礦用刮板輸送機在外部動態(tài)載荷作用下的分析與研究

聶仕義

（同煤國電同忻煤礦有限公司，大同 山西037001）

0 引言

眾所周知，煤炭行業(yè)在我國國民經(jīng)濟中占有很重要的位置[1]。而煤礦開采過程中涉及的機械系統(tǒng)，由于其長期處于高負荷運行狀態(tài)，其受到的外部載荷往往對設備使用壽命有很大的影響[2]。刮板輸送機是煤礦開采系統(tǒng)中最常見的基本機械之一[3]。輸送機的長度和安裝方式（水平或傾斜）取決于礦區(qū)具體的地質(zhì)條件，包括煤層的位置等等[4]。它們在工作過程中，載荷是不斷變化的，而在實際過程中這種載荷的變化很難預測，且影響載荷的主要因素是由運輸材料的體積決定的[1]。輸送機驅(qū)動電機之間的鏈條張力和配合對動態(tài)載荷也有一定影響[5]。作者所工作過的絕大多數(shù)礦區(qū)的大多數(shù)輸送機在啟動階段后以恒定速度運行。然而，最先進的傳送帶有可能配備頻率傳感器[3]。頻率傳感器的使用可以控制輸送機的運動速度，即控制其輸出功率。本文給出了在輸送機載荷變化的情況下，驅(qū)動電機載荷變化的仿真分析結(jié)果。分析了電機（變頻器設置的變化）頻率變化對輸送機運行動力學的影響。

1 SGD320型號的礦用刮板輸送機仿真模型

本文研究的是SGD320型號的礦用刮板輸送機（如圖1所示），其性能指標見表1，由刮板輸送機的物理模型和驅(qū)動電機模型組成（見圖1）。物理模型由剛性固體、幾何約束、彈性衰減元件建立。模型是在MSC中開發(fā)的Adams計算機程序，用于多體系統(tǒng)的運動學和動力學分析。在MatLab/Simulink軟件環(huán)境下建立了電機模型。在定義了兩種模型的輸出/輸入信號后，將用于控制輸送機速度的頻率傳感器與電機模型相連接。然后使用聯(lián)合仿真技術(shù)對輸送機的運行進行仿真[3]，并且對煤礦中實際運行的SGD320型號的礦用刮板輸送機進行了工程驗證。

表1 SGD320型礦用刮板輸送機主要性能指標

圖1 刮板輸送機仿真物理模型及系統(tǒng)

刮板鏈負荷的估算是一項艱巨的任務，甚至是不可能的，因為這種荷載具有隨機性。刮板輸送機在輸送時，物料受到刮板鏈條在運動方向的壓力及物料自身重量的作用，在物料間產(chǎn)生了內(nèi)摩擦力。這種摩擦力保證了料層之間的穩(wěn)定狀態(tài)，并足以克服物料在機槽中移動而產(chǎn)生的外摩擦力，使物料形成連續(xù)整體的料流而被輸送，使物料形成了連續(xù)整體的料流，對于數(shù)值試驗，定義了連接到所選刮板中心的力F的矢量（圖1）。然后將鏈條上部的載荷簡化為運輸?shù)奈锪纤a(chǎn)生的摩擦力。

2 仿真結(jié)果與討論

在恒定長度的輸送帶上進行了數(shù)值模擬（在卸料端和回料端驅(qū)動滾筒中心之間的距離沒有改變）。通過改變電機模型中頻率傳感器的設置來模擬電機主頻率的變化。分別對25Hz、35Hz和50Hz頻率進行了仿真。在每個頻率下，輸送機通過力矢量由0變?yōu)?00kN，并跳躍式加載50kN。

圖2 電壓頻率變化對電機電流變化的影響以及極高負載條件下應力數(shù)值分析結(jié)果

圖2 （a）給出了在不同加載頻率下電機的平均電流隨負載值的變化情況，從圖中可以看出，電機中的電流與其負載成正比，這意味著電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是平衡設定負載所不可缺少的。如圖2（a）所示，研究還發(fā)現(xiàn)，在負載值較低時，提升頻率似乎可以有效的降低平均電流，但是到負載值非常高時，例如負載值達到400kN時，雖然頻率的提升依然可以微弱的降低電機平均電流，但是頻率對電流的影響已經(jīng)不顯著，我們對比了負載為400kN時，三種頻率對應的刮板輸送機的數(shù)值結(jié)果，如圖2（b～d）所示，可以看到，A、B、C、D表示刮板輸送機出現(xiàn)較高應力的部位，這些部位在高負載值條件下，位置區(qū)別并不大，這也印證了圖2（a）所顯示頻率對電流的影響已經(jīng)不顯著，也就是說，在工程實際中，在高負載情況下，調(diào)節(jié)電機的頻率對改善刮板輸送機鏈條張力的作用不顯著。

圖3 電機內(nèi)的電流隨負荷值的變化規(guī)律

此外，以電壓評論為50Hz為例，加載力矢量從0增加到400kN，每次增加50kN，來改變外載荷。在模擬過程中，記錄了驅(qū)動滾筒和轉(zhuǎn)矩的電機電流。在圖3中，給出了輸送機卸料端（A）和回料端（B）處電機的最小、最大電流對輸送機鏈條上部負荷的函數(shù)關(guān)系。可以看出，最大出料端和回料端的最大最小電流變化趨勢具有一致性，且隨著負荷值的增加，其與電流成線性關(guān)系，根據(jù)數(shù)據(jù)可以擬合出電流隨符合變化的經(jīng)驗函數(shù)：

3 實際應用及效果

實際應用中，刮板鏈是刮板輸送機的最核心部件之一，其在工作中承受的載荷往往是不穩(wěn)定的（動載荷部分），基于上述研究規(guī)律，筆者在同煤國電同忻煤礦進行了相關(guān)的工程應用。

3.1 應用1——實現(xiàn)了對刮板輸送機載荷的預測

通過檢測在同煤國電同忻煤礦中SGD320型號的礦用刮板輸送機電機電流，實現(xiàn)了刮板輸送機刮板鏈所承受的物料重量（載荷）的直接預測。即，基于上述經(jīng)驗公式，本文筆者對實際運行中的刮板輸送機在不同載荷時的電機電流進行了統(tǒng)計，具體的預測結(jié)果如下表2所示。

表2 不同工程與模擬負載值對電機電流變化的影響對比（以卸料端為例）

從表2可以看出，工程實際過程中的電機電流和公式預測出的結(jié)果具有極高的一直性。動態(tài)載荷對于電機電流的影響確實是線性的，本文得到的經(jīng)驗公式，對于SGD320型礦用刮板輸送機的負荷以及電流的預測效果良好。本文所提出的經(jīng)驗公式被直接編程輸入到電氣控制柜中，也就是說，控制人員通過控制電腦可以遠程的了解當下刮板輸送機輸送鏈的載荷狀態(tài)，為專家診斷系統(tǒng)和后續(xù)維修提供依據(jù)。

3.2 應用2——動態(tài)載荷作用下的刮板鏈保護方法

此外，我們在煤礦的實際工程應用中，我們發(fā)現(xiàn)，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和（包括減速機的傳動比）等于輸送機運動阻力之和。

首先，對于SGD320型礦用刮板輸送機來說，負載值相同時，頻率越高，電機的平均電流越低。電機電壓頻率的降低（轉(zhuǎn)速的降低）導致了輸送裝置在相同負載下電流的增加。例如，在控制SGD320型礦用刮板輸送機安全工作時（電流約為265A），主頻率為25Hz，其最大只能負載100kN，主頻率為35Hz，其最大只能負載150kN，主頻率為50Hz，其最大只能負載250kN。

也就是說，在工程實際操作環(huán)境中，當負載值在較低范圍內(nèi)時，控制主頻率可以有效的保障刮板輸送機的設備安全，但是當負載達到極高值時，控制主頻率不能有效的保證刮板輸送機的設備安全，需要考慮其他方案，例如，筆者在工作中，提出了過高負載的監(jiān)測和保護方案。

圖4 動態(tài)載荷作用下的刮板鏈保護方案

如圖4所示，電機柜監(jiān)測刮板輸送機的電流信號，并對其負載進行預測，當預測的負載值沒有達到極高值時，此時啟動輸送機速度的頻率傳感器對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，以在適應刮板鏈載荷的情況下，保護刮板鏈。當刮板鏈載荷預測值達到極高值時，要啟動刮板鏈的保護裝置，同煤國電同忻煤礦中SGD320型號的礦用刮板輸送機新型鏈保護裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。靠近電機兩側(cè)的開關(guān)通過紅外信號進行刮板鏈鏈條張力信號采集，并通過反饋信號對比刮板鏈是否發(fā)生斷裂，若未發(fā)生斷裂，此時需要降低刮板輸送機目前的載荷，若發(fā)生斷裂，需要立即停機發(fā)出報警，并隨機啟動應急預案。所以本文工作為刮板輸送機的動態(tài)載荷預測以及不同載荷狀態(tài)下的調(diào)節(jié)提供了切實可行的方案。

4 結(jié)論

在煤礦中作業(yè)的刮板輸送機的壽命常常會受到隨機載荷的影響，本文研究成果為刮板輸送機的動態(tài)載荷預測以及不同載荷狀態(tài)下的調(diào)節(jié)提供了切實可行的方案。