薛艷飛

（潞安化工集團(tuán)余吾煤業(yè)公司機(jī)電科， 山西 長治 046100）

引言

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的情況，膠帶機(jī)會(huì)遇到滿載啟動(dòng)、載荷突變等運(yùn)行工況，對其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)性能、節(jié)能性能等方面提出了更高的要求[1]。膠帶機(jī)雙動(dòng)力合成系統(tǒng)將電機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置和液壓驅(qū)動(dòng)裝置相結(jié)合，可在設(shè)備性能、控制精度以及響應(yīng)特性等方面得到大力提升。本文重點(diǎn)對膠帶機(jī)的雙動(dòng)力合成系統(tǒng)進(jìn)行研究，并對不同工況下的性能進(jìn)行仿真分析。

1 膠帶機(jī)雙動(dòng)力合成系統(tǒng)研究

1.1 膠帶機(jī)雙動(dòng)力合成系統(tǒng)工作原理

在工作面實(shí)際運(yùn)輸過程中，由于膠帶機(jī)故障停機(jī)后再次啟動(dòng)往往是在滿載甚至超載工況下，此種情況對膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。為兼顧膠帶機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)、節(jié)能等綜合性能。在大量查閱資料和前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種以電機(jī)變頻調(diào)速為主、液壓驅(qū)動(dòng)為輔的雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體工作原理如下：

1）當(dāng)設(shè)備在空載工況下運(yùn)行時(shí)，僅有其中的電機(jī)對設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，并保證設(shè)備的穩(wěn)定工作；

2）當(dāng)設(shè)備在滿載或者超載工況下運(yùn)行時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)首先將蓄能器壓力充滿并滿足要求，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)輸出動(dòng)力；將液壓馬達(dá)輸出的動(dòng)力和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩由動(dòng)力合成系統(tǒng)合成后統(tǒng)一輸出，完成設(shè)備在復(fù)雜工況下的啟動(dòng)任務(wù)；當(dāng)設(shè)備完成啟動(dòng)后，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐漸退出，此時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率增加并最終達(dá)到額定功率的運(yùn)行狀態(tài)[2]。

1.2 電機(jī)變頻調(diào)速及液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.2.1 電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電機(jī)變頻調(diào)速采用恒壓頻比調(diào)速原理實(shí)現(xiàn)其功能，對應(yīng)的原理圖如圖1 所示。

圖1 恒壓頻比調(diào)速原理圖

如圖1 所示，通過對電機(jī)的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證膠帶機(jī)電機(jī)能夠按照預(yù)定的曲線啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的軟啟動(dòng)[3]。

1.2.2 液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)原理如圖2 所示。

圖2 膠帶機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

針對液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，為保證調(diào)速過程中穩(wěn)定性、響應(yīng)特性，采用PID 算法對其進(jìn)行控制。

1.3 雙動(dòng)力合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的雙動(dòng)力合成系統(tǒng)的主要功能是將電機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力有機(jī)統(tǒng)一，并通過專用途徑提供給膠帶機(jī)[4-5]。所設(shè)計(jì)的雙動(dòng)力合成裝置的原理如圖3 所示。

圖3 雙動(dòng)力合成裝置原理圖

如圖3 所示，電機(jī)輸送出動(dòng)力通過過渡齒輪傳遞至齒圈；液壓馬達(dá)的輸出動(dòng)力傳遞至太陽輪；經(jīng)過齒輪和太陽輪將兩處的動(dòng)力通過行星架和減速器提供給膠帶機(jī)。

膠帶機(jī)的雙動(dòng)力合成系統(tǒng)可將其應(yīng)用模式分為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)模式、離合器模式以及制動(dòng)模式。其中，在動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)模式下由電機(jī)和液壓馬達(dá)共同驅(qū)動(dòng)；在離合器模式下僅有電機(jī)為膠帶機(jī)提供額定功率的運(yùn)行動(dòng)力；制動(dòng)模式為電機(jī)和液壓馬達(dá)均斷開，不提供動(dòng)力。

2 膠帶機(jī)雙動(dòng)力合成系統(tǒng)的仿真分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的膠帶機(jī)雙動(dòng)力合成系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能，本文基于AMESim 軟件建立膠帶機(jī)與雙動(dòng)力合成系統(tǒng)的仿真模型，對滿載和空載工況下雙動(dòng)力合成系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。

2.1 仿真模型的建立

結(jié)合AMESim 庫中的各類元件分別建立輸送帶、交流電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及雙動(dòng)力合成系統(tǒng)的模型；將上述模型根據(jù)系統(tǒng)間的工作原理組成并組建了雙動(dòng)力合成系統(tǒng)的仿真模型?；贏MESim 軟件所建立的膠帶機(jī)雙動(dòng)力合成動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型如圖4 所示。

圖4 膠帶機(jī)雙動(dòng)力合成系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)完成AMESim 模型中的參數(shù)，關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：電動(dòng)機(jī)額定功率315 kW，額定轉(zhuǎn)速1500 r/min；液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定最高工作壓力31 MPa，蓄能器工作壓力14.61 MPa，數(shù)量為5個(gè)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速1000 r/min；換向閥最大流量200 mL/min；減速器減速比為16.128。

2.2 仿真結(jié)果分析

分別對雙動(dòng)力合成系統(tǒng)在空載和滿載運(yùn)行工況下整個(gè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如下。

2.2.1 空載工況仿真結(jié)果分析

膠帶機(jī)基于正弦加速度方式進(jìn)行啟動(dòng)，具體啟動(dòng)階段如下：第一階段為張緊過程，時(shí)間為0～50 s；第二階段為正弦加速度方式啟動(dòng)階段，時(shí)間為50～110 s；第三階段為穩(wěn)定運(yùn)行階段，該階段輸送帶以4 m/s 的速度運(yùn)行?？蛰d工況下電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對應(yīng)功率變化如圖5 所示。

圖5 空載工況電動(dòng)機(jī)功率變化

如圖5 所示，在空載運(yùn)行工況下僅有電動(dòng)機(jī)對設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，且電動(dòng)機(jī)最大功率為149 kW，小于所選電機(jī)的額定功率315 kW。因此，在空載工況下僅由電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)即可完成設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.2 滿載工況仿真結(jié)果分析

在滿載運(yùn)行工況下，同樣膠帶機(jī)以正弦加速度方式啟動(dòng)，具體啟動(dòng)階段如下：第一階段為張緊過程，此階段還需完成蓄能器的充液工作，時(shí)間為0～50 s；第二階段為在電機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的雙作用下實(shí)現(xiàn)正弦加速度方式的啟動(dòng)，且速度達(dá)到4 m/s，時(shí)間為50～110 s；第三階段為速度保持階段，時(shí)間為110～120 s，此時(shí)仍由雙系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；第四階段為液壓系統(tǒng)退出階段，時(shí)間為120～160 s，此階段輸送帶保證4 m/s 的速度穩(wěn)定運(yùn)行；第五階段為穩(wěn)定運(yùn)行階段，僅有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，速度保持在4 m/s，時(shí)間為160～200 s。滿載工況下雙系統(tǒng)的功率變化如下頁圖6 所示。

如圖6 數(shù)據(jù)所示，雙動(dòng)力合成系統(tǒng)能夠在滿載工況下保證膠帶機(jī)的電機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的曲線輸出動(dòng)力，保證其在滿載工況下穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論

膠帶機(jī)為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，為保證其在滿載或超載等工況下的穩(wěn)定運(yùn)行，本文提出了以電機(jī)變頻調(diào)速為主，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為輔的雙動(dòng)力合成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；并對所設(shè)計(jì)的雙動(dòng)力合成系統(tǒng)在滿載、空載工況下的系統(tǒng)的動(dòng)力輸出性能進(jìn)行仿真分析，得出：在滿載、空載兩種工況下膠帶機(jī)雙動(dòng)力合成系統(tǒng)均可按照預(yù)先設(shè)定的啟動(dòng)模式對電機(jī)或液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行穩(wěn)定控制，從而保證了膠帶機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。