刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)研究

李守睿

（山西大同永定莊煤業(yè)公司， 山西 大同 037000）

引言

在煤礦井下開(kāi)采面工作期間刮板輸送機(jī)的作用十分重要，刮板輸送機(jī)能夠有效保證煤炭井下運(yùn)輸、采煤機(jī)井下運(yùn)輸以及液壓支架井下移動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性，而這些設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行決定著煤礦開(kāi)采工作的生產(chǎn)效率。由于刮板輸送機(jī)自身具有獨(dú)特的工作用途，所以經(jīng)常需要重載啟動(dòng)，而采用傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式，不僅啟動(dòng)效率較低，還會(huì)造成十分嚴(yán)重的電能浪費(fèi)。因此，如何優(yōu)化刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)成為了當(dāng)務(wù)之急。

1 刮板輸送機(jī)負(fù)載特性分析

刮板輸送機(jī)一般都是將刮板鏈作為主要工作機(jī)構(gòu)，利用鏈傳動(dòng)的原理來(lái)完成煤礦井下散料運(yùn)輸工作，刮板輸送機(jī)設(shè)備的主要構(gòu)成包括減速機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)鏈輪機(jī)構(gòu)以及電機(jī)等。整體結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 刮板輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

在刮板輸送機(jī)初始運(yùn)作期間，電機(jī)會(huì)完成通電運(yùn)轉(zhuǎn)，利用和電機(jī)保持連接狀態(tài)的相關(guān)結(jié)構(gòu)、液力耦合器和鏈輪機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力輸送給鏈輪，隨后鏈輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)使刮板鏈在設(shè)備滑動(dòng)槽當(dāng)中不斷運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將鏈板上的煤炭材料通過(guò)運(yùn)輸機(jī)完成運(yùn)輸[1]。在實(shí)際工作過(guò)程中，刮板輸送機(jī)中的鏈輪結(jié)構(gòu)會(huì)承受非常大的載荷，尤其在負(fù)載沖擊影響下，嚴(yán)重?fù)p耗問(wèn)題會(huì)明顯降低刮板輸送機(jī)的使用壽命。

另外，刮板輸送機(jī)在運(yùn)作期間，落煤質(zhì)量與時(shí)間的不規(guī)范性將直接導(dǎo)致輸送機(jī)處于無(wú)規(guī)律滿載、超載的交替變化中，而要想滿足刮板輸送機(jī)的正常使用要求，就必須要確保刮板輸送機(jī)具備較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，常見(jiàn)的啟動(dòng)過(guò)載系數(shù)在2.5～3.0 區(qū)間之內(nèi)。當(dāng)刮板輸送機(jī)處于頻繁且無(wú)規(guī)律的重載啟動(dòng)過(guò)程中時(shí)，就很有可能出現(xiàn)斷鏈和零件磨損嚴(yán)重的情況，設(shè)備運(yùn)行的可靠性也明顯降低，電機(jī)設(shè)備會(huì)對(duì)電網(wǎng)電流造成十分嚴(yán)重的沖擊影響，進(jìn)而影響著煤礦用電設(shè)備的整體安全性。

2 刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要包含動(dòng)力輸入端、液力耦合器以及動(dòng)力輸出端等。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求來(lái)選擇不同的元件，比如齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)必須要在其系統(tǒng)內(nèi)部安裝減速裝置，一般會(huì)選擇直角型三級(jí)齒輪減速器，而處于動(dòng)力輸出端的減速設(shè)備一般會(huì)挑選新型齒輪減速器[2]。

2）液壓控制系統(tǒng)。在液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要將液壓元器件當(dāng)作油缸壓力控制的重要構(gòu)件，隨后將液壓油缸壓力輸送到液力耦合器當(dāng)中，進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)距進(jìn)行合理控制。再應(yīng)用潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)，它可以對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行有效冷卻，在發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)零件初始運(yùn)動(dòng)期間就開(kāi)始進(jìn)行高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使?jié)櫥湍軌蝽樌麄鬟f到摩擦表面上，從而在表面上形成一層油膜，實(shí)現(xiàn)液體摩擦的效果，進(jìn)而減少功率損耗和工件磨損，減少摩擦阻力，強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)的持久性和穩(wěn)定性。但是在潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了要控制油壓和摩擦表面油量供應(yīng)以及做好機(jī)油濾清工作之外，還要控制好功率消耗和機(jī)油損失量。

3）電氣控制系統(tǒng)。在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常會(huì)用到PLC 控制器和變頻器，利用不同類型的傳感器來(lái)采集刮板運(yùn)輸機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過(guò)PLC 控制器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合智能變頻器的電氣系統(tǒng)圖紙、溫度檢測(cè)單元以及DSP 模塊等構(gòu)件對(duì)變頻器的主控器進(jìn)行有效控制，再與AC/DC 轉(zhuǎn)換和過(guò)壓保護(hù)單元相連接，從而組建成一個(gè)完整變頻器電氣系統(tǒng)。根據(jù)刮板輸送機(jī)在運(yùn)行期間所顯示的實(shí)際情況來(lái)總結(jié)控制指令，完成變頻器的調(diào)控。在電機(jī)控制下，變頻器能夠根據(jù)具體要求來(lái)適當(dāng)調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)的具體參數(shù)。刮板輸送機(jī)變頻軟啟動(dòng)如圖2 所示。

圖2 刮板輸送機(jī)變頻軟啟動(dòng)

2.2 選擇合適的元器件

刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)都會(huì)用到PLC 控制設(shè)備與變頻器等相關(guān)設(shè)備，而在挑選元器件時(shí)，要根據(jù)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際需要來(lái)決定，確保元器件能夠與系統(tǒng)良好銜接在一起。在此期間，首先要挑選合適的PLC 控制器，結(jié)合以往PLC 控制器的使用經(jīng)驗(yàn)和刮板輸送機(jī)在變頻控制方面的實(shí)際需求，將PLC 控制器和電源模塊、模擬量輸入模塊以及接口模塊等組成部分相結(jié)合，之后再展開(kāi)PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]。同時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，還要詳細(xì)了解控制要求，在刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)定量輸入模塊，總共需要設(shè)計(jì)8 路，而模擬量的輸出模塊只需要設(shè)計(jì)4 路即可。此外常見(jiàn)的數(shù)字量輸入模塊與輸出模塊分別有96 點(diǎn)和48 點(diǎn)。

2.3 選擇變頻器

變頻器在選擇過(guò)程中要重點(diǎn)參考刮板運(yùn)輸機(jī)的容量，在具體運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)電機(jī)負(fù)載電流也要進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，在計(jì)算出負(fù)載電流之后再考慮到刮板輸送機(jī)之前是否會(huì)出現(xiàn)滿載啟動(dòng)或空載運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題。因此刮板輸送機(jī)的平均力距只需要超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值的1.5 倍即可。刮板輸送機(jī)直接轉(zhuǎn)矩變頻控制系統(tǒng)原理如圖3 所示。

圖3 刮板輸送機(jī)直接轉(zhuǎn)矩變頻控制系統(tǒng)原理

3 刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用

在煤礦井下生產(chǎn)工作中，必須要加強(qiáng)刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)電機(jī)負(fù)荷的均衡性。通常情況下，大功率刮板輸送機(jī)需要不同的驅(qū)動(dòng)電機(jī)配合運(yùn)行完成，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行期間的性能、特點(diǎn)以及均衡性，經(jīng)常會(huì)選擇主從式控制變頻器。同時(shí)還要結(jié)合主頻器運(yùn)行過(guò)程中的具體情況，確定輸出電流的頻率，強(qiáng)化主從驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載的均衡程度[4]。當(dāng)刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)尾變頻器可以充當(dāng)主機(jī)，機(jī)頭變頻器可以充當(dāng)從機(jī)，主機(jī)利用集中控制器所發(fā)出的運(yùn)行指令，將指令發(fā)送給機(jī)尾主頻器，之后從機(jī)采用CAN 通信方法來(lái)獲取指令。這樣一來(lái)就可以明顯提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的均衡性。同時(shí)，當(dāng)刮板運(yùn)輸機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，卡鏈問(wèn)題十分常見(jiàn)，如果問(wèn)題嚴(yán)重還會(huì)導(dǎo)致刮板輸送機(jī)鏈條發(fā)生斷裂，對(duì)煤礦綜采作業(yè)面的正常運(yùn)行造成影響。

而利用變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)所進(jìn)行的檢測(cè)工作，能夠在系統(tǒng)當(dāng)中融入具體檢測(cè)數(shù)值，全面分析電流降低率，從而判斷是否會(huì)出現(xiàn)刮板機(jī)斷裂問(wèn)題。另外，合理的刮板鏈參數(shù)也是確保刮板輸送機(jī)順利運(yùn)行的條件。在參數(shù)設(shè)置過(guò)程中，要將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的瞬間電流值下降到80%，如果超出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，就很有可能會(huì)出現(xiàn)斷鏈漏報(bào)的情況。而如果低于70%，就會(huì)產(chǎn)生故障誤報(bào)問(wèn)題。刮板輸送機(jī)故障診斷系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 刮板輸送機(jī)故障診斷系統(tǒng)

井下煤礦開(kāi)采工作一般都會(huì)面臨十分惡劣的環(huán)境，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采環(huán)境中，刮板輸送機(jī)重載啟動(dòng)概率特別高，這也就要求變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)必須要能夠充足地完成重載啟動(dòng)轉(zhuǎn)距。當(dāng)啟動(dòng)變頻器的額定轉(zhuǎn)距與額定電流實(shí)現(xiàn)了2.3 倍的時(shí)候，就要對(duì)變頻器當(dāng)中所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)整。隨后利用控制信息傳輸模塊和井下通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)獲取刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，將這些參數(shù)傳送到地面監(jiān)控指揮中心當(dāng)中，進(jìn)而獲得最理想的刮板運(yùn)輸機(jī)控制成效。另外，如果刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的刮板鏈出現(xiàn)卡鏈問(wèn)題，這時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)就會(huì)出現(xiàn)瞬堵問(wèn)題，如果此問(wèn)題長(zhǎng)期得不到解決，那么就會(huì)對(duì)井下煤礦采面生產(chǎn)造成影響。而在利用刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)之后，可以提前設(shè)定好額定電流值，在電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)問(wèn)題之后，電流值就會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)就會(huì)變成恒定功率，電機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)明顯降低。這時(shí)可以采用滑差率保護(hù)方法，合理設(shè)定刮板輸送機(jī)的滑差率與持續(xù)時(shí)間，如果出現(xiàn)斷鏈與摩擦故障，那么就要立刻停止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行全面檢查。

4 結(jié)語(yǔ)

建立完善的刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，在此設(shè)備基礎(chǔ)上，能夠利用信息技術(shù)來(lái)構(gòu)建具備信息化和數(shù)字化特點(diǎn)的信息控制系統(tǒng)，主要對(duì)煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的刮板輸送機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行重點(diǎn)控制。利用該系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷鏈問(wèn)題，支持設(shè)備參數(shù)完成實(shí)時(shí)調(diào)整，確保刮板輸送機(jī)可以更加穩(wěn)定運(yùn)行，使煤礦現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采作業(yè)能夠更加安全與穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)

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