堆取料機變速電子皮帶秤系統(tǒng)設(shè)計

歐榮年 唐 蒙

國投中煤同煤京唐港口有限公司

1 引言

斗輪堆取料機的設(shè)計理念逐漸趨于大型化和自動化，作業(yè)能力逐漸增加。在作業(yè)計量方面，堆取料機在作業(yè)過程中利用安裝在懸臂皮帶上的電子皮帶秤進行物料的動態(tài)稱量。某堆取料機電子皮帶秤的結(jié)構(gòu)形式為雙杠桿式，速度形式為恒速，速度約為5.3 m/s，皮帶速度較高。當堆取料機的取料流量低于1 500 t/h時，電子皮帶秤的精度會出現(xiàn)偏差較大的情況。提出利用變頻調(diào)速技術(shù)對堆取料機懸臂皮帶進行速度調(diào)整，當流量較小時通過皮帶降速來增加單位長度上的物料重量和厚度，同時降低帶速對皮帶秤干擾等因素來綜合提升電子皮帶秤的精度。

2 設(shè)計計算

按照《GBT7721-2017連續(xù)累計自動衡器(皮帶秤)》規(guī)定，電子皮帶秤準確度等級為0.2、0.5、1、2四個等級，雙杠桿式電子皮帶秤在堆取料機上的理論精度一般為1%左右。標準也明確指出：單速電子皮帶秤的最小流量應(yīng)等于最大流量的20%。當通過皮帶秤的物料流量過低時，加載到稱重傳感器上的凈載荷較少，系統(tǒng)精度受外部環(huán)境影響較大，如溫度、機械加工精度、傳感器本身精度、皮帶跑偏、皮帶秤零點不準等。因此提高稱重傳感器上的靜載荷成為解決堆取料機皮帶秤低流量作業(yè)時精度問題的關(guān)鍵。

電子皮帶秤的累積量計算可用如下積分式表示：

W=Q×dt=q(t)×V(t)×dt

(1)

式中，W為物料累積量，t；Q為物料瞬時量，t/s；q(t)為單位長度上的物料載荷質(zhì)量，t/m；V(t)為皮帶帶速，m/s。

在斗輪取料流量Q恒定的情況下，懸臂皮帶單位長度上的物料載荷重量q與皮帶帶速V成反比關(guān)系。帶速越高，皮帶上單位長度的物料越少，帶速越低，皮帶上單位長度的物料越多，理論上傳感器的靜載荷越大。理論上可以通過降低懸臂皮帶速度來提高電子皮帶秤精度，因此需要對調(diào)整速度前后所需要的功率進行計算。

堆取料機懸臂驅(qū)動電機功率計算公式為[1-2]：

(2)

(3)

Fu=FH+FN+Fs1+Fs2+Fst

(4)

式中，PM為電動機功率；η為傳遞效率；PA為傳動滾筒軸功率；Fu為傳動滾筒上所需的圓周驅(qū)動力；V為皮帶帶速；FH為主要阻力；FN為附加阻力；Fs1為特種主要阻力；Fs2為特種附加阻力；Fst為傾斜阻力。

以上阻力當中以FH為主，而且FH與單位長度輸送物料質(zhì)量q基本成線性關(guān)系。

結(jié)合以上電子皮帶秤的累積量公式可以得出：調(diào)速前后堆取料機懸臂驅(qū)動電機所需要的功率PM基本不變。

3 技術(shù)方案

現(xiàn)有的調(diào)速方式有以下4種：軟啟動器調(diào)速、變頻器調(diào)速、永磁調(diào)速、液力耦合器調(diào)速。斗輪堆取料機的懸臂皮帶為重型的恒轉(zhuǎn)矩負載，在進行調(diào)速技術(shù)方案選擇時，需要考慮皮帶的帶負載啟動，防止出現(xiàn)帶負載啟動時力矩不夠的情況[3]。

而變頻器調(diào)速在工頻以下可以設(shè)置為恒轉(zhuǎn)矩輸出，異步電機在5～50 Hz頻率下，都能達到電機標稱的額定轉(zhuǎn)矩，而且與電機運行轉(zhuǎn)速(頻率)無關(guān)，有能力保持電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩不變。即使在帶負載啟動時也能滿足工況使用要求，提升低速時的啟動性能，而且變頻調(diào)速啟動也能較好地保護輸送帶和滾筒，延長設(shè)備的使用壽命。

該港口斗輪堆取料機驅(qū)動系統(tǒng)包括電機、液力耦合器、減速機3個主要部件(見圖1)。若實現(xiàn)皮帶變頻調(diào)速功能后，液力耦合器相關(guān)部件可以進行利用聯(lián)軸器進行替換，因為在低速運轉(zhuǎn)時液力耦合器的功率損失較大。

1.電機 2.彈性聯(lián)軸節(jié) 3.液力耦合器 4.減速器圖1 驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)圖

4 方案實施過程

電機調(diào)速主要通過變頻器實現(xiàn)，在斗輪機的電氣房安裝10 kV中壓變頻器，并將400 kW的懸臂驅(qū)動電機更換為變頻強制風冷電機，同時將電機與變速箱通過新加工的聯(lián)軸器進行剛性連接，確保電機輸出功率與變速箱輸入功率相當。

現(xiàn)以4 000 t/h為調(diào)速基準，在低流量取料時速度轉(zhuǎn)換關(guān)系見表1。

表1 低流量速度轉(zhuǎn)換

原皮帶秤測速方式為尾部滾筒接近開關(guān)式檢測，在低速時精度不能滿足使用要求，現(xiàn)更換為多圈、上頂置式測速裝置，提供高精度的速度反饋，進一步降低皮帶秤誤差。

增加皮帶遠程調(diào)速功能，在司機室操作臺設(shè)置多檔位調(diào)速旋鈕，同時搭配變頻器保護參數(shù)反饋，司機能夠根據(jù)取料流量、變頻器保護信號反饋來進行速度設(shè)置。

調(diào)整皮帶打滑保護信號形式，原皮帶機打滑保護裝置適用于定速工況，無法應(yīng)用于變速工況，需要重新設(shè)定新工況下的打滑裝置。現(xiàn)采用驅(qū)動滾筒和從動滾筒各增加一組接近開關(guān)、然后進行反饋數(shù)字量比較計算的保護形式。

因懸皮電機功率增加，需要對堆取料機高壓配電柜綜保系統(tǒng)進行參數(shù)整定和優(yōu)化，滿足改造后的工況使用條件。

二次開發(fā)上位機智能調(diào)速系統(tǒng)，使其與該公司配料系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，能夠根據(jù)配料比例自動提示操作人員進行速度檔位調(diào)節(jié)，并設(shè)計上位機控制界面，同時對單機PLC系統(tǒng)增加專門調(diào)速環(huán)節(jié)控制程序。

5 技術(shù)方案經(jīng)濟效益

5.1 皮帶秤計量精度提升

改造后斗輪堆取料機在700～800 t/h的流量取料時，約為額定取料流量的1/9，電子皮帶秤取料精度仍然能夠保持在1%左右。對比原來同等流量時超過5%的誤差，總體精度及穩(wěn)定性均提升較大。此港口去年吞吐量在5 000萬t左右，其中低流量取料約1 500萬t，對在精細化作業(yè)，特別是配煤作業(yè)方面發(fā)揮了重大作用。

在流量超過2 000 t/h，精度可達到0.5%。通過調(diào)速功能實現(xiàn)了各個流量的精準稱量，極大地提升了港口的配煤業(yè)務(wù)范圍，同時拓展了業(yè)務(wù)市場，經(jīng)濟效益明顯。

5.2 設(shè)備使用壽命提升

通過變頻啟動設(shè)計，懸臂皮帶啟動大約200 s達到額定轉(zhuǎn)速，相比原設(shè)計10 s達到額定轉(zhuǎn)速將近延長20倍。

帶式輸送機啟動特性如下：

FA=Fa+FU

(5)

Fa=Ma

(6)

式中，F(xiàn)A為驅(qū)動合外力(指皮帶機啟動所受的總的驅(qū)動力)；FU為穩(wěn)定運行所受驅(qū)動力；Fa為啟動時所受慣性力；M為皮帶機質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)換至傳動滾筒上的質(zhì)量；a為啟動加速度。

從上述公式可知，驅(qū)動合力越大，皮帶機所受加速度越大，皮帶瞬時張力越大，尤其在驅(qū)動部位、薄弱部位，如接頭處所受損傷最大，設(shè)備結(jié)構(gòu)沖擊亦最大。當通過變頻啟動以后，加速度從原來的0.53 m/s2降低至0.027 m/s2，對于皮帶機有明顯的好處，尤其是重載啟動時，轉(zhuǎn)動慣量越大，效果越明顯。通過使用實測，輸送帶使用壽命從11個月延長至14個月，壽命提升約30%，還可避免因沖擊載荷過大造成的設(shè)備結(jié)構(gòu)受損。

6 結(jié)語

此項系統(tǒng)自2019年投入使用以來，懸臂皮帶已經(jīng)實現(xiàn)從5～50 Hz各個區(qū)間調(diào)速功能，而且已與配料系統(tǒng)對接，根據(jù)配料比例自動調(diào)整皮帶速度，增加單位長度上的物料重量，滿足電子皮帶秤最優(yōu)稱量范圍。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)觀察：在流量700～6 500 t/h之間均能達到極高的稱量精度，實現(xiàn)原來電子皮帶秤1/9額定流量時的準確稱量，基本解決了堆取料機動態(tài)稱量精度的問題。