帶式輸送機運行過程動態優化控制設計及試驗研究

胡 瑾

（西山煤電集團設計院（有限公司）， 山西 太原 030053）

引言

近年來，帶式輸送機作為煤礦重要的輸送設備，其帶速、運量及輸送距離也在不斷地向大型化設備發展，而大型化設備具備的突出問題便是實際電機功率過大造成的實際損耗較小，輸送機造價高而拉緊裝置等構件的使用效果較差，或振動問題不能有效解決，因此基于帶式輸送機運行過程的動態優化控制，對帶式輸送機進行調速設計就顯得尤為重要。

1 帶式輸送機參數與模型設計

某礦帶式輸送機在實際設計中需要對該其選型參數進行計算，具體計算結果見表1、表2，根據計算結果所得的帶式輸送機參數進行帶式輸送機實際工況的系數選用，結果見表3。

表1 帶式輸送機具體工況

表2 帶式輸送機參數選型計算

表3 帶式輸送機運行工況系數選擇

如表1 所示，根據煤礦生產需要，以3 200 m 長度、高差130 m、仰角2.1°的實際工作環境，以及4 800 t/h 輸送能力需求，對帶式輸送機的功率及規格進行參數選擇設計，得出表2 中的帶式輸送機具體參數。本次設計方案選用頭部三電機雙滾筒進行動力驅動，滾筒傳動配比為2∶1，單個電機功率1 800 kW，帶速設計為4.7 m/s。一些帶式輸送機運行過程中的阻力參數及運行工況參數如表3 所示，其中阻力附加系數為1.040、摩擦系數為0.300 等，圖1 為帶式輸送機的整體布置方案簡易圖。

圖1 帶式輸送機布置簡易圖

在帶式輸送機的驅動力設計上，具體由兩個主驅動滾筒、一個次驅動滾筒進行功率驅動，功率均為1 323 kW，驅動功率總和為3 969 kW。基于上述對帶式輸送機的靜態設計，未考慮帶式輸送機實際工況中開機、停機運行過程及遭受緊急工況停車制動等對帶式輸送機的影響，因此對其運行過程的動態優化控制設計十分關鍵。現根據上述設計進行帶式輸送機的動態過程分析。

2 帶式輸送機動態分析

2.1 動態張力計算方程設計

帶式輸送機的啟動過程除皮帶張緊力之外還有附加張力的作用，兩者的疊加很容易造成帶式輸送機的運行過程不穩或滾筒、托輥元件失效損壞，影響到帶式輸送機的正常運行。從帶式輸送機的力學模型對其作出如下假設計算：假設帶式輸送機的運行方向上力學特性相同；煤體在帶式輸送機上平穩均勻分布運動；帶式輸送機托輥均勻分布；帶式輸送機視為一根剛性長桿，質地均勻；啟動及制動過程中帶式輸送機的振動較小可忽略其影響。由上述假設條件建立帶式輸送機的動力學方程如下：

式中：S 為帶式輸送機的橫截面積；q1為帶式輸送機的等效質量，由三部分組成，分別為帶式輸送機所承載的煤體質量、帶式輸送機本身的質量及帶式輸送機部件如托輥等的質量；f（x，t）代表帶式輸送機所受阻力；u（x，t）為帶式輸送機的對應點位移長度。根據式（1）代入初始條件以及帶式輸送機運行過程中的工況情況進行張力沖擊計算。

1）靜止狀態下及帶式輸送機的初始啟動過程中，各參數值為0，而啟動過程中，設定帶式輸送機的每點處于速度穩定階段，此時有：

2）制動器滾筒及張緊滾筒處的張力計算為：

由式（1）—式（4）可以得出，u（x，t）及帶式輸送機的運行張力為液壓拉緊張緊裝置所需力矩。而對于帶式輸送機已有結論：階躍激勵對輸送機的動態影響很大；斜坡激勵對動態的沖擊較小；正弦激勵對帶式輸送機的總張力比斜坡激勵更小。更小的沖擊力更有助于帶式輸送機電機的維護，提高其使用年限。對于帶式輸送機的優化設計，應確保其啟動過程的平穩性及速度的無突變性，因此優化變頻調速設計減小帶式輸送機的加速度及速度的突變，保證其速度曲線的圓滑度來減小帶式輸送機的沖擊是優化設計的總體思路[1]。

2.2 優化控制設計方案

通過設計可編程控制器PLC、變頻器、電動機及各顯示儀器進行系統組裝，整體運行流程為PLC 將采集信號在上位機傳輸顯示，并由上位機下達操作指令給PLC 控制器，指導變頻器進行調速運行。其中對于上位機控制室操作模式的選取有手動及自動控制兩種，當選取手動控制模式時，PLC 控制器將不再作業而由人工進行操作；自動控制下控制臺的手動控制器將無法使用，全程由PLC 控制器自動對變頻器進行工作指令下達。控制室可對帶式輸送機的轉速、電流值、運行/停止情況等電機運行狀態進行實時顯示[2]。

2.3 調速控制優化設計

采用變頻器對帶式輸送機進行調速，關鍵在于其控制頻率的優化，確保帶式輸送機的加速度及速度變化曲線較為平滑，即兩者的偏差值盡可能較小，f（v）=vi-v；f（a）=（vi-v）/（ti-t）-a0。兩者的值進行模糊控制優化設計，所得出優化后的參數作為變頻器的調節參數，即可實現帶式輸送機的優化控制效果。具體流程如圖2 所示。由帶式輸送機終端的實際運行速度、加速度作為初始信號，經過變頻器速度調節后向PLC控制器進行信號傳輸，并最終傳輸至上位機控制室，完成帶式輸送機的調速控制優化設計。

圖2 基于輸送機調速優化控制流程

3 帶式輸送機動態試驗研究

根據上述設計的動力學優化模型，對帶式輸送機的負載運行情況進行仿真模擬，設計啟動時長90 s，制動控制時長70 s，啟動、停車制動過程中的速度變化曲線如圖3 所示。

圖3 帶式輸送機啟動、停車控制速度變化曲線圖

由圖3 可以看出，控制啟動、停車及緊急停車過程中的速度變化曲線都較為平滑，達到了預期效果，基本可以實現變頻器對速度的靈活調節效果。其中分析啟動及緊急停車過程中的初始時間20 s 之內的速度突變情況，主要原因在于制動器的慣性作用，出現制動盤的打滑情況，從而造成速度的突變[3]。

4 結語

帶式輸送機的大型化發展給其運行狀態的平穩性、可靠性帶來了極大的挑戰，但通過對其運行狀態的動態優化控制設計，從帶式輸送機的運行速度以及加速度控制上做到靈活調節，能夠確保帶式輸送機的可靠平穩運行。即仿真模擬中曲線變化越為平滑，帶式輸送機運行過程中出現振動、電機電流等不穩定變化的情況也就越少，這對煤礦大型設備的維護以及智能化控制有著重要意義。