帶式輸送機節能控制方法淺析

黃世頂，韓雷，常欣，吳在超，王永波，王強

（1.兗礦集團貴州能化龍鳳煤礦，貴州 金沙 551800；2.力博重工科技股份有限公司，山東泰安 271000；3.山東歐瑞安電氣有限公司，山東 泰安 271000）

帶式輸送機作為散狀物料輸送領域中效率最高、應用最為廣泛的物料運輸裝備，是一種以輸送帶作為承載與牽引部件，依靠摩擦傳動實現連續運轉的物料輸送設備。其主要由輸送帶、托輥、機架、驅動裝置、拉緊裝置、制動裝置、滾筒組及其它輔助設備構成，已廣泛應用在礦山、冶金、水泥、碼頭等領域，目前正向著長距離、大傾角、高帶速、智能化的方向發展。隨著工業生產規模的進一步擴大，輸送機的能耗問題也越來越突出。

1 帶式輸送機能量浪費的主要來源

(1）由于生產的不連續性與運輸的連續性之間的矛盾，使得帶式輸送機經常處于半載甚至空載的運行工況，其運輸物料的效率較低。

(2）在除去運送物料所必須消耗的能量之外，帶式輸送機的能量消耗主要取決于它的運行阻力，包括：托輥旋轉阻力、輸送帶壓陷滾動阻力、其他附加阻力等；隨著長距離、大運量、高帶速輸送機的發展，壓陷滾動阻力占主要阻力的比例越來越大，這極大增大了輸送機的無用功率。

(3）傳動裝置的能量損耗問題。傳統帶式輸送機得驅動裝置通常由異步電機、液力耦合器或液體粘性軟起動、減速器、聯軸器等組成，起動時扭矩小，難以實現滿載起動，且故障形式多樣，故障率高，維護成本較高，是一種嚴重的能源浪費。

2 帶式輸送機節能改造方法

2.1 低阻力節能型輸送帶

在設計一個輸送系統時，需合理選擇輸送機的基本設計參數，包括：帶寬、帶速、托輥間距、托輥直徑、輸送帶類型等，基本參數的選擇不僅要滿足系統的功能要求外，更應該使系統能量消耗及成本減小。

帶式輸送機輸送帶是由內部帶芯和外部上下覆蓋膠組合而成的復合材料，其整體宏觀特性表現為粘彈性。其中，上下覆蓋膠多為橡膠材質，其力學表現為粘彈性。與其接觸的托輥多為鋼制材料，力學表現為剛性。在輸送機運行過程中，輸送帶的覆蓋膠與托輥相接觸，由于二者力學特性相差較大，與托輥接觸部分的覆蓋膠在輸送帶自身重力與承載物料重力的作用下出現壓陷變形，而當該部分覆蓋膠在脫離托輥后恢復形變時，因自身的粘彈性導致形變恢復出現時滯現象。這種由于托輥壓入輸送帶覆蓋膠而引起的與輸送帶運行方向相反的阻力我們稱之為壓陷滾動阻力。

有研究測試表明，在運輸距離為一千米的帶式輸送機中，壓陷滾動阻力約占輸送機總運行阻力的60%，且距離越長，壓陷阻力所占比重越大。因此降低輸送帶壓陷滾動阻力是實現輸送機系統節能的重要手段措施。

分析壓陷滾動阻力產生的機理可知，輸送帶的粘彈性特性是影響輸送機壓陷滾動阻力的主要因素，可以通過選配合理的輸送帶橡膠材料及其配方獲得合適的輸送帶粘彈性參數，再結合調整輸送帶和輸送機的結構參數，例如適當調整托輥布置間距，適當提高帶速，增大托輥輥徑等，達到降低輸送帶壓陷阻力的目的；目前通過調整輸送帶本身特性實現輸送帶節能的三個方式有：

（1）降低輸送帶厚度，尤其是輸送帶與托輥接觸面覆蓋膠的厚度；

（2）在保證輸送帶強度的情況下，研發新型帶芯材料，減輕輸送帶的自重；

（3）改進橡膠配方進而改進輸送帶上下覆蓋膠的粘彈性，減少其形變量。芳綸輸送帶因其高模量、低伸長、高強度、低質量、低蠕變的性能，在輸送帶節能上有很大的優勢。

圖1 壓陷阻力輸送帶對比傳統輸送帶的粘彈性損耗仿真圖

2.2 新型驅動裝置代替傳統驅動

帶式輸送機輸送帶為粘彈性體，在起動和拉緊中，輸送帶內部會儲存大量的能量，而在制動時輸送帶存儲的能量將釋放，這就造成輸送帶產生動張力。為盡可能地降低輸送帶在過渡工況下的動張力，降低對輸送機電氣裝置與機械本體的沖擊，輸送機通常安置有軟起動裝置。目前常用的軟起動裝置或技術有：變頻調速、可控硅電機調速、調速型液力耦合器、液體粘性軟起動、CST可控軟起動裝置等，其中液力耦合器、液體粘性軟起動和變頻技術應用最為普遍。液力耦合器相比于液體粘性軟起動，存在一定的劣勢：

（1）液力耦合器在工作時必須有3%~5%的滑差，而這又造成傳動功率的損失；

（2）電機必須空載起動，造成起動過程中會有較大的沖擊；

（3）無法實現傳動比為1 的直接起動，目前已基本淘汰。

理論上講，變頻裝置是最理想的軟起動裝置，通過改變電流的頻率對電機的轉速進行調節，起動時電機特性較硬，起動轉矩大，但其對電源的頻率以及電壓的穩定性要求較高，維護成本相對較高。

隨著電動機技術的發展，永磁同步電機正在逐漸取代傳動的機械驅動裝置，其直接驅動傳動滾筒使得輸送機運轉，使得傳動系統結構中拋棄原有的液力耦合器、齒輪減速箱等中間傳動裝置，減少了傳動損耗，提高了傳動效率。永磁同步電機具有以下的優點：

（1）較高的傳動效率：永磁直驅傳動效率可達93%，傳動的機械傳動裝置僅在70~80%左右；

（2）較大的起動轉矩：永磁同步電機搭配變頻器可恒定輸出2.2 倍額定轉矩的起動轉矩，從而實現重載起動；

（3）電機功率因數高。永磁同步電機的功率因數在0.96 左右，大大降低了電機的無用功率。

圖2 永磁電機和永磁滾筒應用現場

2.3 基于帶式輸送機料流監測的調速控制方法

根據專家學者分析及現場經驗，帶式輸送機輸送帶上的料流越穩定、質量分布越均勻，則輸送機系統耗電量就越低。因此通過實時判別輸送帶上的物料狀態，以此合理調整輸送機的運行狀態，即可達到提高能效的目的。其中，輸送帶上物料的瞬時流量是最為重要的物料狀態參數。有效的獲得物料瞬時流量則是該技術的核心。

目前帶式輸送機上大多采用皮帶秤、核子稱、超聲波測距儀進行瞬時流量監測。通過將采集到的信號回傳給控制室，為管理人員提供決策依據。其中，電子皮帶秤現世時間最長，其價格低廉，依靠稱重傳感器進行設定輸送帶長度上物料重量的稱量，結合速度傳感器，從而計算該區域內的物料流量，該計量裝置并未充分考慮物料的分布情況，存在一定的誤差;核子稱的穩定性和可靠性遠高于電子皮帶秤，但因放射性物質而存在較大的安全隱患；超聲波測距儀也廣泛應用于物料監測，由于其扇形發射特性，使得它的抗干擾能力較差。

隨著計算機技術與機器視覺技術的發展，激光測量法逐漸應用在帶式輸送機料流監測方面，該光學測量技術具有柔性大、結構簡單、成本較低及高精度等優點，通過激光掃描儀實時獲取輸送帶上物料橫截面輪廓信息，快速實現瞬時流量計算。除去監測物料橫截面輪廓信息之外，基于料寬比的料流分析法也在逐漸應用，該方法基于視頻與識別技術，通過實時比對料流寬度與輸送帶寬度，可粗略地進行瞬時流量判定。

通過對物料瞬時流量的精準測量，實現物料量與輸送機運行速度相匹配，從而實現“量多快運，量少慢運”，避免出現“大馬拉小車”的現象，有效減少設備的空載運行時間，減少設備磨損，節約電力資源。對于由多條輸送機組成的主運輸系統，采用基于激光三角法或超聲波法的物料瞬時流量監測技術，可實現由傳統的逆煤流起動向順煤流起動的轉變，優化生產工藝，節約成本。

3 結語

本文在分析帶式輸送機能量浪費來源的基礎上，從多方面提出了帶式輸送機節能控制策略，提升帶式輸送機的運行效率，進而減少電量消耗與設備磨損，有效地降低企業投入成本，有力地促進帶式輸送機的節能減排與綠色發展。