帶式輸送機多點驅動的優化與應用

陳曉娟

（晉能控股研究院設計研究有限責任公司， 山西 大同 037003）

引言

潞安煤礦2020 年積極發展煤電一體化產業，煤炭年產量從往年的112 萬t 增加到了209 萬t，煤炭運輸需求量大大增加，目前該煤礦配用的帶式輸送機為右單電機驅動，運輸壓力大。基于此，對該帶式輸送機進行改造，將單電機驅動改造為多電機驅動，以提升運輸能力。

1 帶式輸送機多點驅動優化方案

該礦帶式輸送機以中間電機驅動為主要動力源，結合多臺輔助電機共同實現多驅動運行，在優化方案設計中重點關注驅動電機選型、驅動控制方式以及運行狀態監控三個方面。輸送帶在運行過程中受拉力作用會發生彈性形變和塑形變形，電機選型不合理會加劇輸送帶形變程度，出現皮帶與滾筒打滑現象，影響運輸效率；多點驅動電機的控制邏輯是實現多點驅動的關鍵，是確保帶式輸送機頭部、中部和尾部驅動功率平衡的核心；為了確保多點驅動帶式輸送機的可靠運行，需要配置運行狀態監控系統，實現運行狀態數據監測、采集、傳輸與判定等功能[1-2]。帶式輸送機多點驅動結構模型見圖1。

1.1 驅動電機選型

多點驅動電機除了為輸送帶提供動力外，還要求形成的張緊系統能夠保證輸送帶與滾筒相互不打滑，且滾筒與輸送帶間有充足的摩擦力，同時相鄰托輥與輸送帶形成的結構滿足標準要求，保證多驅動輸送帶的正常運行[3]。多點驅動電機的功率又需要帶動的滾筒軸功率決定，根據式（1）可計算滾筒軸功率：

圖1 帶式輸送機多點驅動結構模型圖

式中：P軸為多驅動帶式輸送機滾筒運行所需的軸功率，kW；F驅為多驅動帶式輸送機滾筒運行所需的驅動力，N；v 為帶式輸送機皮帶的運行速度，m/s；經過資料查詢，SST650 型帶式輸送機滾筒驅動力為1 213 620 N，皮帶最大運行速度為4.8 m/s，代入數值計算滾筒所需軸功率為5 825 kW。

多點驅動電機總功率的計算通過式（2）算得：

式中：P電為多驅動帶式輸送機電機總功率，kW；P軸為多驅動帶式輸送機滾筒運行所需的軸功率，kW；n1為多驅動帶式輸送機聯軸器的運行效率，無量綱，本文選取0.96；n2為多驅動帶式輸送機減速器的傳動效率，無量綱，本文選取0.94；n3為多驅動帶式輸送機電壓降系數，無量綱，本文選取0.95；n4為多驅動帶式輸送機為電機驅動功率不平衡系數，無量綱，本文選取0.94。經過計算，SST650 型帶式輸送機電機總功率為7 228.45 kW，則選擇8 臺額定功率為1 000 kW 的電機實現 SST650 型帶式輸送機的多點驅動。

1.2 張緊系統

張緊系統是防止多驅動帶式輸送機皮帶打滑、皮帶張力失衡導致皮帶不規則變形的重要結構系統，能夠保證皮帶與滾筒之間具有足夠的摩擦力和平行度。張緊系統張緊功能的實現需要依托完整的張緊結構組成，本方案選取液壓動力張緊系統，安裝于輸送機尾部，進行皮帶位移的校準和約束[4-5]。張緊系統的結構組成見下頁圖2。

1.3 多點驅動控制

帶式輸送機多點驅動穩定運行的關鍵是控制方式的選擇，由于多電機運行，電機間的功率平衡是非常重要的。本多點驅動方案中8 臺電機分別安裝于帶式輸送機的前端、中部以及后端，控制各部分的動力輸入，實際皮帶最大運行速度為4.8 m/s，電機總功率為8 000 kW，控制方式考慮變頻控制和CST 控制兩種。其中，變頻控制可以有效實現多電機的軟起動，在不同的工況下，可以集中控制多電機驅動力，具有一定的節能效果；CST 作為帶式輸送機常見的機電液一體化的驅動控制系統，能夠較完美地實現帶式輸送機啟動、停車等過程中出現的大部分動力學問題，且控制可靠性高。本文選擇驅動控制方式主要考慮以下幾點：

圖2 帶式輸送機張緊系統結構圖

1）控制方式的可靠性。SST650 型帶式輸送機的工況環境惡劣，地面和井下的各種復雜環境都要充分考慮。變頻控制方式中核心構件變頻器對工況環境要求較為苛刻，需要專門建立獨立的變頻器存放空間，才能保證變頻系統的可靠運行。CST 控制方式適應于大部分復雜工況，具有絕對的優勢。

2）控制效率和驅動傳動效率。變頻器控制主要是對帶式輸送機的減速器的高速一側進行控制，如果發生過載情況，變頻控制不能立即為電機、滾筒以及皮帶等進行有效控制保護，具有一定延遲性；CST控制則主要是對帶式輸送機的減速器的低速一側進行控制，出現過載后，離合器能在50～100 ms 之內響應，保護帶式輸送機各構件，控制方式見圖3。另外變頻器的驅動傳動效率一般在85%～90%之間，而CST 驅動傳動效率在95%左右，具有高效節能的特點。

綜上所述，帶式輸送機的多驅動控制方式選擇CST 控制。

2 帶式輸送機多點驅動監測

多點驅動方式運行相較于單點驅動方式控制風險大，運行故障點多，為了保證帶式輸送機的有效穩定運行，還需要建立完整的運行狀態監測系統，實現對帶式輸送機運行狀態的監測以及控制。監控系統結構組成見圖4。

圖3 CST 控制方式示意圖

圖4 帶式輸送機多點驅動監測系統結構組成示意圖

潞安煤礦構建了完整的多驅動帶式輸送機運行監測系統，采用CST 控制方式完成多驅動控制，采用模塊化結構完成監測系統的構建。監測系統包含運行狀態數據采集系統，主要通過各類傳感器和圖像采集器實現；控制系統實現遠程監測控制；用戶管理系統，用于用戶操作和管理，監測系統畫面見圖5。監測系統能夠基于人機交互界面實現對帶式輸送機的啟停控制；根據帶式輸送機的工況對其速度進行實時控制；通過控制饋電開關實現對帶式輸送機的手動控制和自動控制功能。通過對控制和監測系統的實際運行狀況可以看出，該監測系統功能的可靠性和穩定性都能滿足運輸需求。

圖5 煤礦多驅動帶式輸送機監測系統主界面

3 應用效果

潞安煤礦改進傳統單驅動帶式輸送機運輸系統，采用多驅動電機實現長距離、大運輸量功能，通過對電機功率數量、控制系統方式與監測系統的設計，構建了一套完善的多驅動帶式輸送機運行與監測系統。將該系統應用于實際生產中發現，系統在潞安煤礦的生產中運行穩定，滿足煤礦各項生產需求。