帶式輸送機(jī)雙合成動(dòng)力系統(tǒng)的建立與仿真分析

申楊軍

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)公共事業(yè)服務(wù)分公司，山西 霍州 031412）

引言

帶式輸送機(jī)是煤礦綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，隨著采煤技術(shù)和設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提升，帶式輸送機(jī)朝著大運(yùn)量、長(zhǎng)距離以及高運(yùn)速的方向發(fā)展，這就對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出了更高的要求，尤其是在復(fù)雜工況下的啟動(dòng)和節(jié)能性能方面的要求更為苛刻。傳統(tǒng)單電機(jī)、雙電機(jī)以及多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在抗沖擊性能差、控制精度低等方面的劣勢(shì)[1]。本文提出以液壓系統(tǒng)和變頻電機(jī)為核心的雙合成動(dòng)力系統(tǒng)，重點(diǎn)完成了雙合成動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究。

1 雙合成動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于帶式輸送機(jī)的意義非凡，其優(yōu)良的性能可保證設(shè)備具有較高的工作效率，尤其是在近年來(lái)設(shè)備運(yùn)量、運(yùn)速以及運(yùn)輸距離增加的新形勢(shì)下，對(duì)輸送裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能提出了更高的要求。本文所設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)的雙合成動(dòng)力系統(tǒng)，一方面是為了解決帶式輸送機(jī)在重載或滿載工況下難以平穩(wěn)啟動(dòng)的問題；另一方面是為解決當(dāng)前帶式輸送機(jī)能耗過大的問題，達(dá)到節(jié)能效果。具體設(shè)計(jì)思路如下：

1）當(dāng)帶式輸送機(jī)處于正?；蛘呖蛰d運(yùn)輸工況時(shí)，僅由電機(jī)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，此時(shí)為單動(dòng)力系統(tǒng)；

2）當(dāng)帶式輸送機(jī)在滿載或重載工況下時(shí)，在電機(jī)輸送動(dòng)力的同時(shí)，還有液壓系統(tǒng)為設(shè)備提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。當(dāng)帶式輸送機(jī)完成啟動(dòng)并進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行工況時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)退出，僅有電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，即單動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[2]。

其中，針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)力的調(diào)節(jié)；對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，通過液壓閥控制馬達(dá)的速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力的控制。

對(duì)于雙合成動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵難點(diǎn)為如何保證液壓系統(tǒng)和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力能夠有機(jī)地整合或者分解，保證最終的動(dòng)力能夠滿足帶式輸送機(jī)的輸送需求。在機(jī)械行業(yè)中，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)具有傳動(dòng)功率大、傳動(dòng)比準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)[3]。因此，本文將采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)兩方面動(dòng)力的合成。

對(duì)于齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，包括2K-H型周轉(zhuǎn)輪系、3K型周轉(zhuǎn)輪系和K-H-V型周轉(zhuǎn)輪系。綜合比較上述三種周轉(zhuǎn)輪系的優(yōu)劣勢(shì)，采用2K-H周轉(zhuǎn)輪系實(shí)現(xiàn)兩動(dòng)力源的合成輸出。2K-H周轉(zhuǎn)輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 2K-H周轉(zhuǎn)輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

2 雙合成動(dòng)力系統(tǒng)模型的建立

本節(jié)將基于上述雙合成動(dòng)力系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)建立其模型，并對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，為后續(xù)雙合成動(dòng)力系統(tǒng)性能的仿真分析奠定基礎(chǔ)。

基于AMESim軟件采用Vogit黏彈性模型建立帶式輸送機(jī)的仿真模型，重點(diǎn)包括頭部驅(qū)動(dòng)滾筒、尾部改向滾筒以及輸送帶和張緊裝置。基于AMESim軟件建立以電動(dòng)機(jī)為主的交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括有變頻器、電動(dòng)機(jī)，并根據(jù)實(shí)際工況模擬負(fù)載；同時(shí)，結(jié)合理論基礎(chǔ)，本系統(tǒng)將采用S型速度曲線對(duì)其進(jìn)行調(diào)速控制?；贏MESim軟件建立閥控馬達(dá)方式的液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模型；同樣根據(jù)實(shí)際工況模擬負(fù)載，采用S型速度曲線對(duì)閥芯位移進(jìn)行控制，從而達(dá)到調(diào)速的目的[4]。

將上述三種模型裝配為雙合成動(dòng)力系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 雙合成動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

3 雙合成動(dòng)力系統(tǒng)的仿真分析

本節(jié)將在上述雙合成動(dòng)力模型建立的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證所提出了雙合成動(dòng)力系統(tǒng)是否能夠適用于帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)控制，為后續(xù)雙合成動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造提供支撐。

3.1 雙合成動(dòng)力系統(tǒng)模型的參數(shù)設(shè)置

帶式輸送機(jī)模型的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 帶式輸送機(jī)模型參數(shù)設(shè)置

電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)模型中，所選定電動(dòng)機(jī)的額定功率為315 kW，對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模型中，系統(tǒng)最高工作壓力為31 MPa，所選型液壓馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，蓄能器個(gè)數(shù)為5，容積為150 L，系統(tǒng)最低工作壓力為14.61 MPa。

2K-H齒輪傳動(dòng)輪系的雙動(dòng)力合成系統(tǒng)的功率分配因數(shù)為6.897，減速比為16.128。

上述參數(shù)設(shè)置完畢后，分別對(duì)帶式輸送機(jī)在空載和滿載工況下驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行仿真分析。其中，在空載工況下的仿真時(shí)間為180 s，在滿載工況下的仿真時(shí)間為200 s。

3.2 不同工況下仿真結(jié)果分析

3.2.1 空載工況

空載工況下，帶式輸送機(jī)僅由雙合成動(dòng)力系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制[5]。空載工況帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)分為3個(gè)階段：0～50 s內(nèi)為輸送帶的張緊階段；50～110 s為帶式輸送機(jī)以S型曲線的啟動(dòng)階段，輸送帶速度由0增加到4 m/s；110～180 s為帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行階段，運(yùn)輸速度保持在4 m/s不變。

在空載工況下帶式輸送機(jī)輸送帶速度和電機(jī)功率的變化如圖3所示。

圖3 空載工況對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)性能仿真結(jié)果

如圖3所示，在張緊階段，在張緊力的作用下，驅(qū)動(dòng)滾筒在短時(shí)間內(nèi)受到較大的沖擊，從而使得輸送帶出現(xiàn)較小速度的滑動(dòng)，而后又迅速降為零；此后，在啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行階段均能按照S型曲線和恒定在4 m/s的速度運(yùn)行，在過程中并未波動(dòng)。在空載工況下，電動(dòng)機(jī)的最大功率僅為149 kW，與所選型的315 kW的電動(dòng)機(jī)存在一定差距，說(shuō)明僅依靠電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)空載工況下的平穩(wěn)啟動(dòng)。

3.2.2 滿載工況

在滿載工況帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)分為3個(gè)階段：0～50 s內(nèi)為輸送帶的張緊階段和蓄能器充液階段；50～110 s為帶式輸送機(jī)以S型曲線的啟動(dòng)階段，在雙動(dòng)力的合成驅(qū)動(dòng)下輸送帶速度由0增加到4 m/s；110～150 s雙動(dòng)力持續(xù)穩(wěn)定輸出，輸送帶保持4 m/s速度不變；120～160 s液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐步退出，同時(shí)逐步增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力，輸送帶保持在4 m/s的速度不變；160～200 s系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行階段，僅有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，輸送帶保持在4 m/s的速度不變。在滿載工況下帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分配-合成的變化如下頁(yè)圖4所示。

由圖4可知，在0～50 s時(shí)，電機(jī)和液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速為0；在50～110 s電機(jī)和液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速逐漸增大，此時(shí)為雙動(dòng)力同時(shí)輸出階段；在110～120 s電機(jī)和液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不變，為后續(xù)液壓系統(tǒng)的逐步退出做準(zhǔn)備；在120～160 s液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)速逐漸降為0，而電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增加，即輸出功率增加，在此階段液壓馬達(dá)-行星架轉(zhuǎn)速恒定，即保證輸送帶的速度不變；在160～200 s，僅由電機(jī)驅(qū)動(dòng)保證輸送帶速度維持在4 m/s不變。

圖4 雙動(dòng)力合成系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

帶式輸送機(jī)為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，在當(dāng)前運(yùn)量、運(yùn)速以及運(yùn)輸距離增大的情況，保證設(shè)備在空載和滿載工況下的穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出了更高的要求。本文設(shè)計(jì)了以電動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)為核心的雙動(dòng)力合成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。經(jīng)仿真分析，雙合成動(dòng)力系統(tǒng)可滿足帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸、驅(qū)動(dòng)要求。