下運強力帶式輸送機機電一體化技術的應用

武永剛

(西山煤電(集團)有限責任公司 機電廠，山西　太原　030053)

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下運強力帶式輸送機機電一體化技術的應用

武永剛

(西山煤電(集團)有限責任公司 機電廠，山西太原030053)

摘要結合西山煤電股份有限公司西曲礦南翼皮帶大巷3段皮帶巷地質條件及設備配套技術指標要求，西山機電廠對DTL120/150/2×250X下運強力帶式輸送機系統進行了關鍵技術的理論分析研究和優化設計，提出了可靠的機電一體化優化組合的技術方案，并采取了相應的安全防護措施,提升系統安全運行性能，實現了煤礦安全生產的智能化控制。

關鍵詞機電一體化；動態分析；變頻調速；下運制動；液壓自動張緊；集控

1課題的提出

隨著科學技術的飛速發展，優化合理的煤礦機電一體化系統設計、先進的煤礦機電設備、嚴謹而科學的煤礦機電一體化系統的管理，是現代化煤礦安全、節能、高效和正常運轉的保證。

帶式輸送機作為煤炭高效開采機電一體化技術與裝備的關鍵設備,正朝著長運距、大運量、大傾角的方向發展，煤礦機電設備也形成了大功率、大負荷、高強度、高速度的特點，煤礦更需要優化合理的機電一體化技術和管理手段。大功率、高速度下運強力帶式輸送機由于其啟動、運行和制動工藝性能的特殊性，研發和引進適應其機電一體化的技術和管理手段對實現煤炭生產的安全、節能、高效和可持續發展具有重大意義。

結合西山煤電股份有限公司西曲礦南翼皮帶大巷3段皮帶巷地質條件及設備配套技術指標要求，西山機電廠對引進的先進的煤礦機電一體化技術進行轉化、吸收、借鑒,并對DTL120/150/2×250X強力帶式輸送機系統進行了關鍵技術的理論分析研究和優化設計，提出了可靠的機電一體化優化組合的技術方案，并采取了相應的安全防護措施,提升系統安全運行性能，從而實現了煤礦安全、節能、高效生產及機電一體化技術的智能化、系統化。

2理論研究

2.1主要技術指標

輸送量1 200 t/h，帶寬1 200 mm，帶速3.5 m/s，輸送長度3 488 m，提升高度：-112.9 m，機頭集中驅動，功率2×250 kW，電壓等級1 140 V，ST1250阻燃型鋼絲繩芯膠帶，變頻啟動，集中控制。

2.2設計原則及總體布置

2.2.1設計原則

該系統設計以礦方提供的技術指標及地質條件為依據，以合理的生產工藝為基礎,遵循“五高”(即高起點、高技術、高質量、高效率、高效益，突出效益優先)制造方針，以安全可靠、高效、節能、智能化、經濟實用為準則。

2.2.2總體布置

為便于集中管理、降低設備總投資、節約人力資源，采用機頭集中驅動、集中控制；為保證下運強力輸送機的啟制動過程平穩、可控，多機功率平衡及能量再生制動, 采用隔爆兼本質安全型四象限變頻調速裝置；為保證起動和停車制動的可控，避免飛車、斷帶、疊帶等安全事故，采用了制動安全、可靠的自冷盤式制動裝置；對于長距離強力輸送機要求張力可自動調節、動態響應快，以適應不同工況的運行性能，選用液壓自動張緊裝置。

2.2.3輸送機布置形式

該驅動系統采用了頭部雙滾筒驅動，拉緊裝置緊跟驅動滾筒后部，輸送機布置示意圖見圖1.

1—軟啟動裝置　2—電動機　3—聯軸器　4—減速器

2.3關鍵技術及其配套選型

2.3.1分段逐點計算

西曲礦南翼皮帶大巷3段輸送系統線路既有上坡段又有下坡段，整體屬于下運，帶式輸送機的運行工況比較復雜。因此，對帶式輸送機的各種驅動布置方式及其不同工況下的輸送帶張力的設計計算成為關鍵。

該系統采用了分段逐點計算方法，對全程滿載運行、下運段滿載其余段都處于空載運行、下運段空載其余段都處于滿載運行3種工況進行分析計算，所需的牽引力和電機功率，按照最困難的工況進行選取，并以此計算結果作為總體配套、動態受力分析、結構設計、零部件選型的依據。

2.3.2動態分析

由于輸送帶是由粘彈單元組成的彈性體, 強力下運帶式輸送機運行過程尤其是起(制)動過程中，輸送帶動張力變化較大，造成動態振動，輸送帶、滾筒、托輥及機架承受動載荷增加，很可能引起輸送機失去控制,造成飛車、疊帶及其它安全事故。

從考慮輸送帶的粘彈性特性入手,綜合拉緊裝置和驅動裝置的動力學特性的輸送機動態分析設計方法是現代大型帶式輸送機所必須的設計方法。該廠與太原科技大學合作，從輸送帶的粘彈性特性入手，對輸送機的啟動、正常運行、正常停機及緊急制動等工況進行了動態仿真，就關鍵問題:控制驅動單元按控制速度曲線啟制動、模擬輸送機的啟制動過程中各單元的復雜受力過程、多點驅動時各驅動單元驅動力的計算等進行了研究, 找到輸送機系統運行的最佳設計方案，為主要零部件設計、輸送帶、驅動裝置與拉緊裝置的選型提供可靠的理論依據。

2.3.3變頻調速技術和功率平衡技術

強力下運帶式輸送機設計的關鍵環節之一是選擇合理的驅動系統，以保證輸送機的啟制動及運行過程平穩可控、多機驅動載荷精確分配和轉矩平衡、能量再生制動，消除或減小輸送帶及承載部件的動態載荷，及對其它設備、電網的干擾，同時，各種電氣保護功能應有可靠的連接端口，以實現計算機集中控制。

綜合考慮該輸送系統的運行特性和經濟性，采用2套隔爆兼本質安全ZJT1-400/1140型四象限變頻調速裝置驅動。

1) 工作原理。按預先設定的參數運行，根據電機的負荷變化自行協調電機工作電壓和頻率，輸出恒定的轉矩。通過PLC實時檢測各電機電流，適時調整相對應電機功率，實現轉差調節，多機功率自動平衡。當變頻器啟動運行到電機額定轉速時，變頻運行退出，切換到工頻運行,下運勢能通過電機轉化為電能，該裝置將電能通過PWM調制回饋到電網。

2) 主要性能。

a) 恒轉矩調速特性。由于采用全數字無速度傳感器矢量控制，系統調速范圍寬，調速精度高，即使在低頻運行時，也有100%額定力矩輸出。

b) 重載起動。低頻運轉可輸出1.5～2倍額定轉矩，適于“重載起動”。重載起動起動特性曲線見圖2.

圖2　重載起動起動特性曲線圖

c) 軟啟動、軟制動特性優越。該變頻器的起動、停止時間在0～500 s連續可調，并具有極佳的低速性能，可實現優化“S”型速度曲線跟隨性能，見圖3.

圖3　優化“S”型曲線的速度、加速度模型圖

d) 四象限運行，實現能量再生制動。當系統處于負力運行進入發電狀態時能量回饋至電網，發電反饋；當系統處于正力運行時，電動機變為發電機狀態運行，此時系統能自動將電動機發出的再生能量反饋至供電電網。

e) 功率平衡。與主機系統配合，可實現自動調整自身的運行頻率、功率、轉矩, 功率不平衡度不超過3%.

f) 具有過壓、欠壓、過流、過載、過熱、缺相、電機過熱、系統過熱、瞬間斷電保護等功能，確保系統安全運行。各種故障均可通過LCD顯示并供隨時查看，計算機自動記錄故障，方便故障查詢及處理。

2.3.4下運制動技術

下運帶式輸送機帶載運行時，電機運行于發電制動工況，即由物料通過膠帶拖動電機運轉，此時的電動機實際上已轉化為發電機，它輸出相應的制動力矩來平衡膠帶上物料的重力下行力矩，維持輸送機的均速運轉。在重載停車時由于物料的重力和運動慣性力的存在，制動力、膠帶的張力較大，當負載力矩大于電機的制動力矩時，就會發生超速飛車、斷帶等事故，損毀設備，影響生產。因此，制動是下運帶式輸送機能否可靠運行的關鍵技術。

結合該系統的工藝布置，從膠帶張力和可靠制動兩個主要方面考慮，選用2套KPZ-1400/2X63型自冷盤式制動裝置，自冷盤式制動裝置布置見圖4.

1) 工作原理。自冷盤式可控制動裝置主要由制動盤7和液壓制動器8、9、10等組成。盤式制動裝置的制動力是由閘瓦10與制動盤7摩擦而產生的。因此，調節閘瓦對制動盤的正壓力即可改變制動力。而制動器的正壓力N的大小決定于油壓P與彈簧8的作用結果。當機電設備正常工作時，油壓P達最大值，此時正壓力N為0，并且閘瓦與制動盤間留有1～1.5 mm的間隙，即制動器處于松閘狀態。當機電設備需要制動時，根據工況和指令情況，電液控制系統將按預定的程序自動減小油壓以達到制動要求。

1—電動機　 2—聯軸器　3—牽引體　 4—傳動輪

2) 主要性能。

a) 制動力矩可控，能夠提供平滑的、無沖擊的制動力矩，減小對設備的動態應力，改善整機的受力狀況，提高設備的可靠性。

b) 與電控系統配套使用能使停車減速度控制在0. 1～0.3 m/s2.

c) 制動安全、可靠, 具有定車功能。

d) 成本低,可采用1 臺電控、1臺液壓系統控制多個驅動部件。

e) 制動時，盤面溫升小，制動時無火花，具有良好的防爆性能。

f) 具有先進、可靠的超速、打滑檢測，保護采用雙回路電液液壓比例控制技術，控制性能好。

g) 液壓系統調試、安裝方便，工作可靠性高。

h) 實現多機制動力矩平衡，為防止單臺制動裝置制動力矩過大而出現滾筒打滑，保證工作可靠性，各臺制動裝置應能做到制動力矩平衡，即制動裝置數量與驅動裝置相配套。

2.3.5自動張緊技術

根據該輸送機受力分析與整體布局，選用了徐州五洋公司生產的ZYJ-500(01-200型)型機電液一體化設備,布置在傳動裝置后面。布置示意圖見圖5.

其性能特點：1) 采用PLC為核心控制系統，能夠自動實現拉緊力在0～200 kN，可根據帶式輸送機不同工況所需張力自動調節，保證帶式輸送機的穩定

圖5　張緊裝置布置示意圖運行。

2) 動態響應速度快，張力調節平穩、精度高。

3) 采用液壓緩沖張力保護機構，能及時補償輸送帶的彈塑性變形，改善其運行特性，避免“漂帶”和斷帶事故的發生。

4) 與帶式輸送機主控系統之間無縫結合，實現對拉緊站的遠距離控制。

2.3.6智能化監測保護、集中控制技術

該系統配置了專門用于煤礦井下帶式輸送的集控制、檢測、保護、通話、語言報警于一體的科達自控公司的集中控制系統，實現了對整個輸送機運輸系統變頻調速系統、液壓自動張緊裝置、自冷式盤式制動器及綜合保護系統的可靠控制。其主要功能如下：

1) 能夠實現輸送機系統在輕載、重載等各種工況下，軟起動、停車動態過程的可靠、有效地控制，實現各驅動之間的功率平衡。

2) 具有集控、就地、檢修、手動及閉鎖等5種控制方式。

3) 能夠實現煙霧、堆煤、撕裂、速度、溫度、跑偏等保護功能，并增設了電機及滾筒軸承溫度在線檢測。

4) 可實現帶式輸運機沿線的拉線閉鎖、語音通訊等功能。

5) 系統具有狀態沿線自動檢測功能，并以圖形、文字、動畫方式實時顯示，為煤礦安全生產、調度和決策指揮提供直觀、可靠的手段。

3實體設計

3.1驅動形式

采用變頻器—電動機—熱裝式蛇簧聯軸器—硬齒面帶風扇減速器—冷裝式蛇簧聯軸器—傳動滾筒。其特點為：運行性能安全可靠、傳遞扭矩大、緩沖性及彌補移偏差的能力優越、快速易裝等。

3.2滾筒

1) 所有受力大的滾筒均采用三維立體設計,根據重載滾筒受力特點進行有限元分析，優化滾筒結構，將環形焊縫避開了應力集中區，提高滾筒的機械性能，其許用扭矩及許用合力均滿足設計要求。

2) 受力大的滾筒均采用運行性能可靠，安裝、維護便利的Cooper剖分軸承，且加裝了軸承溫度監測裝置及振動在線監測，可在操作機上顯示與報警。

3) 傳動滾筒表面采用摩擦系數大，能可靠提高滾筒使用壽命的蒂普托普公司陶瓷包膠，陶瓷覆蓋率達80%；其余滾筒表面鑄抗靜電阻燃橡膠。

4) 所有傳動滾筒、受力大的改向滾筒均為高強度的鑄焊結構；采用先進的CO2氣體保護焊進行焊接；轂與緣之間的焊接采用雙面成型完全穿透的連續焊,各焊縫均進行探傷檢驗，并進行退火處理，以消除內應力；傳動滾筒、受力大的改向滾筒的軸均采用鍛件40Cr，調質處理，軸粗加工后進行探傷檢驗；滾筒均采用可以減輕筒體重量及滾筒軸重量的可防止軸向竄動的拆裝方便的脹套聯接結構；滾筒組件在裝配前進行靜平衡試驗，精度為G40.

5) 滾筒直徑相同時，具有互換通用性，以受力最大的滾筒配置。

滾筒結構見圖6.

1—Cooper剖分軸承　2—脹套　3—軸

3.3新型高速低阻力托輥

該機一方面托輥采用先進的制造工藝：自動切管、自動車管、自動裝配組成的托輥生產線，保證托輥兩軸承有較好的同心度及較高的裝配精度。另一方面, 采用高性能的大滾珠、大游隙專用軸承(KA系列)及高精度的密封圈；密封結構為非接觸式迷宮密封結構；高精度的光拉軸;輥皮采用托輥專用焊管，幾何精度高，徑向跳動小；輥體與軸承座采用CO2氣體保護焊，有效地保證了托輥的性能，降低了托輥旋轉阻力。

3.4機架設計

所有機架結構選型均在受力分析與有限元分析的基礎上，進行了優化設計與選型，均采用具有良好焊接性能的板材或型材，經過預處理后具有足夠高的強度、剛度和穩定性的焊接結構。為了安裝和運輸方便，所有機架(除驅動架為整體結構)均由兩片組成，現場安裝時采用定位銷、螺栓聯接。

3.5清掃裝置

為保證設備正常運轉，加強對膠帶維護，該輸送機機頭設計安裝了由高強度聚氨酯與合金鋼刀片、彈簧結構的漲緊系統、整體式清掃刀架結構組成的二級清掃器，機尾回程段設有一道空段清掃器。

3.6重型緩沖床

為了有效、可靠地避免下落物料對輸送帶的沖擊損害，更好地支承和保護輸送帶，在輸送機落料承載處安裝具有緩沖性能好、承載力大的重型緩沖床。

4安全防護措施

4.1斷帶保護與鋼絲繩在線檢測

針對該運輸系統的特殊工藝，經過科學計算，在綜合考慮系統的可靠性、安全性及經濟性基礎上，沿線合理安裝了3套ZDB-400/120型斷帶保護裝置。該斷帶保護裝置可在輸送帶斷帶后分段實施制動保護，有效地預防了事故的發生。另外，本著預防為主的原則，設置了礦用鋼繩芯輸送帶無損在線檢測裝置，在輸送機運行過程中，對膠帶的帶面和鋼絲芯的狀態進行實時分析、監測及預警，提前對輸送機膠帶事故進行有效的監測。

4.2防偏措施

長距離帶式輸送機發生膠帶跑偏時，難以調整。該機長3.5 km多，由于地形復雜，跑偏趨勢較大，對此設計采取了如下防偏措施：

1) 在承載分支與回程分支每30 m分別設置1組調心托輥裝置。

2) 在承載分支與回程分支每100 m分別設置1組轉動靈活、糾偏性能可靠的無源液壓自動糾偏裝置。

3) 提高膠帶接頭質量，盡量減少膠帶接頭數量。

4.3安全保護措施

輸送機機頭架及張緊部行人側、驅動裝置各外露轉動部分以及機尾滾筒上端設置了專用的防護柵欄或護罩，可確保井下作業安全，且安裝、拆卸方便、造型美觀、結實耐用。

5效果

1) 該系統將輸送機動態分析與計算機仿真技術、變頻調速、制動、自動張緊、集中控制、視頻監控等機電一體化技術的綜合應用，實現了設計優化、管理智能化。

2) 變頻調速+盤式制動器+液壓自動張緊裝置組，可自動控制下運強力帶式輸送機在各種工況下的起車、停車與調速性能，實現了帶式輸送機變頻調速智能自動控制。

3) 變頻調速裝置實現多機功率自動平衡。

4) 采取輔助手段提高整機性能，機身配置斷帶抓捕器，避免突然斷帶引起飛車事故，配置無源液壓自動糾偏裝置，有效防止輸送帶的跑偏。

5) 該系統配置高、可靠性高、性能價格比優越。

6結束語

DTL120/150/2×250X強力帶式輸送機運輸系統經工業實驗證明，各項性能指標良好，均達到了設計要求，實現了煤礦機電一體化的管理，使該廠自主設計配套大功率、大運量、長距離、大傾角帶式輸送機機電一體化技術邁上新臺階，實現了產品智能化、微型化、系統化、集約化。

參考文獻

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·試驗研究·

(E-mail)bihaiyinfan22@163.com

·試驗研究·

Application of Electromechanical Integration Technology of

Downwards Transportation Powerful Belt Conveyor

WU Yonggang

AbstractAccording to the geological conditions of three stages belt roadway of southern belt main roadway in Xiqu coal mine of Xishan coal and electricity Co., LTD and the requirements of equipment t matching technical indicators, theoretical analysis and optimization design of the key technology is studied for DTL120/150/2 * 250X downwards transportation powerful belt conveyor system in Xishan electromechanical factory. The technology scheme of reliable electromechanical integration optimization combination is proposed. And the corresponding security measures are taken. The safe operation performance of the system is improved. The intelligent control of coal mine safety production is realized.

Key wordsMechanical and electrical integration; Dynamic analysis; Frequency control of motor speed; Downwards transportation braking; Hydraulic automatic tension; Centralized control

作者簡介：張蒙(1985—)，男，山東滕州人，2012年畢業于遼寧工程技術大學，碩士研究生，主要從事金屬冶煉及加工過程控制工作 任燕卿(1979—)，男，山西呂梁人，2004年畢業于華中科技大學，政工師，太原理工大學在讀碩士研究生，主要從事光電傳感器在工業粉塵測定中的應用研究，(E-mail)yulong27@sohu.com

收稿日期：2015-02-12 2014-03-10

中圖分類號：TD63+4.1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)04-0004-05