帶式輸送機調速過程中的風險分析*

王興茹

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

目前帶式輸送機已廣泛應用于電力行業、采礦行業、冶金行業、水電站建設工地、港口等,其優點是在輕載時通過調整輸送機帶速,實現帶式輸送機運營能耗的節省。許多文獻對帶式輸送機的節能技術進行分析,文獻[1]詳細分析了帶式輸送機減電機運行、流程優化、全變頻恒力矩調速等各種節能技術的原理、使用范圍及優缺點;文獻[2]分析了帶速與裝載量之間的關系，提出了利用模糊控制理論和PLC控制技術進行節能的方案;文獻[3]通過對帶式輸送機所受的運行阻力的分析，得出在帶式輸送機輸送量發生變化時，可通過合理調節其帶速來減少電動機功率損耗的方法;文獻[4]以神華神東煤炭集團有限責任公司和青島天信電氣有限公司合作的帶式輸送機載煤量,介紹了自動匹配控制的應用案例，對載煤量自動匹配控制的理論和實踐進行了全面的分析。本文將對帶式輸送機調速過程中的風險進行分析研究。

1 帶式輸送機的加速過程

加速過程主要指的是帶式輸送機由輕載到重載的變化過程。相比正常的啟動過程，在加速過程中帶式輸送機裝載率較高，其動態特征較為復雜。在實際操作中，帶式輸送機需要在大料流到來之前完成加速過程,其加速過程的風險主要包括輸送帶張力過大、輸送帶打滑和電動機過熱。

1.1 輸送帶張力過大

輸送帶張力過大不僅會增加輸送帶斷帶的危險，縮短輸送帶的壽命，還會導致滾筒軸承過早失效,故輸送帶的張力必須保持在一定的水平。當卸載滾筒兼作驅動滾筒時，輸送帶最大張力通常發生在驅動滾筒的緊邊。在加速過程中，驅動滾筒緊邊張力可用下式計算,即:

T1=T2+Fd

(1)

式中：T2為驅動滾筒松邊張力，N；Fd為圓周驅動力，N。

根據DIN22101標準中法國輸送物料的帶式輸送機計算中，其驅動滾筒緊邊最大允許張力為：

(2)

式中：GN為輸送帶額定張力，N/mm；B為帶寬,mm；SA,min為調速過程膠帶的最小安全系數。

假設帶式輸送機由質量為M的重錘張緊車在驅動滾筒后張緊，由于張緊車為豎直張緊，張緊車在調速過程中會有豎直方向的移動。張緊力在加速過程中會增加，在減速過程中會下降。據有文獻研究表明，在調速過程中張緊力和張緊位移的變化是有限的。因此，當計算驅動滾筒松邊張力時，可忽略張緊裝置的加速，可以認為驅動滾筒松邊張力是不變的，即：

(3)

綜合式(1),式(2)和式(3),其許用驅動力應為：

(4)

1.2 輸送帶打滑

當驅動力大于輸送帶和驅動滾筒間可獲得的最大摩擦力時，其輸送帶會在驅動滾筒上打滑。輸送帶打滑不僅損傷了輸送帶和滾筒，還會引起堵料和撒料。在煤塵環境中，輸送帶打滑還可能引起火災的危險，盡管已安裝了輸送帶的打滑保護裝置，但在輸送帶打滑事故發生時須帶式輸送機緊急停車。但緊急停車也會給帶式輸送機帶來不利影響，故在調速過程中需要限制驅動力，以避免輸送帶打滑?？紤]到輸送帶的打滑，其最大許用驅動力可按下式計算：

Fd,max2=T2(eμα-1)

(5)

式中：μ為膠帶和驅動滾筒間的摩擦因數；α為驅動滾筒圍包角，rad。

1.3 電動機過熱

電動機的額定扭矩是指電動機在設計轉速工作不發熱所能提供的最大連續轉矩(Tmax)。由于在實際的加速過程中，最大轉矩可短時間(數秒)超過額定轉矩(Tnom)。最大轉矩和額定轉矩的比值稱為備用系數(Kd)，故在加速過程中，電動機許用轉矩為：

τmax=Kdτnom

(6)

驅動滾筒上的最大許用驅動力為：

(7)

式中：i為減速器減速比；Rd為驅動滾筒半徑。

由于在長距離的帶式輸送機中，其輸送帶上物料的總質量遠遠大于傳動系統和驅動滾筒折算過來的轉動慣量,式(7)中忽略了驅動滾筒和傳動系統的轉動慣量。

1.4 最大加速度

在加速過程中,可考慮式(8)中的3個風險，即在調速過程中最大可用驅動力為三者中的最小值。

Fd,max=min(Fd,max1,Fd,max2,Fd,max3)

(8)

根據牛頓第二定律，在加速過程中允許的加速度為：

(9)

式中：FA,max為最大加速力，N;Ff為總的運動阻力，N;m為帶式輸送機總的旋轉質量,kg。

2 減速過程

減速過程是指帶式輸送機由重載到輕載的變化過程，其帶式輸送機需要在小料流到來之后開始減速過程。在減速過程中，驅動滾筒上的驅動力逐漸減小，輸送帶速度平滑下降，它不同于加速過程，減速過程主要考慮電動機發電工況。例如，在水平運行的帶式輸送機中，電動機的驅動系統不包括發電功能，除非需要反饋制動。故考慮電動機的發電風險，其最大減速度應為：

(10)

由于在調速過程中帶式輸送機總的運動質量是變化的，如果忽略滾筒的轉動慣量，不管在調速狀態還是在穩定運行狀態，帶式輸送機上物料的總質量不會大于下式Lmqn的值。故在確定最大加速度時，可以把總質量看成為常數，即：

m=L(mr+2mb+mqn)

(11)

式中:L為帶式輸送機長度,m;mr為托輥旋轉質量，kg/m；mb為輸送帶線質量，kg/m；mqn為物料名義線質量，kg/m。

3 調速時間

機械沖擊是加速度對時間的一階導數。在調速過程中，由于過度的沖擊會導致相當大的膠帶動張力，故必須避免機械沖擊。另外，大機械沖擊導致的過大的帶速變化，也會導致灑料。為了減少機械沖擊，本文采用Harrison推薦的正弦，加速度曲線及速度曲線，如圖1所示。

(a) 加速過程

(b) 減速過程

加速度和速度的數學表達式分別為：

(12)

(13)

式中：Δv為速度調節范圍；T為速度調節時間；t為調速過程的某個時刻(0≤t≤T);v0為調速過程開始前的速度。

根據式(12a),最大加速度發生在t=T/2時刻，

(14)

則采用正弦加速曲線的調速過程，需要的最短加速時間應為：

(15)

(16)

其中:下標ac和de分別表示加速和減速過程。

4 結論

本文對帶式輸送機調速過程的風險進行了分析，包括加速過程的輸送帶張力過大風險、輸送帶打滑風險、電動機過熱風險、減速過程的電動機發電風險，并對最大加速度和最短調速時間進行了計算，這對帶式輸送機的安全節能運行具有一定參考價值。