管帶機頭尾液壓馬達雙驅式設計同步問題研究

王衛東，侯繼鵬，丁增佳，李冉

(山鋼股份萊蕪分公司焦化廠，山東萊蕪271104)

管式皮帶運輸機是在通用帶式輸送機基礎上發展起來的一種新型帶式輸送機，因其在輸送過程中物料密閉，輸送線路適應性較強，因此可設計成為長距離物料輸送設備。這一技術早期在日本采用，隨后歐洲許多公司也開始設計制造這種皮帶運輸機［1］。我國管式皮帶運輸機的設計、制造和使用起步相對較晚，管式皮帶運輸機的驅動方式一般有“變頻電機—減速機”驅動和液壓驅動兩種，普遍采用頭部(卸料端)驅動的設計方式。而當設計為單機長度超過2 km 的超長距離管式皮帶機時，單純的頭部驅動就不足以提供設備運行所需要的動力，需要采用頭尾部雙驅的驅動方式。目前，萊鋼焦化廠在用4 條管式皮帶機中有2 條單機距離超過2 km，其中2007 年初投入使用的焦化廠3#管帶機單機距離達到3 km，其驅動系統采用的頭、尾液壓馬達雙驅式設計在國內尚屬首例。因此，該系統在調試、使用過程中出現了許多問題，尤其是管帶機頭尾部液壓馬達在運轉過程中的不同步問題，一度影響到管帶機的正常運行，近年來，焦化廠技術人員會同各方面的專家對此問題進行了探索，并采取了措拖使得該問題在管式皮帶機驅動系統中得到了創新性解決。

1 管帶機頭尾液壓馬達雙驅系統構成

圖1 超長距離管式皮帶機驅動系統構成圖

萊鋼焦化廠3#管式皮帶機設計水平投影長度為3 km，為超長距離管式皮帶機，其拉緊方式采用重錘漲緊，頭尾部各置一套驅動裝置，并自成系統，其驅動系統構成示意圖如圖1。

該管式皮帶機驅動裝置采用赫格隆液壓驅動系統［2］(如圖2 所示)，其構成主要包括以下部分:(1)液壓動力站。其主要作用是將電能轉換成液壓動力以供馬達; (2)液壓馬達。主要作用為輸出扭矩，將液壓動力轉換成機械能; (3)液壓管路。將液壓動力站與液壓馬達連接，用于系統輸送液壓動力;(4)控制系統。液壓動力站內SPIDER 控制器，主要對液壓系統整體運行進行控制和檢測。

圖2 赫格隆液壓驅動系統構成圖

該液壓系統采用標準閉環回路: (1)使用雙向軸向柱塞變量泵，通過柱塞控制液壓泵斜盤傾角，從而控制流量與壓力。 (2)采用徑向柱塞式定量液壓馬達，運轉時馬達殼體固定，油缸體/空心軸旋轉，偶數個柱塞均布于油缸體的柱塞孔中，配流盤實現對工作柱塞的準確配流。當液壓力作用在柱塞底部時，柱塞通過凸輪滾子將力傳遞到凸輪環的斜面上，因凸輪環與殼體固定在一起，而殼體固定，所以凸輪滾子將凸輪環的反作用力傳遞到柱塞上，反作用力在垂直于柱塞中心線方向上的分力對柱塞產生扭矩，因此油缸體和柱塞一起產生旋轉，同時扭矩正比于系統壓力。(3)運行中20% ～25% 的工作流量被補油泵輸入的冷油置換出來，使主回路強制冷卻。 (4)容積調速系統:使用比例閥控制液壓泵的斜盤傾角的變化，從而控制液壓泵輸出流量的變化，進而控制液壓馬達的轉速，馬達的轉速n=Q/q。 (5)液壓系統高度集成化，總效率可達70% ～80%。

圖3 管帶機頭尾液壓馬達雙驅式設計控制系統構成圖

在控制系統構成方面，赫格隆液壓系統自身配備Spider 集成控制系統，該系統包含多種功能，如馬達轉速、扭矩等數據的采集與控制，動力站的主要工作參數的監控和記錄，并能通過自身閉環控制實現油壓與馬達速度的調節，同時與上位機協調作用還能夠實現頭尾馬達的協同控制。在實際應用中，管帶機機頭、機尾兩套液壓系統各成體系，通過總線與上位機相連接，在上位機中植入頭尾油壓比例與自調節程序，根據理論計算得出頭尾油壓調節值，并將信號反饋于Spider 控制系統，進而作用于油泵和馬達，實現油壓與速度的協調控制，如圖3 所示。

2 管帶機頭尾液壓馬達雙驅式設計同步調節關鍵技術

(1)管帶機頭尾部油壓比例區間的確定

在實際應用中，管帶機頭、尾部液壓馬達的轉速直接影響著管帶能否正常運行，而決定馬達轉速的因素是油壓，如果油壓比例不合適，頭、尾部馬達將不能同步，進而造成管帶扭轉、跑偏、打滑、滾筒磨損，嚴重時將造成馬達損壞、皮帶撕裂等惡性事故。短距離管式皮帶機一般采用頭部驅動的設計方式，所有的驅動負載集中在頭部，因此不存在頭尾部驅動不同步的情況;而當采用頭尾部雙驅動設計時，就需要通過理論計算來重新分配負載，通過對圓管帶式輸送機驅動功率以及頭尾部張力值計算進而重新分配頭尾部驅動功率(計算過程較為復雜，不贅述):

管帶機運行總功率:p=p頭+p尾=720 kW

其中:p頭=400 kW，p尾=320 kW;

所以，頭尾部油壓比例:ω = (p頭－15)/(p尾－15)=1.26

根據實際應用中頭尾油壓的波動范圍以及設備承壓極限，確定頭尾部油壓比例在0.8 ～1.75 之間的允許波動區間，在此區間內頭尾部油壓可控且不至于造成設備損壞。

(2)頭尾部油壓比例自調程序的設計與調試

在管帶調試初期，頭、尾部馬達轉速的調節采用人工調節的方式來完成:即主控人員根據現場油壓比例反饋信號對速度給定值進行調節，從而使比例參數維持在0.8 ～1.75 安全區間以內，但人工調節不僅增加了現場人員的工作量，同時也因為人為判斷與反應的滯后性影響到調節的準確性和靈敏度，效果不是很理想。后期通過大量的現場比較實驗，進行了頭尾部油壓比例自調程序的設定，實現了對速度的自動調節:確定頭、尾部油壓比例值理想區間為1.2 ～1.35，以此區間為中心的正、負范圍內各設定3 個檔次，并根據各檔次區間內油壓比例表現確定不同程度的自調值(自調值的大小可以影響調節的程度與響應時間);現場頭、尾部油壓比例處于哪種檔次內，信號就依據自調值進行自動調節，從而大大優化了同步調節的準確性和靈敏度。

通過長時間數據采集與比較可以確定，當管帶機頭尾部油壓比例自調參數按照表1 設計時，自調程序與現場響應表現及時而平穩，自調過程中自調參數與油壓比例表現出良好的線性關系。

表1 頭尾同步自調參數列表

(3)Spider 控制系統的速度反饋PID 調節功能

管式皮帶機采用鋼絲繩芯膠帶，主要張力變化被膠帶內置的133 根鋼絲所承受。在管帶機啟動、停止以及物料變化時，皮帶漲緊力也在復雜變化，如果在速度的調節上采用開環控制，將會造成膠帶內部鋼絲受力不均勻，進而造成膠帶運行不穩定，降低了皮帶壽命。在此，對頭、尾部馬達的Spider 控制器進行了閉環控制設定，通過Spider 控制器對馬達內部速度編碼器數據的實時采集值與上位機反饋的給定速度值進行比較，隨時對現場馬達轉速進行調節，從而起到進一步穩定轉速的目的。

圖4 為Spider 控制器PID 調節功能原理圖，Spider 的PID 調節功能可有效補償因負載變化引起的速度改變，從而使馬達轉速穩定，其主要過程包括:

①速度指令信號和實際速度信號的差值(差值信號)將傳送到PID 調節器;

②PID 調解器包括三方面的調節:

P 調節:將差值信號比例放大;

I 調節:差值信號積分調節;

D 調節:差值信號微分調節(一般不用)。

圖4 Spider 控制器速度反饋——PID 調節功能原理圖

通過Spider 控制器的參數設置面板可設置P 調節的比率因子、差值信號的值域、I 調節的時間范圍等參數。按照程序默認設置，如果在10 s 內PID 調節不能使差值信號進入差值信號的值域，Spider 控制器將給出“ERR TOO LARGE”或”誤差太大“警告。

3 結論

通過對頭尾液壓馬達雙驅式管帶機頭尾驅動不同步問題的討論，確定了驅動不同步問題出現的原因，并通過頭尾部油壓比例區間的確定、頭尾部油壓比例自調程序的設計以及Spider 控制系統速度反饋PID 調節功能的設定等多種方式的協調應用，實現了頭尾雙驅同步性的有效提升，從而為頭尾雙驅式馬達設計在超長距離物料輸送設備上的應用提供了理論支持與實踐方面的依據。該調節方式在實際應用中具備安裝使用靈活、靈敏度高、準確性強、反應迅捷的優點，在工程應用中具備十分廣闊的前景與深遠的意義。

【1】張鉞.新型圓管帶式輸送機設計手冊［M］.北京:化學工業出版社，2006.

【2】赫格隆驅動系統(上海)有限公司.赫格隆CB 馬達安裝維護手冊，2004.