煤礦帶式輸送機(jī)的特性及電氣節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用研究

唐印偉

（黑龍江龍煤集團(tuán)鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江 鶴崗 154100）

基于變頻調(diào)節(jié)的PLC 控制系統(tǒng)，可以根據(jù)帶式輸送機(jī)當(dāng)前的工作狀況靈活調(diào)節(jié)電源頻率，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，讓輸送機(jī)以最佳的速度運(yùn)行，從而讓帶速和運(yùn)量實(shí)現(xiàn)最佳匹配，達(dá)到電能利用率最大化的效果。另外，在滿足電氣節(jié)能要求的基礎(chǔ)上，還能使帶式輸送機(jī)始終保持最佳工況運(yùn)行，對減小機(jī)械損耗也有一定幫助。

1 煤礦帶式輸送機(jī)的特性分析

1.1 帶式輸送機(jī)的張力特性

分析帶式輸送機(jī)的張力特性，進(jìn)而控制起動(dòng)、制動(dòng)加速度，對節(jié)約設(shè)備運(yùn)行能耗和改善動(dòng)態(tài)性能有積極幫助。實(shí)踐表明，普通驅(qū)動(dòng)設(shè)備很難做到線性調(diào)速；而使用變頻起動(dòng)裝置，則能滿足線性調(diào)速需求，避免起動(dòng)、制動(dòng)過程中輸送帶持續(xù)波動(dòng)，張力特性良好，對改善輸送帶張力性能和實(shí)現(xiàn)電氣節(jié)能有積極影響。

1.2 帶式輸送機(jī)的負(fù)載特性

帶式輸送機(jī)的運(yùn)行負(fù)載由多種力共同組成，比如靜態(tài)阻力、運(yùn)行阻力以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。其負(fù)載特性可用公式表示：

式（1）中，TLq與TLe分別表示輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的最大負(fù)載力矩和額定負(fù)載力矩，單位為N/m-1；n1為輸送機(jī)滿額運(yùn)行下的轉(zhuǎn)速，單位為rpm。只有帶式輸送機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為n1時(shí)，運(yùn)行負(fù)載才能達(dá)到恒力矩，此時(shí)設(shè)備運(yùn)行效率最高。

1.3 帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)特性

如上文所述，輸送帶是具有一定張力的彈性體，在起動(dòng)加速和制動(dòng)減速時(shí)都會(huì)出現(xiàn)不同程度的彈性變形。變形時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為張力波存在于輸送帶中。其中，起動(dòng)時(shí)加速度越大，輸送帶變形越明顯，震蕩也會(huì)更加嚴(yán)重，從而導(dǎo)致輸送機(jī)在起動(dòng)、制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)。在頻繁起停后將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的工況，為避免此類問題必須要采用“軟啟動(dòng)”。所謂軟啟動(dòng)，即在不同負(fù)載（尤其是重載）情況下，能夠使電動(dòng)機(jī)克服系統(tǒng)慣性穩(wěn)定起動(dòng)，這樣在起動(dòng)時(shí)加速度緩慢增加，起動(dòng)慣性力較小，不至于對設(shè)備零件造成破壞影響。軟啟動(dòng)的速度曲線如圖1 所示。

圖1 軟啟動(dòng)速度曲線

圖1 所示的速度變化可用函數(shù)式表示：

為減少帶式輸送機(jī)啟動(dòng)前后輸送帶從松弛到緊繃時(shí)的沖擊力，需要在啟動(dòng)階段設(shè)置一個(gè)時(shí)間延遲段，該階段的實(shí)際帶速通常為設(shè)計(jì)帶速的20%-30%。這樣就能保證輸送機(jī)能夠以最小加速度完成起動(dòng)，從而將啟動(dòng)張力降至最低。時(shí)間延遲段的速度變化可用分段函數(shù)來表示：

將式（3）求導(dǎo)后可以得到加速度曲線模型，如圖2 所示。

2 帶式輸送機(jī)的電氣節(jié)能技術(shù)分析

2.1 影響輸送機(jī)功率的因素

由于帶式輸送機(jī)是依靠電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要克服各種阻力，根據(jù)阻力產(chǎn)生位置、受力方式的不同，可以將其分為以下3 類：

第一是基本阻力。通過分析受力點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，該阻力集中分布于輸送帶的中上部。其中，輸送帶與托輥之間的壓線阻力是構(gòu)成基本阻力的主要因素。另外，當(dāng)輸送帶上有煤炭等重物時(shí)，重力在輸送帶上產(chǎn)生一個(gè)向下的分力，與電動(dòng)機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力正好相反，由此產(chǎn)生了壓陷阻力。

第二是傾斜阻力。煤礦生產(chǎn)中所用的帶式輸送機(jī)通常為傾斜放置，傾斜角度越大的情況下，電機(jī)做功需要克服的傾斜阻力（Wq）越大，可通過下式表示：

式（4）中q 為物料的線密度，單位為kg/m；g 為重力加速度，這里取9.8m/s2；li表示輸送帶各區(qū)段的長度，單位為m；αi表示輸送帶的傾斜角度，單位為°。

第三是附加阻力。例如煤塊掉落到輸送帶上時(shí)，由于煤塊在水平方向上的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，因此在煤塊掉落到輸送帶后，必然會(huì)產(chǎn)生相對摩擦，這種摩擦阻力就是一種附加阻力。

2.2 科學(xué)設(shè)置帶速與運(yùn)量

在帶式輸送機(jī)正常工作時(shí)，能夠影響其功率的因素有多種，這里只分析輸送帶的速度和運(yùn)輸量2 個(gè)指標(biāo)。研究表明，當(dāng)帶式輸送機(jī)的運(yùn)量為定值時(shí)，隨著功率的增加，帶速也會(huì)加快，即P 和V 呈正相關(guān)。從這一角度來看，可以通過減慢輸送速度來達(dá)到降低功率、節(jié)約能耗的效果。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，降低帶速意味著產(chǎn)能下降，顯然不符合煤礦企業(yè)追求高效率作業(yè)的目標(biāo)。因此，如何在節(jié)能效益和生產(chǎn)效率之間達(dá)到尋求最佳平衡點(diǎn)，成為帶式輸送機(jī)電氣節(jié)能技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問題。當(dāng)帶式輸送機(jī)處于滿載狀態(tài)時(shí)，則基于q 的帶速和運(yùn)量關(guān)系可表示為：

由上式可知，若輸送機(jī)運(yùn)量為0，則帶速也為0，即輸送機(jī)為停機(jī)狀態(tài)。但是實(shí)際生產(chǎn)中基于設(shè)備安全考慮，頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)會(huì)縮短設(shè)備壽命，因此帶速不能為0。如果帶式輸送機(jī)為空載，或者其運(yùn)量遠(yuǎn)小于額定負(fù)載，這種情況下可以直接取帶速的最小值（Vmin），此時(shí)輸送機(jī)V 和Q 的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 V-Q 關(guān)系曲線

上式中V 與Q 的關(guān)系可轉(zhuǎn)化為：

在滿足煤礦企業(yè)正常生產(chǎn)需要的前提下，使輸送機(jī)的V 和Q 匹配，進(jìn)而能夠達(dá)到效率最優(yōu)、節(jié)能最佳的運(yùn)行效果。

3 帶式輸送機(jī)電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

3.1 輸送機(jī)電氣節(jié)能控制方案

本文設(shè)計(jì)了一種適用于帶式輸送機(jī)的節(jié)能調(diào)速裝置。在煤倉內(nèi)設(shè)置料位計(jì)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測煤量變化，并將煤量信息實(shí)時(shí)反饋給工控機(jī)；工位機(jī)同時(shí)還會(huì)收集皮帶秤等信息，在信號分析基礎(chǔ)上判斷輸送機(jī)的當(dāng)前運(yùn)量是否達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)量。如果當(dāng)前運(yùn)量較低，則發(fā)送加速信號，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)提速。每隔一段時(shí)間執(zhí)行一個(gè)循環(huán)判斷程序，直到判斷結(jié)果出現(xiàn)“實(shí)際運(yùn)量=設(shè)計(jì)運(yùn)量”后停止增加，從而實(shí)現(xiàn)輸送效率最大化。整個(gè)電氣節(jié)能控制流程如圖4 所示。

圖4 輸送機(jī)電氣節(jié)能框圖

調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置是帶式輸送機(jī)電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的核心，除了要保證在設(shè)計(jì)運(yùn)量下滿足帶速要求外，還必須根據(jù)運(yùn)量的動(dòng)態(tài)變化靈活調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，保證帶速與運(yùn)量始終匹配。傳統(tǒng)的限矩型或調(diào)速型液力耦合器驅(qū)動(dòng)裝置無法滿足這一需求，因此本文選擇了變頻裝置，可以按照理想的“S”曲線實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)、軟停車，從而達(dá)到電氣節(jié)能效果。

3.2 輸送機(jī)電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 單片機(jī)控制模塊

本系統(tǒng)采用模塊機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證在煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境下也能穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。利用I/0 端口與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連，可以將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)同步反饋給單片機(jī)。輸入模塊包括2 部分，其一是直接輸入信息，如給煤機(jī)狀態(tài)信息、輸送機(jī)啟停信息等；其二是保護(hù)裝置工況信息，如跑偏檢測、堆煤檢測、溫度檢測等。輸出模塊包括給煤機(jī)控制信息、輸送機(jī)帶速信息和運(yùn)量信息，以及電機(jī)電流信息等。

3.2.2 輸送機(jī)保護(hù)裝置

為保障輸送機(jī)電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)了若干保護(hù)裝置。主要包括以下幾類：（1）速度傳感器，主要用于超速保護(hù)。速度傳感器位于輸送帶下方，在滾筒隨皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每隔一段時(shí)間磁頭經(jīng)過一次傳感器。傳感器可以將其轉(zhuǎn)換成速度值，并反饋給單片機(jī)。單片機(jī)通過對比當(dāng)前速度和設(shè)計(jì)速度，如果當(dāng)前速度＞設(shè)計(jì)速度，即判斷為超速，然后由單片機(jī)發(fā)送調(diào)速指令，使速度降低。（2）智能跑偏開關(guān)。該開關(guān)安裝在輸送帶的一側(cè)，可以隨時(shí)檢測輸送帶的位置信息。當(dāng)偏移量超過最大設(shè)定值時(shí)，立即進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)單片機(jī)根據(jù)偏移方向、偏移量，發(fā)送調(diào)節(jié)指令，使其重新回歸正常。（3）其他保護(hù)裝置。本系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了堆煤傳感器、超溫灑水裝置、聲光報(bào)警裝置等，可以進(jìn)一步豐富獲取到的前端信息，對提高保護(hù)控制效果有積極幫助。

3.3 輸送機(jī)電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件程序可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)預(yù)告、延時(shí)測量、自動(dòng)調(diào)速等功能。其中主程序如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)主程序流程圖

如圖5 所示，主程序起動(dòng)后，首先完成系統(tǒng)初始化并發(fā)送起動(dòng)預(yù)告，隨后根據(jù)系統(tǒng)自檢情況執(zhí)行一個(gè)判斷程序“系統(tǒng)保護(hù)是否正?！薄Ｈ绻到y(tǒng)各項(xiàng)保護(hù)裝置均正常，則繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)程序，否則報(bào)警并終止程序。完成啟動(dòng)后，有1-5 秒不等的延時(shí)，然后開始測量輸送帶的運(yùn)行速度，并將監(jiān)測到的實(shí)時(shí)運(yùn)速與設(shè)計(jì)運(yùn)速對比。若滿足調(diào)速要求，則緩慢加速或減速，達(dá)到設(shè)定速度后維持該速度運(yùn)行。

3.4 輸送機(jī)電氣節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用效果

3.4.1 電氣節(jié)能效果

某煤礦企業(yè)的1 臺(tái)帶式輸送機(jī)，改造前以每年1.5Mt/a 的產(chǎn)量計(jì)算，消耗電能為3.53×106kWh，能耗較高。在應(yīng)用變頻調(diào)速電氣節(jié)能控制系統(tǒng)后，輸送機(jī)額定運(yùn)量為357t/h，最佳匹配帶速為1.98m/s，電動(dòng)機(jī)功率為460kW，改造后輸送機(jī)的能耗（W）為1.92×106kWh。對比來看，應(yīng)用電氣節(jié)能系統(tǒng)后每年可節(jié)省電量1.61×106kWh，節(jié)能效率（η）：

η=1.61/3.53×100%=45.6%

3.4.2 輸送機(jī)機(jī)械損耗

帶速越高的情況下，輸送機(jī)損耗越大。實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)了不同轉(zhuǎn)速下機(jī)械磨損度，如表1 所示。

表1 輸送機(jī)機(jī)械損耗表

結(jié)合表1 數(shù)據(jù)可知，當(dāng)輸送機(jī)帶速較高時(shí)（3.467m/s），運(yùn)行圈數(shù)較多，機(jī)械磨損程度較為嚴(yán)重（-3.0%）；隨著帶速逐漸降低，機(jī)械磨損程度也減輕。在帶速降低至2.544m/s 后，相同時(shí)間內(nèi)機(jī)械磨損度僅為-39.6%。由此可見，維持低轉(zhuǎn)速運(yùn)行對延長設(shè)備壽命有積極效果。

結(jié)束語

對于煤礦企業(yè)來說，在保證帶式輸送機(jī)滿足正常生產(chǎn)需求的前提下，最大程度上節(jié)約電能，才能維護(hù)自身效益。本文設(shè)計(jì)的一種基于變頻調(diào)速軟啟動(dòng)的電氣節(jié)能控制系統(tǒng)，可以使帶速和運(yùn)量始終處于最佳匹配狀態(tài)，從而達(dá)到理想的節(jié)能效果。同時(shí)，在滿足生產(chǎn)需求的情況下維持較低帶速，還能減小機(jī)械損耗，符合煤炭企業(yè)利潤最大化的目標(biāo)。