基于磁流變液的刮板輸送機軟啟動技術研究

鄧建飛

(大同煤礦集團 晉華宮礦，山西　大同　037016)

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基于磁流變液的刮板輸送機軟啟動技術研究

鄧建飛

(大同煤礦集團 晉華宮礦，山西大同037016)

摘要為了解決煤礦刮板輸送機的軟啟動問題，分析了大量關于刮板輸送機的軟啟動方法及技術的優缺點，利用磁流變液在感應磁場中能夠產生固化的特性，提出了一種基于磁流變液的刮板機軟啟動控制裝置；介紹了磁流變液裝備在刮板輸送機中的安裝原理，并設計了一種基于磁流變液的刮板機軟啟動監控系統，為煤礦的高產高效與綜采設備的維護提供了理論基礎。

關鍵詞刮板機；磁流變液；軟啟動；監控系統

綜采自動化的主要“三機”設備包括采煤機、刮板輸送機以及液壓支架，其中刮板輸送機既是運煤的關鍵設備，也是采煤機賴以運行的支持軌道，同時也是液壓支架推溜移架的支點[1,2].刮板輸送機作為綜采工作面中不可或缺的機電關鍵設備，能否持續正常運轉是連續高效作業的重要保障。由于刮板輸送機需要長時間作業，而且工況復雜且惡劣，若無法及時處理出現的故障，將直接影響煤礦的生產效率。

煤礦生產噸位及制造水平的不斷提升，對刮板機裝機功率的要求越來越高，隨之對刮板輸送機的控制技術、保護和多電機驅動的功率平衡等問題也提出了更高的要求。而且大功率刮板輸送機負載量大、運距長、啟動頻繁且多為帶載啟動，為了解決此問題，許多刮板機廠商采用多機驅動方式，然而這種多機驅動啟動困難，對刮板輸送機沖擊大；同時，由于載荷的變化，導致多機驅動系統中各電機負載分配失衡，從而產生震蕩，造成刮板輸送機傳動系統和鏈條組件中應力過大，甚至有可能會燒毀電機。因此，要求刮板輸送機的軟啟動控制具有如下特點：保證電機啟動時輕載甚至無負載，在多電機驅動模式下，要求順序啟動電機；同時，要求能夠自動進行電機的負載平衡；要求刮板機承載過程中平穩、迅速和防爆，且具有一定的適應性。

本文針對上述的技術難點，將磁流變液的磁流體通電，產生固化現象的物理特性，引入到刮板機的軟啟動控制系統中，以解決刮板輸送機軟件啟動的問題，通過對磁流變液的加載控制部分的設計，實現了基于磁流變液的刮板輸送機軟啟動控制系統。

1磁流變液及刮板機軟件啟動技術概況

1.1磁流變液

磁流變液是一種極具發展前景的智能型材料，通常由母液(不導磁)和磁性微粒組成，磁流變液能夠隨外加磁場強度的增加，由液體逐漸轉變為半固體，當外加磁場消失時，磁流變液又會恢復到液體的狀態[3].其獨特的磁流變效應和連續、高效、安全、可靠等優點，近幾年引起人們的廣泛重視，被認為是材料科學領域最具有發展潛力的新型智能材料[4].

當磁場強度達到一定值時，磁流變液會產生明顯的磁流變效應，即液體的性質由液態轉變為固態，轉變的時間極短，可控制在微妙級以內，并且可逆。國內學者華文林，針對我國目前汽車制動器的制造水平普遍較低的現狀，提出了設計基于磁流變液的制動器新方法[5].張春光等針對當前純機械類的軟啟動控制裝備存在的一些問題，提出并設計了一種基于磁流變液的軟啟動控制裝置，建立了一種盤型磁流變傳動機構的力矩理論模型；設計了磁流變液軟啟動裝置的機械組合結構，詳細地說明了其工作原理、散熱結構和磁路結構[6].正是由于磁流變液諸多的材料特性，塑造了其在軟啟動控制領域的應用潛力。

1.2刮板機的軟啟動控制技術

刮板輸送機的軟啟動控制系統作為刮板機與電機之間的接通橋梁，對于保護電機，避免刮板機鏈的過載及沖擊，實現刮板輸送機的平衡啟動與可靠運行具有重要的意義。

為實現礦用刮板輸送機平穩啟動及可靠運行，邢方方等學者提出了基于雙速電機的軟啟動裝置,分析了其軟啟動控制機理,研究了其軟啟動控制策略的軟硬件架構，實現了對于刮板輸送機的漏電保護、過電壓保護、過電流保護、過載保護及斷相保護[7].陸文程等學者從啟動性能和適用功率范圍等方面，綜合分析了調壓調頻軟啟動、雙速電機軟啟動、液體黏性軟啟動裝置和液力偶合器軟啟動等刮板輸送機常用的軟啟動技術原理和技術特點，提出閥控充液型液力偶合器[8].經過多年工程實踐與應用，李洪分析了礦用刮板輸送機軟啟動存在的問題以及目前國內外幾種軟啟動方式的優缺點，介紹了調壓調頻軟啟動方式在礦用刮板輸送機上的應用效果[9].為了進一步深入研究刮板輸送機的軟啟動控制，張庚云等學者建立了刮板輸送機傳動系統的動力學模型，并在MATLAB/Simulink軟件平臺上構建其仿真模型，并以具體類型的刮板輸送機為例，對其軟啟動過程進行了數值模擬仿真，分析了偶合器液流量、電機轉速、鏈條阻尼以及鏈輪半徑等因素，對刮板機軟啟動過程的影響，對于理論研究與工程應用具有極為重要的指導作用[10].

然而，以上的研究雖然具有十分重要的理論研究意義與工程實踐指導作用，但在軟啟動的創新性方面不強，本文將磁流變液技術應用到刮板輸送機中，提出基于磁流變液的刮板輸送機的軟啟動控制系統。

2基于磁流變液的刮板機軟啟動控制系統設計

基于磁流變液的軟啟動控制裝備示意圖見圖1. 由圖1可知，其與常規刮板輸送機的不同之處是在刮板機頭與機尾電機減速器與刮板機之間，增加一個礦用磁流變液的離合裝置(如圖1中MRF連接器所示)，由于磁流變液在未工作時，表現為可流動的液態，而在通過電流之后，就會在微秒級內迅速固化，從而達到可以傳遞扭矩的作用。因此，在刮板機啟動之后，通過磁流變液的加載控制，將其通過電流設置為0，產生的磁通量也為0，電機表現為啟動時無任何負載(除了磁流變液的液態阻尼)。在啟動的過程，通過不斷增加磁變液的電液，不斷地增加了磁通量，使得磁流變液的固化強度不斷增強，不斷增加電機負載，達到刮板機軟啟動的目的。

圖1　 磁流變液軟啟動裝置示意圖

為了對基于磁流變液的刮板輸送機進行軟啟動，本文提出一種基于磁流變液的刮板輸送機的軟啟動控制系統，其系統的結構圖見圖2. 該系統主要由地面監控中心、運輸巷監控中心、下位機3個主體部分組成。

1) 地面監控中心。

地面監控系統通過有線以太網與井下的運輸巷控制中心相連接，在地面監控中心，主要運行是基于WinCC的監控系統。此監控系統將刮板輸送機的機頭電機電流、機尾電機電流、機頭電機減速器溫度、機尾電機減速器溫度、磁流變液加載控制器電流、磁流變液溫度等參數，以及其數據處理的中間過程數據進行參數化顯示，供地面監控中心的管理人員對刮板輸送機進行實時監測與控制。

2) 運輸巷監控中心。

運輸巷監控中心主要是基于PLC的監控主機，其主要包括邏輯判斷模塊、數據傳輸模塊、數據存儲模塊以及網絡通訊模塊，同時為了增加人機交互，在運輸巷監控中心也同樣運行著一套基于磁流變液的軟件啟動控制WinCC監控系統。運輸巷控制器通過無線以太網與下位機相連接，將傳上來的數據進行嵌入式存儲，以供數據處理與通信傳輸，同時，由于運輸巷處可以人為進行遠程控制操作，需要提供相應的邏輯判斷，以避免遠程控制危險事故的發生。

3) 下位機。

下位機是該系統的核心部分，它由網絡通訊模

圖2基于磁流變液的刮板機的軟啟動監控系統圖

塊、輸入模塊、輸出模塊、采集數據模塊、數據處理模塊以及狀態顯示模塊組成。

輸入模塊利用傳感器將刮板輸送機的機頭電機電流、機尾電機電流、機頭電機減速器溫度、機尾電機減速器溫度、磁流變液加載控制器電流、磁流變液溫度等參數進行數據模塊采集；采集數據模塊通過小波神經網絡等相應的智能去噪算法，將采集得到的數據進行噪聲處理，然后遞交給數據處理模塊；數據處理模塊完成主要的邏輯處理操作，同時將數據的中間處理過程數據以及最終的判斷數據通過人機交互界面進行狀態顯示。

在控制過程中，通過采集得到的參數可以判斷當前刮板輸送機的負載狀況。在開始啟動時，刮板輸送機帶較大的負載。此時，輸出模塊通過控制磁流變液加載控制器產生較小的電流輸出，表現為磁流變液較低的固化強度，其可帶動的扭矩的能力也較小；而當電流不斷增加時，所產生的磁流變液固化強度不斷增加，其可帶動的所知的能力也較大。如此，即實現了刮板輸送機的軟啟動控制。

3結束語

考慮到磁流變液在不通過電流時，表現為可流動的液體，而在通電時產生電流，能夠瞬間使磁流變液固化的特性，本文將磁流變液技術應用于刮板機的啟動控制中，解決了刮板輸送機軟啟動控制的難題，提出了基于磁流變液的控制裝置基本原理，設計了基于磁流變液的刮板機軟啟動監控系統，為煤礦綜采的高產高效生產提供了理論基礎，具有一定的實踐指導作用。

參考文獻

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[2]毛君，師建國,張東升,等.重型刮板輸送機動力建模與仿真[J].煤炭學報，2008(01):103-106.

[3]王慧，楊臻,韓世俊.磁流變液技術及其應用[J].機械工程與自動化，2010(04):207-208，211.

[4]鄭祥盤,郭源帆,陳淑梅.磁流變液技術及其工程應用研究綜述[J].工程機械，2011(12):49-52.

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[6]張春光,苗運江.磁流變液軟啟動裝置的設計[J].機械傳動，2012(08):54-56.

[7]邢方方,許少毅.刮板輸送機軟啟動控制策略[J].河南科技大學學報(自然科學版)，2012(04):14-18.

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[9]李洪.礦用刮板輸送機軟啟動方式的選擇與應用[J].中州煤炭，2005(03):42-43.

[10]張庚云,劉偉,王騰.大功率刮板輸送機軟啟動過程仿真研究[J].煤炭科學技術，2013(04):71-74.

·技術經驗·

(E-mail)tgcorej@163.com

Research on the Soft Start Technology of Scraper

Conveyor Based on Magnetorheological Fluid

DENG Jianfei

AbstractIn order to solve the problem of scraper conveyor soft start in coal mine, analyzes the merits and demerits of vast methods and technologies in soft start about scraper conveyor, utilizes the solidification characteristic of MRF in magnetic field, puts forward a scraper conveyor soft start control device base on MRF. Introduces the installation principle of magnetorheological fluid equipment in scraper conveyor, designed a soft start monitoring system based on MRF, and designs a scraper conveyor soft start monitoring system base on MRF. It provides a theoretical basis for high yield, high efficiency and the maintenance of fully mechanized mining equipment in coal mine.

Key wordsScraper conveyor; Magnetorheological fluid; Soft start; Monitoring system

中圖分類號：TD63+4.2

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)05-0023-03

作者簡介：鄧建飛(1977—)，男，山西大同人，2014年畢業于太原理工大學，助理工程師，主要從事礦井建設方面的研究與管理工作

收稿日期：2015-04-02