帶式輸送機群智能化管控關鍵技術的研究與應用

楊志剛，晉紀巖

冀中能源峰峰集團有限公司新屯礦 河北邯鄲 056201

帶式輸送機是煤礦生產(chǎn)的主要運輸設備，更是耗能大戶，確保其安全、可靠、節(jié)能、高效運行，具有重要意義。煤礦運輸環(huán)境較為惡劣，治理難度大，維護量大，事故率高，且能耗損失大、粗放式管理等問題突出，因此需要對帶式輸送機進行動態(tài)管控，通過人為干預來實現(xiàn)節(jié)能降耗目的。針對諸多問題，開發(fā)研究本質(zhì)安全、高效的帶式輸送機群作為一個重要議題擺在面前。

1 帶式輸送機群管控主要問題

當前，煤礦帶式輸送機在生產(chǎn)使用中，數(shù)量多、應用廣、線路長，造成了管理難度大、事故多發(fā)的問題。特別是因帶式輸送機保護較多，水煤、跑偏、斷帶等安全隱患發(fā)生的概率較大，檢修、排查不及時，極易造成安全事故。

1.1 驅(qū)動復雜，效率低下

帶式輸送機是煤礦生產(chǎn)的主要運輸設備，目前，峰峰集團井下使用的帶式輸送機多數(shù)是通過電動機配合減速機進行動力傳輸，在減速機和主驅(qū)動滾筒間加裝了液力偶合器等設施，傳動環(huán)節(jié)多，傳動效率較低，尤其重載、過載緊急停車后，很難再次啟動。在原煤運輸中，帶式輸送機通常難以達到滿載運行，致使電費超標，運行不經(jīng)濟。一般情況下，異步電動機的額定負載率約為 85%，設計時都按最大的負載進行計算和選型，效率為 0.5～0.7，造成了極大浪費[1]。

1.2 安全隱患制約生產(chǎn)

采掘工作面工作環(huán)境差，成為事故多發(fā)的潛在隱患。帶式輸送機機尾滾筒粘煤較多，導致其直徑變大，極易造成輸送帶跑偏；針對噪聲、輸送帶跑偏、水煤等危害，可采取的有效措施較少；變坡點等受力不均勻段，運輸過程中易發(fā)生掉煤現(xiàn)象；帶式輸送機滾筒因沾水觸動輸送帶打滑保護，緊急停車后造成淤煤，更甚者帶入漏煤眼或煤倉，易發(fā)生涌倉而造成人員傷亡事故。

1.3 管控落后，決策反應慢

帶式輸送機群集控管理雖然取得一些進步，也能夠?qū)崿F(xiàn)遠程在線監(jiān)測、操作功能，但是能為決策提供的數(shù)據(jù)依然很少，因此需要對數(shù)據(jù)進行管理，以便對生產(chǎn)情況進行科學、高效、安全決策。電動機作為帶式輸送機群的主要驅(qū)動設施，它的安全運轉(zhuǎn)至關重要。當前電動機的數(shù)字化管控普遍存在操作粗放、運行不穩(wěn)、故障頻發(fā)等問題，成為生產(chǎn)穩(wěn)定、效益提升的掣肘。

基于帶式輸送機群的技術現(xiàn)狀和管理水平，急需研究解決的關鍵技術[2]有：改用高效節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)，提高工作效率；開發(fā)自適應調(diào)速的運行模式，實時變頻調(diào)速，達到節(jié)能降耗效果；設計自動防跑偏裝置，防止輸送帶跑偏的發(fā)生；發(fā)明水煤處理裝置，杜絕水煤現(xiàn)象帶來的次生事故；設計輸送帶防飄壓緊裝置，解決變坡點處掉煤、輸送帶上飄等安全問題；基于互聯(lián)網(wǎng)技術、大數(shù)據(jù)技術，實現(xiàn)“云平臺”數(shù)據(jù)化管控手段。

2 帶式輸送機群系統(tǒng)管控關鍵技術

多數(shù)傳統(tǒng)帶式輸送機群存在諸多問題，而永磁電滾筒帶式輸送機具有節(jié)能高效、維護量低的優(yōu)點，因此是理想的代替技術。基于永磁電滾筒帶式輸送機的自適應調(diào)速功能，可最大程度地實現(xiàn)節(jié)能降耗。使用帶式輸送機的自清煤滾筒配合頂?shù)纵斔蛶ё詣蛹m偏裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)機尾處自動清煤。針對水煤隱患問題，采用水煤處理裝置，通過感應器對水煤進行識別[3]，通過噴灑高吸水性樹脂對水煤進行處理，可徹底解決水煤隱患。設計一種變坡點防飄壓緊裝置，可解決變坡點處掉煤、輸送帶上飄等問題。最后，基于云平臺技術，將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，能夠為管理者科學決策提供智慧方案。

2.1 高效節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)關鍵技術

帶式輸送機的動力驅(qū)動一般采用“電動機+減速器+偶合器”的多環(huán)節(jié)方式，改用永磁電滾筒驅(qū)動后，結構將大大優(yōu)化，減少減速機等設備，簡化了傳動環(huán)節(jié)，能有效降低傳動損耗，提高工作效率[4]。

永磁電滾筒主要由滾筒 (外轉(zhuǎn)子)、定子 (機軸)、軸承盒、支撐座和接線裝置組成。其中，轉(zhuǎn)子為外置式，依附軸上的旋轉(zhuǎn)軸承連接的端蓋一起旋轉(zhuǎn)。內(nèi)定子由多片硅鋼片相互疊成，與普通電動機的外定子結構相反，其線圈槽鑲嵌在鐵芯圓周的外側。永磁電滾筒整體結構如圖1 所示。

圖1 永磁電滾筒整體結構Fig.1 Overall structure of permanent magnet electric drum

2.1.1 永磁電滾筒磁路設計

基于 EasiMotor 電動機設計平臺的磁路完成 200 kW、帶速 3.15 m/s 永磁電滾筒的初步設計方案，分析永磁體尺寸、氣隙長度等重要參數(shù)對電動機性能的影響，并對電動機設計方案進行優(yōu)化。利用 Ansoft Maxwell 2D 對電動機進行了有限元計算，分析電動機的空載磁場分布和諧波含量，驗證電動機的額定帶載能力，進行最大去磁校驗[5]。初步選定永磁電滾筒的定、轉(zhuǎn)子極槽配合為 72 槽/60 極。

(1) 定子沖片設計

定子齒距

式中：D1為定子外徑，mm；Q1為槽數(shù)。

定子齒寬

式中：bt11為定子內(nèi)齒寬，mm；h01為定子軛部高度，mm；h12為轉(zhuǎn)子軛部寬度，mm；r1為齒端面半徑，mm；bt12為定子外齒寬，mm；hs1為邊部倒角槽高，mm；b1為槽寬度，mm；b01為定子槽寬度，mm；α1為槽距角度，(°)。

定子軛計算高度

式中：Di1為轉(zhuǎn)子內(nèi)徑，mm。

根據(jù)以上公式計算，進行定子沖片設計，如圖2所示。

圖2 定子沖片及槽型Fig.2 Punching plate and slot type of stator

(2) 電動機繞組設計

槽型選用圓底槽型。

槽面積

式中：h為槽楔厚度，mm。

槽絕緣面積 (雙層繞組)

式中：Ci為軛部磁路長度校正系數(shù)；r為極距，mm。槽有效面積

槽滿率

式中：Ns為每槽導體數(shù)；Nt1、Nt2為并繞根數(shù)，Nt1=Nt2；d11、d12為導線裸線直徑，mm，d11=d12；hd為梯形槽厚度，mm；hd1為槽楔占用高度，mm。

由以上公式計算，進行電動機定子線圈設計，如圖3 所示。

圖3 定子繞組圖Fig.3 Stator winding diagram

(3) 永磁體選擇

根據(jù)最大磁能時的永磁體工作特性，以及實際參與能量轉(zhuǎn)換的氣隙磁場中的有效磁能，永磁體的最佳工作點選在有效磁能最大的點處。

經(jīng)過核對電動機具體要求，估算出永磁體的體積，并依據(jù)滾筒外轉(zhuǎn)子尺寸，得出永磁體截面的具體尺寸，外轉(zhuǎn)子磁鋼如圖4 所示。

圖4 外轉(zhuǎn)子磁鋼Fig.4 Magnet steel of outer rotor

(4) 空載反電動勢

空載反電動勢E0是永磁同步電動機非常重要的參數(shù)，E0(V) 由電動機中永磁體產(chǎn)生的空載氣隙基波磁通在電樞繞組中感應產(chǎn)生，其計算公式為

式中：f為工作頻率，Hz；Kdp為繞組因數(shù)；N為電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；Φ10為主磁通，T；KΦ為氣隙磁通的波形系數(shù)；bm0為短矩系數(shù)，bm0≈0.60～ 0.85；Br為剩磁密度，T；Am為永磁體提供每極磁通的截面積，mm2；σ0為空載漏磁系數(shù)。

根據(jù)選用磁鋼的剩余磁感應強度、矯頑力以及最大磁能積，以及定子齒部磁密和軛部磁密等，計算出永磁電滾筒的反電動勢，交、直軸電感，定子直流電阻等基本參數(shù)[6]，如表1 所列。

表1 永磁電滾筒基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of permanent magnet electric drum

綜上所述，永磁電滾筒在各項基礎性能指標、結構、可靠性、安全性、節(jié)能、免維護等方面均體現(xiàn)了優(yōu)異的特性，必將給傳統(tǒng)的傳動方式帶來顛覆式的沖擊。所以，在工礦企業(yè)推廣和使用永磁電滾筒直驅(qū)方式是積極響應國家關于節(jié)能減排、環(huán)保清潔政策，實現(xiàn)“以人為本”的企業(yè)管理人文理念，提高企業(yè)形象的主要選擇之一。

2.2 帶式輸送機群“依載調(diào)速”節(jié)能關鍵技術

帶式輸送機群運輸線路長，對輸送帶的磨損較大，整個運輸系統(tǒng)負載容量約占整個礦井的 30%，且普遍配備冗余功率容量達 20%。針對這一問題，根據(jù)輸送帶上煤量對輸送帶進行實時變頻調(diào)速，實施節(jié)能改造[7]。

運用基于圖像處理的煤量計量方法得到煤量；根據(jù) RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡建立帶式輸送機耗能模型；通過粒子群算法對耗能模型進行最佳優(yōu)化，從而得到煤量與帶速的相互關系以及正常狀態(tài)下的電流；分析煤量與帶速、電流之間的節(jié)能匹配關系，得到最優(yōu)運行速度及工作電流；將速度與電流傳輸給永磁電滾筒變頻器，在工作電流正常的前提下，對帶式輸送機的速度進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)自適應調(diào)速。自適應調(diào)速流程如圖5所示。

圖5 自適應調(diào)速流程Fig.5 Flow of adaptive speed control

采用永磁電滾筒直驅(qū)進行動力輸入，經(jīng)測量可知：空載時，能耗變化很大，一般達到 63%；輕載時，能耗較低，一般在 25%；重載時，能耗為32.65%[8]。所以，采用永磁電滾筒直驅(qū)，帶式輸送機能夠?qū)崿F(xiàn)“重載高速，輕載低速，無載停車”的功能，不用人為干預，根據(jù)工作環(huán)境自動調(diào)整速度，最終達到節(jié)能的目標。

2.3 帶式輸送機防跑偏關鍵技術

礦井帶式輸送機長期運行過程中，煤泥黏附在滾筒上，造成滾筒內(nèi)壁呈不均勻形狀，誘發(fā)帶式輸送機跑偏等事故。輸送帶跑偏后會造成輸送帶與機架、托輥支架相互摩擦，加快輸送帶磨損、老化。尤其新屯礦的原煤帶式輸送機運輸線路長，運輸量大，輸送帶經(jīng)常會發(fā)生跑偏現(xiàn)象，存在較大的安全隱患[9]。采用模塊式頂?shù)纵斔蛶ё詣诱{(diào)偏裝置，配合使用自清理滾筒達到徹底根治跑偏頑疾的目的。

2.3.1 模塊式頂?shù)纵斔蛶ё詣诱{(diào)偏裝置

模塊式頂?shù)纵斔蛶ё詣诱{(diào)偏裝置是以解決帶式輸送機跑偏問題，實現(xiàn)自動糾偏為目的進行開發(fā)研究應用的一種新裝置，主要安裝在帶式輸送機中段輸送帶內(nèi)，采用模塊式設計，實現(xiàn)中上段輸送帶糾偏的功能。該裝置由 3 種型號槽鋼焊制的框架，和用扁鐵、托輥、串輥、防跑偏輥等制作的聯(lián)動關節(jié)組裝成型，與帶式輸送機架尺寸相同，便于對接、安裝，結構如圖6 所示。

圖6 自動調(diào)偏裝置結構Fig.6 Structure of automatic deviation-adjusting device

模塊式頂?shù)纵斔蛶ё詣诱{(diào)偏裝置上部采用轉(zhuǎn)動萬向桿，將輸送帶串輥及調(diào)偏輥安裝在桿架上，用萬向轉(zhuǎn)動桿與架子固定。此結構可實現(xiàn)上輸送帶隨輸送帶跑偏時架子自動轉(zhuǎn)動，從而確保輸送帶始終在中線運動。頂跑偏器創(chuàng)新采用雙中間軸、雙連桿和立輥三部分互動調(diào)控平衡，使跑偏輸送帶觸碰調(diào)節(jié)器后自動緩沖返回，實現(xiàn)調(diào)正復位目的。底輸送帶調(diào)偏器由萬向軸、立輥、平輥和可調(diào)連桿組成，能有效調(diào)控底輸送帶平衡。下部采用直輥、調(diào)偏立輥框架式結構，在主架兩端分別通過活動桿與機架連接，實現(xiàn)底輸送帶隨輸送帶跑偏而自動糾偏的功能。設計時采用標準機構結構形式，便于安裝、對接。當頂、底輸送帶跑偏時，上、下部架子會隨輸送帶的中心線變動而變動，實現(xiàn)了主架不動，轉(zhuǎn)動部分隨輸送帶跑偏而轉(zhuǎn)動。該裝置無需動力源，且構造簡單、穩(wěn)定可靠，能夠有效解決輸送帶跑偏問題。

2.3.2 自清理滾筒跑偏關鍵技術

為解決在煤炭運輸過程中，煤泥黏附在滾筒上，誘發(fā)跑偏事故的問題，研發(fā)設計了機尾螺旋自清理滾筒裝置[10]。該滾筒主要應用在機尾，起到機尾輸送帶跑偏的調(diào)控作用。

機尾螺旋滾筒結構形式簡單，外部為鋼帶螺旋狀固定在滾筒上，同時配合內(nèi)部錐體結構，便于自動清理殘留粘煤。清煤滾筒的外形利用現(xiàn)有的DSJ80/35/2×200 帶式輸送機滾筒、軸承座，不改變基本尺寸，確保其互換性。新型自清煤滾筒由軸承座、左右螺旋筒皮、螺旋葉片、軸、輪轂及內(nèi)部鋼板焊接而成。外部結構為鋼帶，螺旋纏繞固定在筒體上，以便于清理粘煤；內(nèi)部結構采用鋼板焊接成錐體，并焊接帶有方向的螺旋葉片。通過外部螺旋以及內(nèi)部錐體葉片的分離功能，將殘煤自動旋出。自清理滾筒結構如圖7 所示。

圖7 自清理滾筒結構Fig.7 Strucbure of self-cleaning drum

螺旋式自清煤滾筒裝置在進行工業(yè)性試驗以來，能起到自動清掃機尾滾筒活煤、浮煤的作用，機尾不粘煤，且輸送帶不跑偏。

2.4 “水煤”固化關鍵技術

水煤進入運輸系統(tǒng)，常常會導致運輸系統(tǒng)出現(xiàn)拉運困難，輸送帶跑偏現(xiàn)象。尤其在有坡度的斜巷段和底彎路段，還會造成淤煤，需要投入大量人力進行清煤工作。

水煤處理裝置是通過噴灑一種高分子吸水性樹脂來達到處理水煤的目的。高分子吸水性樹脂具有高吸水率，能吸收自身質(zhì)量數(shù)百倍的水離子，吸水速率高，每克吸水性樹脂可以在短時間內(nèi)吸收百克水離子，并且安全、無毒、無刺激，能夠有效地對輸送帶上的水煤進行處理，營造安全高效的環(huán)境。

水煤識別裝置硬件系統(tǒng)由水煤識別模塊、數(shù)字信號處理單元組成。水煤識別模塊由微波信號源、定向耦合器、隔離器、微波接收檢測電路等組成。微波信號源加電后產(chǎn)生固定射頻信號，所產(chǎn)生的射頻信號經(jīng)定向耦合、隔離，由發(fā)射器發(fā)射。發(fā)射器傳出的射頻信號經(jīng)過被測物體后被接收器接收，再送入微波接收檢測電路，信號經(jīng)接收模塊放大后檢波處理，送入數(shù)字信號處理單元[11]。接收器將接收到的功率信號放大、轉(zhuǎn)化成電壓信號輸出，數(shù)字信號處理單元通過采集該信號來實現(xiàn)對含水率的計算處理。數(shù)字信號處理單元主要由 A/D 電路、數(shù)字開關量輸出電路、復位電路、通信電路、PWM 調(diào)節(jié)電路、D/A 電路、RAM、液晶顯示構成，其中 A/D 電路用于接收模塊的電平輸出信號；D/A 電路采用 SPI 串行接口芯片將內(nèi)部數(shù)字量用 PWM 脈沖輸出，外部用高階濾波器濾波后得到直流輸出，用于報警器和水煤處理單元的控制。當原煤含水率達到水煤狀態(tài)的判定標準時，遠控電磁閥的開關打開，對原煤噴灑高分子吸水性樹脂，進行水煤固化。

根據(jù)噴灑材料設計水煤處理裝置，結構如圖8 所示。該裝置主要由識別裝置、控制器、電磁閥、儲存裝置、出料口等組成。當水煤出現(xiàn)在帶式輸送機上時，水煤識別裝置進行識別并發(fā)出預警信號。噴灑裝置延時對水煤段輸送帶進行噴灑，水煤與吸水性樹脂發(fā)生反應后形成膏狀物體，達到固化效果，從而實現(xiàn)安全、高效運輸。

圖8 水煤處理裝置結構Fig.8 Structure of water coal treatment device

2.5 變坡點防飄壓緊裝置關鍵技術

受地質(zhì)條件等因素影響，煤礦采掘巷道經(jīng)常會出現(xiàn)同一巷道段存在不同坡度的情況。當輸送帶長距離運輸，帶速較高或輸送帶經(jīng)過坡度較大的地段時，容易發(fā)生輸送帶重心偏離支架中心、輸送帶飄起等現(xiàn)象，導致所運煤炭大量撒落在巷道內(nèi)。因此，必須對輸送帶加強監(jiān)管，改進現(xiàn)有技術，徹底解決帶式輸送機在變坡點處掉煤、輸送帶上飄等安全問題。

帶式輸送機防飄壓緊裝置如圖9 所示。該裝置主要由門框固定機構、壓輸送帶輪、彈簧支撐件、可調(diào)高寬式門框裝置等部件組成。門框裝置用槽鋼制作，上部兩側各開設直徑 20 mm 的長圓形孔，根據(jù)帶式輸送機型號可調(diào)整高度、寬度，再重新固定螺栓，能夠?qū)崿F(xiàn)多機型應用。門框上部焊有兩個固定環(huán)，便于彈簧的連接與安裝。彈簧與壓輸送帶輪連桿進行固定，便于彈簧與壓繩輪間形成杠桿作用力。特制 U 形卡子將門框固定在帶式輸送機架上，槽鋼底部兩邊焊有兩個耳朵用來固定跑偏裝置。膠帶邊緣兩側各安裝一個壓輸送帶輪，通過杠桿與彈簧等部件在門框上連接。

圖9 帶式輸送機防飄壓緊裝置Fig.9 Anti-drift and pressing device of belt conveyor

帶式輸送機防飄壓緊裝置，實現(xiàn)了壓輸送帶輪上、下動態(tài)化運動模式。運行過程中，壓繩輪裝置兩側各自重 196 N，輸送帶上升力超過此重力后，輸送帶將上移頂動過壓繩輪、杠桿，防止輸送帶被損壞。若一側低于 196 N，壓繩輪將輸送帶壓緊，輸送帶不會發(fā)生上飄問題。彈簧的作用是保證上飄距離在一定的控制范圍內(nèi)，防止輸送帶過度上飄造成不安全運行的問題。通過運行來看，安裝帶式輸送機防飄壓緊裝置后，輸送帶不上飄，變坡點不落煤，保證了特殊巷道原煤運輸?shù)陌踩?/p>

帶式輸送機防飄壓緊裝置結構簡單、穩(wěn)定可靠，有效地解決了變坡點輸送帶運輸問題，徹底解決了帶式輸送機在變坡點掉煤及輸送帶上飄問題，確保帶式輸送機的安全運行。

2.6 “云平臺”數(shù)據(jù)化管控技術

目前帶式輸送機的驅(qū)動電動機運行普遍存在操作粗放、運行不穩(wěn)、故障頻發(fā)等問題，成為生產(chǎn)穩(wěn)定、效益提升的掣肘?；谧钚禄ヂ?lián)網(wǎng)技術、大數(shù)據(jù)技術，打造了電動機云平臺應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)由信息采集系統(tǒng)、電動機云大數(shù)據(jù)分析平臺、應用軟件系統(tǒng)組成[12]，每天會采集大量專用數(shù)據(jù)，實時動態(tài)分析，達到能效提升的閉環(huán)管理目的。

電動機云系統(tǒng)通過秒級的電動機數(shù)據(jù)采集與設備模型計算，將看得懂、有價值的數(shù)據(jù)以便捷的方式呈現(xiàn)給企業(yè)從一線人員到領導等不同使用者，以便于不同管理人員使用、決策。設備管理領導具有對每臺設備進行健康狀態(tài)評價的權限，包含帶式輸送機的過載、過流、溫度、震動、每小時啟動次數(shù)等常見指標。根據(jù)權限的不同，可直接查看問題電動機扣分詳情、超標發(fā)生時間以及發(fā)生時的數(shù)據(jù)曲線。電動機云系統(tǒng)的能效與負載分析，可制定最大的節(jié)能降耗方案供相關領導使用。帶式輸送機管理人員實時獲知報警信息，具體有報警設備、時間以及故障內(nèi)容等。管理人員能夠針對故障電動機的具體問題，結合相關數(shù)據(jù)進行判斷。該系統(tǒng)還可以為維修人員提供多數(shù)據(jù)分析，提高處理事故的工作效率。

3 結語

采用永磁電滾筒直驅(qū)方式，空載、重載情況下能耗明顯降低，尤其空載效果更佳。通過現(xiàn)有變頻調(diào)速控制裝置，節(jié)能環(huán)境下可自動調(diào)整速度，節(jié)能達到10%～35%。防跑偏裝置、“水煤”固化、變坡點壓緊裝置關鍵技術的應用，從根本上杜絕了事故隱患。另外，通過使用云系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)智能化管理，大幅降低設備故障率，延長設備使用壽命。帶式輸送機群智能管控關鍵技術主要解決當前管理存在著的運輸效率低、事故頻發(fā)、運行不經(jīng)濟等問題，能夠真正實現(xiàn)帶式輸送機的安全、高效、綠色運行。