帶式輸送機永磁直驅系統機電耦合模型的研究

王 琦

（太原市明仕達煤炭設計有限公司， 山西 太原 030001）

引言

輸送機永磁直驅系統是實現輸送機機械運動的關鍵，其將電器信號轉化為所需的機械運動保證設備的運行，永磁直驅系統是重要且復雜的機電系統。對于帶式輸送機的運行，永磁直驅系統通過變頻器將電信號轉化為機械信號，通過輸送機的鏈輪帶動輸送機運行起到運輸煤炭的作用。整個運行過程中的關鍵是信號的轉化，永磁直驅系統將電子信號轉化為機械信號的同時，也實現了能量間的轉化，即將電能轉化為機械能，通過轉矩帶動設備運行。因此，研究帶式輸送機永磁直驅系統就顯得尤為重要。

1 耦合模型的建立

通過建立刮板輸送機機電耦合模型，利用數值仿真模擬軟件對設備在不同載荷運行情況下進行轉速、張力以及輸送機鏈條運行狀況的動態響應分析。

帶式輸送機主要由機頭、機尾以及驅動設備和鏈輪構成，其中，鏈條主要受拉力作用使設備運行，為更加全面的建立帶式輸送機永磁直驅系統機電耦合模型，需對設備進行以下假設：輸送機在運煤過程中煤體在輸送機上均勻分布；運行阻力均勻分布于運輸槽且阻力大小不隨輸送機運行速度改變；鏈條和刮板均勻分布于運輸槽的承載段；鏈條和刮板在水平方向不受振動影響，因此只需考慮二維層面受力模型。

對于輸送機模型的建立，本文采用離散元模型，帶式輸送機的離散元模型根據運行過程中載荷的大小及零部件的不同可以分為機頭機尾鏈輪、運輸槽、空載荷運行時的刮板鏈、滿載荷或超載荷刮板鏈等四種。由于運輸槽剛度遠遠大于刮板鏈的剛度，所以運輸槽與溜槽之間產生的動力學效應對運輸機的動力學影響較小，如若考慮中部槽的力學效應，將大大增加工作量且輸送機的力學方程會十分復雜，結果的準確性也得不到保證，因此在本文中，暫不考慮運輸槽的力學特性，直接將其視為剛體處理。

運輸機在運行過程中，刮板鏈、刮板等各個部件之間的力學特性非常復雜，具有典型的彈性和粘性特性，利用麥克斯韋（Maxwell）模型和伏格特（Kelvin-Voigt）模型解決粘彈性模型是最佳的選擇。

對于帶式輸送機永磁直驅系統機電耦合模型的建立，既要體現輸送機空間形態的動態特性，又要體現其狀態變量。圖1為帶式輸送機永磁直驅系統仿真模型原理圖，系統將電信號轉化為機械信號，輸送機通過扭矩帶動設備運行，利用輸送機狀態方程可以得到設備運行中的剛度、阻尼以及位移、速度參數，剛度、阻尼參數直接反映輸送機狀態變量，位移速度可以直接反映設備運行中的阻力系數，進而反映設備空間形態的動態特性，參數可以綜合反映出設備在運煤過程中，機頭部位和機尾部位在負載運行中的狀況，其影響設備轉矩效率，進而影響運煤效率。

圖1 帶式輸送機永磁直驅系統仿真模型原理圖

2 耦合模型的仿真分析

在上文帶式輸送機仿真模型的基礎上，為了得到永磁直驅系統的實時動態特性，必須進行不同載荷條件下輸送機的運行規律分析，從而改善永磁直驅系統在滿載、空載、隨機載荷下的運行狀況，提高設備的適載能力和協調能力。

2.1 空載狀態

輸送機在空載狀態下承載段第50 m、150 m、250 m處鏈條的速度及張力變化曲線如圖2、圖3所示，從圖中可以看出：各段鏈條的速度、張力在設備啟動的0～1 s波動較大，隨后逐漸降低，1.5 s后趨于穩定；在電機啟動后，第50 m處鏈條、第150 m處鏈條、第250 m處鏈條依次響應，這是因為刮板鏈的彈性作用，使得鏈條運動從機頭到機尾逐漸傳播而不是整個鏈條同時運動。從圖2可以看出，第250 m處的鏈條速度比第50 m處、第150 m處的速度波動的要大，即靠近鏈條與鏈輪分離點的鏈條速度要比靠近鏈條與鏈輪齒合點的鏈條速度大。速度的大幅度波動主要是因為加速度不穩定造成的。從圖3可以看出，鏈條在穩定運行時，在第50 m、第150 m、第250 m處鏈條張力分別為135 k N、80 kN、20 k N，其中第50 m處的鏈條最大張力達到275 kN，比穩定時的張力值140 kN高約96%左右。

2.2 滿載狀態

圖2 空載狀態下鏈條速度隨時間變化曲線

圖3 空載狀態下鏈條張力隨時間變化曲線

本次模擬滿載狀態的載荷為465 kg，得到圖4、圖5所示的滿載狀態下的速度及張力變化曲線，不同于空載狀態下輸送機在1.5 s的短暫過渡時間后達到穩定狀態，因此，規定2 s后輸送機滿載運行。

圖4 滿載狀態下鏈條速度隨時間變化曲線

圖5 滿載狀態下鏈條張力隨時間變化曲線

為了更詳細地得到滿載狀態下輸送機不同位置的運行速度及張力狀況，模擬了承載段第50m、150m、250 m、350 m、450 m、550 m處設備的運行狀況，在載荷突變時，刮板鏈的速度表現為先降低的趨勢，在空回段處速度增加，其中，250 m處的速度降幅最大，350 m處的速度增幅最大，這就說明在載荷突變時，機尾鏈輪處的波動所受載荷的影響要大于機頭鏈輪處的刮板鏈，且受影響時間長。滿載情況下，承載段的張力相差較大，空回段的張力相差較小，且空回段的響應要慢于承載段的刮板鏈。

2.3 隨機狀態

在帶式輸送機實際運用中，輸送機很難保證完全的空載或滿載狀態，載荷一般都會有隨機變化的情況，本次隨機載荷模擬中，輸送機負載率范圍為75%～100%。因為單位刮板鏈負載煤炭質量具有隨機性，因此速度與張力隨時間的變化曲線也具有一定的隨機性，如下頁圖6、圖7所示，從圖中可以看出，在0～8s之間速度波動明顯，之后速度依舊存在波動但是波動幅度減小，張力在50 m處一直處于最大值，在250 m處最小，不同距離的張力有嚴格的大小區分。

綜合上述仿真模擬分析，隨機載荷嚴重影響控制的穩定性，張力和速度變化不規律將造成運煤的不穩定，在其它模擬狀況下，永磁直驅系統突變載荷與突變量表現為正相關關系，動態響應明顯，應當適當控制驅動系統的穩定性，提高直驅電動機的穩定性。

圖6 隨機載荷狀態下鏈條速度隨時間變化曲線

圖7 隨機載荷狀態下鏈條張力隨時間變化曲線

3 結論

1）利用麥克斯韋（Maxwell）模型和伏格特（Kelvin-Voigt）模型對帶式輸送機永磁直驅系統進行力學特征分析，暫不考慮運輸槽的力學特性，直接將其視為剛體處理,可得到輸送機刮板鏈等零件準確的力學參數。

2）通過對滿載、空載及隨機載荷狀態下仿真分析可知，隨機載荷下鏈條速度與張力呈現不規律的變化，系統穩定性最差。

3）針對永磁直驅系統的動態響應，應從驅動系統和驅動電機出發，減小系統的波動，提高運煤效率。