礦井帶式輸送機智能驅動改造研究

仇書文

（潞安化工集團常村煤礦，山西 長治 046102）

目前，礦井運輸礦石常用的輸送機，所采用的驅動方式為傳統方式，從常見的驅動系統構成上看，帶式的輸送機使用異步電機提供動力，經過減速裝置和聯軸器等多個傳動裝置輸出動力，驅動輸送機運轉。傳統的輸送機在使用期間經常出現故障，并且后期的維護成本非常高[1]。本文借助該礦東翼運輸巷的礦物質運輸環境作為樣本，闡述一種智能化控制的帶式輸送機驅動系統，分析其工作原理，并闡明新運輸機的工作效果。

1 工程概況

本文以山西潞安化工集團旗下的某個煤礦為研究對象，該礦采煤能力強，達到了800×104t/a的水平，屬于大型煤礦礦井。該礦東翼主運輸巷有1600m 的長度，使用的帶式運輸機設備長度、運量、帶寬、運輸速度分別是L=1520m、Q=2100t/h、B=1400mm、V=4.0m/s，使用ST/S 1600 型號的輸送帶。運輸機的機頭裝配有2 臺630kW 電機，對應兩個滾筒保證輸送帶循環運動。此外，該設備還設置有制動器和低速逆止器各1套，其相應的型號分別為：4xSHI251和NJ1000。

通過分析工作日志可以看出，該設備出現故障的頻率較高，工作中能耗大，還具有非常明顯的機械沖擊問題。在目前煤炭運輸行業中，該設備已經跟不上時代的步伐，基于此，本文在原有煤炭運輸基礎上提出一種智能控制的永磁直驅運輸機方案，以滿足高效率運輸和低故障的需求[2]。

2 智能直驅系統

2.1 直驅系統結構

本文提出的驅動系統更先進，引進了變頻器、水冷系統，此外還借助電控達到智能化控制的效果，裝備永磁直驅電機等硬件。在該系統中，借助變頻器的控制效果，進而可以提高控制永磁電機的效果，電機帶動滾筒運轉，圖1表示結構圖。該驅動系統中，變頻器是控制的關鍵硬件，其中可內置控制軟件，該控制模式可以進一步提高永磁電機的整體性能。

圖1 智能永磁直驅系統驅動方式

2.2 系統工作原理

通過分析永磁直驅電機文獻資料可以發現，該電機通過低速聯軸器驅動滾筒，從而可以把電機的驅動力傳遞到滾筒上，最終帶動輸送帶運轉。該永磁電機的轉矩，在啟動瞬間可以達到額定轉矩的2倍以上，加之設置有變頻器的軟啟動，該運輸機可以大大減少機械沖擊，進而可以優化設備的使用壽命[3]。

2.3 永磁直驅系統性能分析

2.3.1 啟動特征

傳統類型的設備多使用異步電機作為動力源，該電機在啟動瞬間的轉矩多是額定數值的55%。因此當啟動期間輸送帶的負載過高就會造成異步電機無法啟動。本文提出的直驅系統給運輸機配備的動力源是永磁直驅電機，這種電機在啟動瞬間的轉矩可以超出額定數值的220%，因此即便是輸送帶處于滿載狀態下，其依舊可以順利地啟動輸送機，同時可以保護電機。圖2表示兩種電機在驅動階段的力矩對比曲線。

圖2 永磁直驅電機與異步電機啟動曲線

2.3.2 功率因數及傳動效率

對比兩種電機的功率因數可以發現，兩者存在一定的差距，異步電機和永磁直驅電機的指標分別是75%～85%、超出95%的范圍。本文整理兩種電機的功率因數相關數值制作圖3中的對比曲線圖。

圖3 不同電機間功率因數特征曲線

在傳統運輸機設備設計期間，驅動系統需要使用減速機、耦合器等多種硬件，由于該驅動機構中，從電機到工作部位之間的傳動環節較多，因此在傳動的過程中將會產生大量的能耗，并且導致效率不高。但是永磁直驅系統相對簡單，從傳動效率上其具備加大的優勢，僅僅從傳統效率指標進行分析，后者可以提高20%的傳動效率[4]。圖4表示由傳動效率的相關數據制作出的對比曲線圖。

圖4 不同驅動系統間傳動效率特征曲線

2.4 智能永磁直驅系統特點

（1）故障發生率低、后續維護簡單。在該驅動模式中，電機和滾筒直接聯接，不需要減速機和耦合器等傳動部件。從結構上看，該驅動模式更加簡單。當處于驅動狀態時，參與驅動的環節越少，且出現的故障率相對較低。永磁直驅電機的后期維護僅僅需要添加潤滑油即可。其自身不僅維護簡單，而且維護的成本低。

（2）調速范圍更寬。永磁電機在調速方面范圍相對較大，并且可在超低速狀態下運行，輸出的轉矩最高可以達到額定數值的2倍，環境適應性強。

（3）實現多機功率平衡。使用智能永磁直驅電機可以避免多機驅動不平衡造成的零部件燒壞等問題，相對來說，這種電機的功率平衡性更強。

（4）環境適應性強。永磁直驅電機使用真空灌封工藝生產，具備更強的防塵效果和防水性能，該電機繞組還具備耐電暈功能。相對于異步電機來說，這種電機的機械強度和導熱性能更強。

（5）冷卻方式好。通過分析其結構可以看出，永磁直驅電機使用雙層外殼結構，其中有蛇形的冷水通道，具備更強的散熱效果。該電機使用冷水散熱，工作中通入冷水即可。

3 智能永磁直驅系統現場應用

3.1 改造方案

本文在原有輸送機設備的框架基礎上改造其驅動系統，在設備機頭部位使用兩個TBVF-500/80YC 的永磁電機配合BPJ-630/1140 變頻器取代原有的驅動裝置，簡化驅動結構，提升驅動效率。優化方案中的電源使用KBSGZY-1600/10/1.14，每一套變頻器配備一套電源供電。KTC101是可編程的控制系統，具備智能化控制變頻器軟啟動永磁電機工作的效果[5]。圖5為控制結構示意圖。

圖5 智能永磁直驅系統控制結構

該驅動控制模塊采用KTC101，具備智能化控制輸送機工作的效果。操作人員啟動按鍵之后，控制程序就會自動發送控制指令，驅動冷卻系統、變頻器等工作。工作期間首先打開1號和2號冷卻系統，這時可以將控制指令傳輸給變頻器。此時變頻器通電，軟啟動電機，進而帶動滾筒工作，以及促使輸送帶運輸煤礦。KTC101 控制系統可以連接電子秤實時監控設備的載荷，根據設備所具備的載荷計算所需要的變頻器控制指令，控制輸送帶速度。

3.2 應用效果

2021 年1 月，潞安化工集團某礦運輸巷在運輸礦物時配置該智能永磁直驅系統[6]。本文對優化方案和傳統的異步電機驅動系統相關數據進行整理，進而得到表1。通過分析表可以看出，該驅動系統生命周期內可節省電能成本4140 萬，每月降低維修所需油脂成本17萬。

表1 直驅系統與傳統異步電機驅動系統應用對比表

4 總結

（1）本文闡述了用于礦井運輸工況下，所使用的智能永磁直驅帶式輸送機設備的驅動結構和驅動原理。本文通過介紹智能控制系統與異步電動機控制數據，進而可以發現，該智能驅動系統可以大大降低后期維護成本低，并且該系統可在重載環境下啟動等優勢。

（2）本文從實際工況層面入手，借助數據計算和對比的方式發現，使用智能永磁直驅系統可節省能源成本4140 萬，降低維修成本17 萬。此外，這種驅動系統維護方便，對工作人員的技能要求低。