基于偏差耦合平衡控制的礦井帶式輸送機超長距離運輸技術(shù)研究與應用

王 坤

(山西焦煤西山煤電杜兒坪礦,太原 030000)

原煤運輸作為礦井生產(chǎn)主要部分,其工作方式及效率直接關(guān)系到礦井正常生產(chǎn)。隨著礦井開采技術(shù)的發(fā)展,開采深度不斷加深,原煤運輸距離逐漸增加,運輸壓力顯現(xiàn)。目前,工作面、盤區(qū)原煤運輸主要以帶式輸送機為主,大巷采用電機車牽引礦車方式,該方式存在原煤運輸速度小、效率低等問題,無疑增加了大巷運輸壓力,影響工作面生產(chǎn)效率。

帶式輸送機作為礦井原煤運輸主要方式,隨著采掘技術(shù)的發(fā)展,帶式輸送機在運輸量、距離以及功率等方面均有了更高要求,傳統(tǒng)小型單機驅(qū)動方式不足以滿足實際需求,因此,研發(fā)長距離帶式輸送機迫在眉睫。

關(guān)于帶式輸送機運輸技術(shù)研究和應用較多,但礦井帶式輸送機長距離運輸技術(shù)研究甚少,主要以理論建模分析為主[1],實際運用更為缺乏。長距離帶式輸送機通過傳統(tǒng)單機驅(qū)動必將產(chǎn)生一些列問題,如應力集中、跑偏以及斷帶等。因此,長距離帶式輸送機的運用,首要解決驅(qū)動問題,通過多電機驅(qū)動成為必然,電機數(shù)目的增加勢必使控制系統(tǒng)更加復雜,帶來各電機功率分配不平衡等問題,給帶式輸送機正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生不利影響[2-4]。

綜上所述,長距離運輸必須要解決驅(qū)動功率、功率平衡以及驅(qū)動點的布置等問題[5-6]。因此,建立和優(yōu)化帶式輸送機運輸系統(tǒng)對礦井原煤高效運輸至關(guān)重要。同時,解決帶式輸送機長距離平穩(wěn)運行對礦井帶式輸送機長距離運輸技術(shù)發(fā)展起到積極影響。

1 帶式輸送機動態(tài)特性分析

杜兒坪礦現(xiàn)開采盤區(qū)有南九、北三、北五、北七盤區(qū),主要開采2#、3#、6#、8#煤層。目前,北三、北五、北七盤區(qū)原煤運輸主要以電機車牽引礦車方式,存在運輸效率低、運輸壓力大等問題,嚴重影響正常生產(chǎn)。為此,對北一膠帶機大巷帶式輸送機進行延伸,延伸長度1 826 m,延伸后總長5 620 m,運輸能力1 500 t/h。原煤通過北一膠帶機大巷帶式輸送機連續(xù)化運輸至井底動倉、焦倉、掘倉,分煤種進行卸載,經(jīng)主斜井帶式輸送機提升至地面選矸車間,分煤種選矸后進入地面3個筒倉。

帶式輸送機由鋼絲繩芯、橡膠構(gòu)成,其黏彈性決定了其具有五大特性:滯后性、頻率性、非線性、蠕變性以及松弛型。帶式輸送機在啟動、運轉(zhuǎn)過程中,受到靜力、張力作用,直接影響帶式輸送機運轉(zhuǎn)。因此,對帶式輸送機進行動態(tài)特性分析很有必要。目前,學者在分析帶式輸送機動態(tài)特性時,主要運用Kelvin-Voigt模型,具體見圖1所示。

圖1 Kelvin-Voigt模型Fig.1 Kelvin-Voigt model

將帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)為連續(xù)模型,得到皮帶微元受力模型,如圖2所示。

圖2 皮帶微元受力示意圖Fig.2 Force diagram of belt microelement

2 帶式輸送機多點驅(qū)動

2.1 驅(qū)動方式

北一膠帶機大巷帶式輸送機延伸后總長度5 620 m,在解決原煤運輸?shù)耐瑫r,增加了輸送機運輸距離,面臨運輸距離長、運輸負荷大等問題。同時,輸送帶張力明顯增加,對輸送帶平穩(wěn)運轉(zhuǎn)提出考驗。為減小長距離帶式輸送產(chǎn)生的張力,通過對帶式輸送機運行過程動力學性能分析,提出多點驅(qū)動方式,盡可能避免輸送帶出現(xiàn)撕裂。目前,多點驅(qū)動方式主要分為直線摩擦式多點驅(qū)動、轉(zhuǎn)載式多點驅(qū)動。直線摩擦式多點驅(qū)動是通過在輸送帶中間布置驅(qū)動點,從而提高輸送帶摩擦力,以達到減小輸送帶張力的目的。轉(zhuǎn)載式多點驅(qū)動主要在輸送帶中間布置轉(zhuǎn)載滾筒、驅(qū)動電機,通過轉(zhuǎn)載驅(qū)動電機增加驅(qū)動力,最終實現(xiàn)對輸送帶張力的減小,轉(zhuǎn)載式多點驅(qū)動方式最為常見。

2.2 中部驅(qū)動位置

目前,確定輸送機中間驅(qū)動位置的方法有兩種:等圓周力法及等圍包角法。等圓周力法根據(jù)驅(qū)動功率,結(jié)合輸送帶實際情況,確定驅(qū)動點數(shù)量;等圍包角法主要針對輸送帶局部,二者可分為等距離布置法和等張力布置法。等距離布置法是在輸送帶相同長度位置增加驅(qū)動點,等張力布置法保證輸送帶各點張力相同?；趯斔蛶н\行過程的力學分析,經(jīng)過多方論證,確定中部驅(qū)動位置,如圖3所示。

圖3 中間驅(qū)動位置示意圖Fig.3 Intermediate drive position

2.3 中部驅(qū)動設(shè)計

杜兒坪礦北一膠帶機大巷帶式輸送機原長度3 794 m,驅(qū)動功率3×500 kW。延伸長度1 826 m,機尾延伸至北石溝,延伸后北一膠帶機大巷帶式輸送機總長5 620 m。考慮到延長后運輸距離過長,電機負載明顯增大,皮帶張力增加,易出現(xiàn)撕裂。為確保5 620 m皮帶平穩(wěn)運轉(zhuǎn),采用多點驅(qū)動的方式,增加中部驅(qū)動裝置(裝置明細見表1所示)如圖4所示。同時,對帶式輸送機運輸能力、帶寬進行校核,確定驅(qū)動功率。

圖4 中部驅(qū)動裝置圖Fig.4 Middle drive device

表1 中部驅(qū)動裝置明細Table 1 Detail list of middle drive device

煤運輸能力計算如公式(1)所示:

(1)

式中:Q為運輸高峰煤量,t/h;∑Qi為生產(chǎn)能力總和,t/h;K1為設(shè)備利用系數(shù);K2為同時生產(chǎn)系數(shù);K3為掘進煤量系數(shù)。代入數(shù)據(jù)得:Q=992 t/h。

膠帶寬度計算如公式(2)所示:

(2)

式中:b為膠帶寬度,m;K為斷面系數(shù),取315;ρ為物料散密度,t/m3;v為帶速,m/s;C為傾角系數(shù),取1;ξ為速度系數(shù),取0.82。代入數(shù)據(jù)得:b=1.23 m

驅(qū)動功率計算如公式(2)所示:

(3)

式中:P為電機功率,kW;mb為膠帶單位長度重量,kg/m;mR為托輥轉(zhuǎn)動部分重量,kg/m;v為帶速,m/s;Q為運輸能力,t/h;h為提升運輸垂直高度,m;f為托輥摩擦系數(shù);l為輸送機水平距離,m;C為計算系數(shù);Pcd為清掃器附加功率,kW。代入數(shù)據(jù)得:P=2 278 kW

綜上所述,北一膠帶機大巷帶式輸送機延伸后,選用輸送帶型號為ST/S3150-1400,中部驅(qū)動功率選用2臺功率為500 kW的永磁電機,設(shè)備參數(shù)詳見表2。

表2 技術(shù)特征表Table 2 Technical characteristics

3 基于偏差耦合多機平衡控制

3.1 多電機驅(qū)動功率平衡方法

帶式輸送機運輸距離過長,不僅增加輸送帶張力,且易導致皮帶撕裂事故發(fā)生。本文采用轉(zhuǎn)載式多點驅(qū)動方式,通過5臺功率為500 kW的永磁電機聯(lián)合驅(qū)動5 620 m帶式輸送機,電機功率平衡直接關(guān)系到輸送機的運行狀況。從現(xiàn)場調(diào)研來看,礦井帶式輸送機在運轉(zhuǎn)過程中易受到負載擾動、現(xiàn)場環(huán)境等因素的影響,造成各部電機之間功率不平衡,對電機、托輥等零部件產(chǎn)生損傷,影響輸送機正常運轉(zhuǎn)。

本文采用5臺功率、參數(shù)相同的永磁電機聯(lián)合驅(qū)動5 620 m帶式輸送機。其中,永磁電機1、2分別驅(qū)動機頭滾筒1、2,機頭滾筒1、2通過皮帶柔性連接,共同作為機頭控制部分;永磁電機3、4分別驅(qū)動中驅(qū)滾筒1、2,中驅(qū)滾筒1、2通過皮帶柔性連接,構(gòu)成中驅(qū)控制器;機尾通過永磁電機5驅(qū)動機尾滾筒1,為機尾提供動力。具體見圖5所示。

圖5 多電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Multi-motor drive structure

由圖5可知,5臺TBVF-500/80YC永磁電機均通過輸送帶柔性連接,當運輸距離較長時,不利于電機間的耦合,造成電機速度不一致。然而, 多電機功率平衡的重要前提為各電機轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩相同,常規(guī)手段很難達到轉(zhuǎn)速一致目的。因此,本文對各電機轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制,并保證輸出轉(zhuǎn)矩相同,即在永磁電機2、3、4、5速度控制器前增加一個補償器,如6所示,各電機補償器結(jié)構(gòu)類似。

圖6 電機補償器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Motor compensator structure

3.2 多電機驅(qū)動功率平衡控制

目前,隨著帶式輸送機運輸距離的增加,多電機聯(lián)合驅(qū)動成為趨勢,本文采用5臺永磁電機聯(lián)合驅(qū)動,為實現(xiàn)功率平衡,首先通過收集各電機電流、轉(zhuǎn)速值,其次采用坐標轉(zhuǎn)換的方式,得到對應轉(zhuǎn)矩電流值,即反映各電機功率值,因此,通過控制轉(zhuǎn)矩電流值可達到功率控制的目的。根據(jù)電機運行特性,轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩電流是影響電機功率平衡的兩大因素。為此,通過觀察5臺永磁電機轉(zhuǎn)矩電流值,若電流值較大,表示轉(zhuǎn)矩較大,則相應的降低其頻率,反之,當電流值較小,表示轉(zhuǎn)矩小,則相應的增加其頻率。但在改變電機頻率的同時,轉(zhuǎn)速亦發(fā)生變化,造成功率不平衡。所以,必須確保頻率調(diào)節(jié)后轉(zhuǎn)速不發(fā)生變化。本文在多電機驅(qū)動系統(tǒng)中增加偏差耦合控制手段,具體見圖7所示。

圖7 偏差耦合控制結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Deviation coupling control structure

由上述偏差耦合控制方法可以看出,電機在負載作用下,各電機產(chǎn)生相應的轉(zhuǎn)矩電流值,偏差耦合結(jié)構(gòu)會對各電流值進行分析,當部分電機轉(zhuǎn)矩電流值出現(xiàn)不一致,偏差耦合結(jié)構(gòu)通過補償器,給電機一個補償轉(zhuǎn)速,并在5臺電機中形成耦合閉環(huán),從而使得5臺電機轉(zhuǎn)速相同,保證5臺電機功率平衡。同時,為解決PI控制器超調(diào),提高系統(tǒng)可靠性,在控制器結(jié)構(gòu)中增加了輸出限幅和積分限幅,具體見圖8所示。

圖8 控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Controller structure

3.3 系統(tǒng)仿真

為驗證偏差耦合控制方法可靠性,利用Matlab軟件,搭建結(jié)構(gòu)模型,對電機負載啟動、空載啟動至負載兩個過程轉(zhuǎn)矩、電流進行仿真:

3.3.1負載啟動

電機負載啟動時,扭矩為100 N·m,電機運行至0.6 s時,加載到200 N·m,此時各電機轉(zhuǎn)矩、電流及轉(zhuǎn)速如圖9所示。

由圖9可知,各電機轉(zhuǎn)矩、電流及轉(zhuǎn)速基本保持一致。其中,電機負載啟動時,電機轉(zhuǎn)矩、電流及轉(zhuǎn)速從0瞬間增加至一定值,隨后保持平穩(wěn);0.6 s加載,轉(zhuǎn)矩、電流瞬間增加,后保持穩(wěn)定,轉(zhuǎn)速不變。因此,電機負載啟動及加載過程中,5臺電機能夠在極短時間實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定,達到多電機功率平衡。

(a) 電機轉(zhuǎn)矩圖

(b) 電機電流圖

(c) 電機轉(zhuǎn)速圖圖9 負載啟動電機特性曲線Fig.9 Motor characteristic curves

3.3.2空載啟動至負載

電機空載啟動時,電機運行至0.4 s時,加載至300 N·m;電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)后,在0.8 s繼續(xù)加載80 N·m,此時各電機轉(zhuǎn)矩、電流見圖10所示。

(a) 電機轉(zhuǎn)矩圖

(b) 電機電流圖

(c) 電機轉(zhuǎn)速圖圖10 空載啟動電機特性曲線Fig.10 Motor characteristic curves

由圖10可知,各電機轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速基本保持一致,其中,電機空載啟動瞬間,電機轉(zhuǎn)矩、電流為0,轉(zhuǎn)速1 000 r/min;在0.4 s、0.8 s加載,轉(zhuǎn)矩、電流瞬間增加,隨后保持平穩(wěn),轉(zhuǎn)速先降低,0.05 s后瞬間增加至1 000 r/min,后保持平衡。因此,5臺電機能夠在極短時間實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定,達到多電機功率平衡。

綜上所述,在5 620 m超長距離帶式輸送機運輸系統(tǒng)中,運用偏差耦合方法可實現(xiàn)5臺電機功率平衡,對帶式輸送機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)起到重要作用。

3.4 現(xiàn)場測試

為驗證偏差耦合控制方法可靠性,對5 620 m帶式輸送機進行運行調(diào)試,分別做了負載啟動、空載啟動。當皮帶上有原煤時,帶式輸送機緩慢啟動,速度逐漸增加,隨后保持3 m/s速度勻速。皮帶上無原煤時,帶式輸送機啟動后帶速瞬間增加至限速速度3 m/s;當增加原煤時,帶速降至2.9 m/s,0.1 s后迅速增加至3.0 m/s,并保持勻速運轉(zhuǎn)。如圖11所示。

圖11 現(xiàn)場實物圖Fig.11 On site physical objects

4 結(jié)論

本文采用偏差耦合控制作為解決超長距離皮帶運輸多點驅(qū)動功率平衡方法,通過仿真和現(xiàn)場運用得到以下結(jié)果:

1)通過增加中部驅(qū)動裝置,采用5臺電機多點驅(qū)動方式聯(lián)合驅(qū)動5 620 m帶式輸送機。

2)運用偏差耦合控制方法解決了5臺電機多點驅(qū)動功率平衡問題,實現(xiàn)了5 620 m帶式輸送機平穩(wěn)運轉(zhuǎn),原煤運輸能力提高到400 t/h,運輸效率提高5倍,工作面生產(chǎn)效率提高10%。