帶式輸送機雙合成動力系統(tǒng)的建立與仿真分析

申楊軍

（山西焦煤霍州煤電集團公共事業(yè)服務(wù)分公司，山西 霍州 031412）

引言

帶式輸送機是煤礦綜采工作面的主要運輸設(shè)備，隨著采煤技術(shù)和設(shè)備自動化水平的不斷提升，帶式輸送機朝著大運量、長距離以及高運速的方向發(fā)展，這就對其驅(qū)動系統(tǒng)提出了更高的要求，尤其是在復(fù)雜工況下的啟動和節(jié)能性能方面的要求更為苛刻。傳統(tǒng)單電機、雙電機以及多電機驅(qū)動系統(tǒng)存在抗沖擊性能差、控制精度低等方面的劣勢[1]。本文提出以液壓系統(tǒng)和變頻電機為核心的雙合成動力系統(tǒng)，重點完成了雙合成動力系統(tǒng)的設(shè)計和試驗研究。

1 雙合成動力系統(tǒng)的設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)對于帶式輸送機的意義非凡，其優(yōu)良的性能可保證設(shè)備具有較高的工作效率，尤其是在近年來設(shè)備運量、運速以及運輸距離增加的新形勢下，對輸送裝置的驅(qū)動系統(tǒng)性能提出了更高的要求。本文所設(shè)計的帶式輸送機的雙合成動力系統(tǒng)，一方面是為了解決帶式輸送機在重載或滿載工況下難以平穩(wěn)啟動的問題；另一方面是為解決當前帶式輸送機能耗過大的問題，達到節(jié)能效果。具體設(shè)計思路如下：

1）當帶式輸送機處于正常或者空載運輸工況時，僅由電機對其進行驅(qū)動，此時為單動力系統(tǒng)；

2）當帶式輸送機在滿載或重載工況下時，在電機輸送動力的同時，還有液壓系統(tǒng)為設(shè)備提供動力，實現(xiàn)對帶式輸送機的雙動力驅(qū)動。當帶式輸送機完成啟動并進入穩(wěn)定運行工況時，液壓驅(qū)動系統(tǒng)退出，僅有電機進行驅(qū)動，即單動力驅(qū)動系統(tǒng)[2]。

其中，針對電機驅(qū)動系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式對電機轉(zhuǎn)速進行控制，從而實現(xiàn)對驅(qū)動力的調(diào)節(jié)；對于液壓驅(qū)動系統(tǒng)而言，通過液壓閥控制馬達的速度，實現(xiàn)對液壓驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動力的控制。

對于雙合成動力驅(qū)動系統(tǒng)而言，設(shè)計的關(guān)鍵難點為如何保證液壓系統(tǒng)和電機的驅(qū)動力能夠有機地整合或者分解，保證最終的動力能夠滿足帶式輸送機的輸送需求。在機械行業(yè)中，齒輪傳動系統(tǒng)具有傳動功率大、傳動比準確的優(yōu)勢[3]。因此，本文將采用齒輪傳動機構(gòu)實現(xiàn)液壓系統(tǒng)和電動機兩方面動力的合成。

對于齒輪傳動機構(gòu)而言，包括2K-H型周轉(zhuǎn)輪系、3K型周轉(zhuǎn)輪系和K-H-V型周轉(zhuǎn)輪系。綜合比較上述三種周轉(zhuǎn)輪系的優(yōu)劣勢，采用2K-H周轉(zhuǎn)輪系實現(xiàn)兩動力源的合成輸出。2K-H周轉(zhuǎn)輪系傳動機構(gòu)如圖1所示。

圖1 2K-H周轉(zhuǎn)輪系傳動機構(gòu)

2 雙合成動力系統(tǒng)模型的建立

本節(jié)將基于上述雙合成動力系統(tǒng)的總體設(shè)計建立其模型，并對模型的準確性進行驗證，為后續(xù)雙合成動力系統(tǒng)性能的仿真分析奠定基礎(chǔ)。

基于AMESim軟件采用Vogit黏彈性模型建立帶式輸送機的仿真模型，重點包括頭部驅(qū)動滾筒、尾部改向滾筒以及輸送帶和張緊裝置。基于AMESim軟件建立以電動機為主的交流變頻驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括有變頻器、電動機，并根據(jù)實際工況模擬負載；同時，結(jié)合理論基礎(chǔ)，本系統(tǒng)將采用S型速度曲線對其進行調(diào)速控制。基于AMESim軟件建立閥控馬達方式的液壓系統(tǒng)驅(qū)動模型；同樣根據(jù)實際工況模擬負載，采用S型速度曲線對閥芯位移進行控制，從而達到調(diào)速的目的[4]。

將上述三種模型裝配為雙合成動力系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 雙合成動力系統(tǒng)仿真模型

3 雙合成動力系統(tǒng)的仿真分析

本節(jié)將在上述雙合成動力模型建立的基礎(chǔ)上，驗證所提出了雙合成動力系統(tǒng)是否能夠適用于帶式輸送機的啟動控制，為后續(xù)雙合成動力系統(tǒng)的設(shè)計和制造提供支撐。

3.1 雙合成動力系統(tǒng)模型的參數(shù)設(shè)置

帶式輸送機模型的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 帶式輸送機模型參數(shù)設(shè)置

電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)模型中，所選定電動機的額定功率為315 kW，對應(yīng)額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

液壓系統(tǒng)驅(qū)動模型中，系統(tǒng)最高工作壓力為31 MPa，所選型液壓馬達的額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，蓄能器個數(shù)為5，容積為150 L，系統(tǒng)最低工作壓力為14.61 MPa。

2K-H齒輪傳動輪系的雙動力合成系統(tǒng)的功率分配因數(shù)為6.897，減速比為16.128。

上述參數(shù)設(shè)置完畢后，分別對帶式輸送機在空載和滿載工況下驅(qū)動性能進行仿真分析。其中，在空載工況下的仿真時間為180 s，在滿載工況下的仿真時間為200 s。

3.2 不同工況下仿真結(jié)果分析

3.2.1 空載工況

空載工況下，帶式輸送機僅由雙合成動力系統(tǒng)中的電動機的變頻調(diào)速方式進行驅(qū)動控制[5]。空載工況帶式輸送機的啟動分為3個階段：0～50 s內(nèi)為輸送帶的張緊階段；50～110 s為帶式輸送機以S型曲線的啟動階段，輸送帶速度由0增加到4 m/s；110～180 s為帶式輸送機的穩(wěn)定運行階段，運輸速度保持在4 m/s不變。

在空載工況下帶式輸送機輸送帶速度和電機功率的變化如圖3所示。

圖3 空載工況對應(yīng)驅(qū)動性能仿真結(jié)果

如圖3所示，在張緊階段，在張緊力的作用下，驅(qū)動滾筒在短時間內(nèi)受到較大的沖擊，從而使得輸送帶出現(xiàn)較小速度的滑動，而后又迅速降為零；此后，在啟動和穩(wěn)定運行階段均能按照S型曲線和恒定在4 m/s的速度運行，在過程中并未波動。在空載工況下，電動機的最大功率僅為149 kW，與所選型的315 kW的電動機存在一定差距，說明僅依靠電動機可實現(xiàn)空載工況下的平穩(wěn)啟動。

3.2.2 滿載工況

在滿載工況帶式輸送機的啟動分為3個階段：0～50 s內(nèi)為輸送帶的張緊階段和蓄能器充液階段；50～110 s為帶式輸送機以S型曲線的啟動階段，在雙動力的合成驅(qū)動下輸送帶速度由0增加到4 m/s；110～150 s雙動力持續(xù)穩(wěn)定輸出，輸送帶保持4 m/s速度不變；120～160 s液壓驅(qū)動系統(tǒng)逐步退出，同時逐步增加電機驅(qū)動系統(tǒng)的動力，輸送帶保持在4 m/s的速度不變；160～200 s系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行階段，僅有電動機驅(qū)動，輸送帶保持在4 m/s的速度不變。在滿載工況下帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分配-合成的變化如下頁圖4所示。

由圖4可知，在0～50 s時，電機和液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速為0；在50～110 s電機和液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速逐漸增大，此時為雙動力同時輸出階段；在110～120 s電機和液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不變，為后續(xù)液壓系統(tǒng)的逐步退出做準備；在120～160 s液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)速逐漸降為0，而電機轉(zhuǎn)速逐漸增加，即輸出功率增加，在此階段液壓馬達-行星架轉(zhuǎn)速恒定，即保證輸送帶的速度不變；在160～200 s，僅由電機驅(qū)動保證輸送帶速度維持在4 m/s不變。

圖4 雙動力合成系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化曲線

4 結(jié)語

帶式輸送機為綜采工作面的主要運輸設(shè)備，在當前運量、運速以及運輸距離增大的情況，保證設(shè)備在空載和滿載工況下的穩(wěn)定運行尤為重要，對驅(qū)動系統(tǒng)提出了更高的要求。本文設(shè)計了以電動機和液壓系統(tǒng)為核心的雙動力合成驅(qū)動系統(tǒng)。經(jīng)仿真分析，雙合成動力系統(tǒng)可滿足帶式輸送機的運輸、驅(qū)動要求。