不夠的情況[3]。

而變頻器調(diào)速在工頻以下可以設(shè)置為恒轉(zhuǎn)矩輸出，異步電機(jī)在5～50 Hz頻率下，都能達(dá)到電機(jī)標(biāo)稱的額定轉(zhuǎn)矩，而且與電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速(頻率)無關(guān)，有能力保持電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩不變。即使在帶負(fù)載啟動時也能滿足工況使用要求，提升低速時的啟動性能，而且變頻調(diào)速啟動也能較好地保護(hù)輸送帶和滾筒，延長設(shè)備的使用壽命。

該港口斗輪堆取料機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)包括電機(jī)、液力耦合器、減速機(jī)3個主要部件(見圖1)。若實(shí)現(xiàn)皮帶變頻調(diào)速功能后，液力耦合器相關(guān)部件可以進(jìn)行利用聯(lián)軸器進(jìn)行替換，因?yàn)樵诘退龠\(yùn)轉(zhuǎn)時液力耦合器的功率損失較大。

1.電機(jī) 2.彈性聯(lián)軸節(jié) 3.液力耦合器 4.減速器圖1 驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)圖

4 方案實(shí)施過程

電機(jī)調(diào)速主要通過變頻器實(shí)現(xiàn)，在斗輪機(jī)的電氣房安裝10 kV中壓變頻器，并將400 kW的懸臂驅(qū)動電機(jī)更換為變頻強(qiáng)制風(fēng)冷電機(jī)，同時將電機(jī)與變速箱通過新加工的聯(lián)軸器進(jìn)行剛性連接，確保電機(jī)輸出功率與變速箱輸入功率相當(dāng)。

現(xiàn)以4 000 t/h為調(diào)速基準(zhǔn)，在低流量取料時速度轉(zhuǎn)換關(guān)系見表1。

表1 低流量速度轉(zhuǎn)換

原皮帶秤測速方式為尾部滾筒接近開關(guān)式檢測，在低速時精度不能滿足使用要求，現(xiàn)更換為多圈、上頂置式測速裝置，提供高精度的速度反饋，進(jìn)一步降低皮帶秤誤差。

增加皮帶遠(yuǎn)程調(diào)速功能，在司機(jī)室操作臺設(shè)置多檔位調(diào)速旋鈕，同時搭配變頻器保護(hù)參數(shù)反饋，司機(jī)能夠根據(jù)取料流量、變頻器保護(hù)信號反饋來進(jìn)行速度設(shè)置。

調(diào)整皮帶打滑保護(hù)信號形式，原皮帶機(jī)打滑保護(hù)裝置適用于定速工況，無法應(yīng)用于變速工況，需要重新設(shè)定新工況下的打滑裝置?，F(xiàn)采用驅(qū)動滾筒和從動滾筒各增加一組接近開關(guān)、然后進(jìn)行反饋數(shù)字量比較計(jì)算的保護(hù)形式。

因懸皮電機(jī)功率增加，需要對堆取料機(jī)高壓配電柜綜保系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定和優(yōu)化，滿足改造后的工況使用條件。

二次開發(fā)上位機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)，使其與該公司配料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，能夠根據(jù)配料比例自動提示操作人員進(jìn)行速度檔位調(diào)節(jié)，并設(shè)計(jì)上位機(jī)控制界面，同時對單機(jī)PLC系統(tǒng)增加專門調(diào)速環(huán)節(jié)控制程序。

5 技術(shù)方案經(jīng)濟(jì)效益

5.1 皮帶秤計(jì)量精度提升

改造后斗輪堆取料機(jī)在700～800 t/h的流量取料時，約為額定取料流量的1/9，電子皮帶秤取料精度仍然能夠保持在1%左右。對比原來同等流量時超過5%的誤差，總體精度及穩(wěn)定性均提升較大。此港口去年吞吐量在5 000萬t左右，其中低流量取料約1 500萬t，對在精細(xì)化作業(yè)，特別是配煤作業(yè)方面發(fā)揮了重大作用。

在流量超過2 000 t/h，精度可達(dá)到0.5%。通過調(diào)速功能實(shí)現(xiàn)了各個流量的精準(zhǔn)稱量，極大地提升了港口的配煤業(yè)務(wù)范圍，同時拓展了業(yè)務(wù)市場，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5.2 設(shè)備使用壽命提升

通過變頻啟動設(shè)計(jì)，懸臂皮帶啟動大約200 s達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，相比原設(shè)計(jì)10 s達(dá)到額定轉(zhuǎn)速將近延長20倍。

帶式輸送機(jī)啟動特性如下：

FA=Fa+FU

(5)

Fa=Ma

(6)

式中，F(xiàn)A為驅(qū)動合外力(指皮帶機(jī)啟動所受的總的驅(qū)動力)；FU為穩(wěn)定運(yùn)行所受驅(qū)動力；Fa為啟動時所受慣性力；M為皮帶機(jī)質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)換至傳動滾筒上的質(zhì)量；a為啟動加速度。

從上述公式可知，驅(qū)動合力越大，皮帶機(jī)所受加速度越大，皮帶瞬時張力越大，尤其在驅(qū)動部位、薄弱部位，如接頭處所受損傷最大，設(shè)備結(jié)構(gòu)沖擊亦最大。當(dāng)通過變頻啟動以后，加速度從原來的0.53 m/s2降低至0.027 m/s2，對于皮帶機(jī)有明顯的好處，尤其是重載啟動時，轉(zhuǎn)動慣量越大，效果越明顯。通過使用實(shí)測，輸送帶使用壽命從11個月延長至14個月，壽命提升約30%，還可避免因沖擊載荷過大造成的設(shè)備結(jié)構(gòu)受損。

6 結(jié)語

此項(xiàng)系統(tǒng)自2019年投入使用以來，懸臂皮帶已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從5～50 Hz各個區(qū)間調(diào)速功能，而且已與配料系統(tǒng)對接，根據(jù)配料比例自動調(diào)整皮帶速度，增加單位長度上的物料重量，滿足電子皮帶秤最優(yōu)稱量范圍。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)觀察：在流量700～6 500 t/h之間均能達(dá)到極高的稱量精度，實(shí)現(xiàn)原來電子皮帶秤1/9額定流量時的準(zhǔn)確稱量，基本解決了堆取料機(jī)動態(tài)稱量精度的問題。