王 坤

(山西焦煤西山煤電杜兒坪礦,太原 030000)

原煤運(yùn)輸作為礦井生產(chǎn)主要部分,其工作方式及效率直接關(guān)系到礦井正常生產(chǎn)。隨著礦井開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)采深度不斷加深,原煤運(yùn)輸距離逐漸增加,運(yùn)輸壓力顯現(xiàn)。目前,工作面、盤(pán)區(qū)原煤運(yùn)輸主要以帶式輸送機(jī)為主,大巷采用電機(jī)車(chē)牽引礦車(chē)方式,該方式存在原煤運(yùn)輸速度小、效率低等問(wèn)題,無(wú)疑增加了大巷運(yùn)輸壓力,影響工作面生產(chǎn)效率。

帶式輸送機(jī)作為礦井原煤運(yùn)輸主要方式,隨著采掘技術(shù)的發(fā)展,帶式輸送機(jī)在運(yùn)輸量、距離以及功率等方面均有了更高要求,傳統(tǒng)小型單機(jī)驅(qū)動(dòng)方式不足以滿足實(shí)際需求,因此,研發(fā)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)迫在眉睫。

關(guān)于帶式輸送機(jī)運(yùn)輸技術(shù)研究和應(yīng)用較多,但礦井帶式輸送機(jī)長(zhǎng)距離運(yùn)輸技術(shù)研究甚少,主要以理論建模分析為主[1],實(shí)際運(yùn)用更為缺乏。長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)通過(guò)傳統(tǒng)單機(jī)驅(qū)動(dòng)必將產(chǎn)生一些列問(wèn)題,如應(yīng)力集中、跑偏以及斷帶等。因此,長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的運(yùn)用,首要解決驅(qū)動(dòng)問(wèn)題,通過(guò)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)成為必然,電機(jī)數(shù)目的增加勢(shì)必使控制系統(tǒng)更加復(fù)雜,帶來(lái)各電機(jī)功率分配不平衡等問(wèn)題,給帶式輸送機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生不利影響[2-4]。

綜上所述,長(zhǎng)距離運(yùn)輸必須要解決驅(qū)動(dòng)功率、功率平衡以及驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的布置等問(wèn)題[5-6]。因此,建立和優(yōu)化帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)礦井原煤高效運(yùn)輸至關(guān)重要。同時(shí),解決帶式輸送機(jī)長(zhǎng)距離平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)礦井帶式輸送機(jī)長(zhǎng)距離運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展起到積極影響。

1 帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析

杜兒坪礦現(xiàn)開(kāi)采盤(pán)區(qū)有南九、北三、北五、北七盤(pán)區(qū),主要開(kāi)采2#、3#、6#、8#煤層。目前,北三、北五、北七盤(pán)區(qū)原煤運(yùn)輸主要以電機(jī)車(chē)牽引礦車(chē)方式,存在運(yùn)輸效率低、運(yùn)輸壓力大等問(wèn)題,嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。為此,對(duì)北一膠帶機(jī)大巷帶式輸送機(jī)進(jìn)行延伸,延伸長(zhǎng)度1 826 m,延伸后總長(zhǎng)5 620 m,運(yùn)輸能力1 500 t/h。原煤通過(guò)北一膠帶機(jī)大巷帶式輸送機(jī)連續(xù)化運(yùn)輸至井底動(dòng)倉(cāng)、焦倉(cāng)、掘倉(cāng),分煤種進(jìn)行卸載,經(jīng)主斜井帶式輸送機(jī)提升至地面選矸車(chē)間,分煤種選矸后進(jìn)入地面3個(gè)筒倉(cāng)。

帶式輸送機(jī)由鋼絲繩芯、橡膠構(gòu)成,其黏彈性決定了其具有五大特性:滯后性、頻率性、非線性、蠕變性以及松弛型。帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,受到靜力、張力作用,直接影響帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此,對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析很有必要。目前,學(xué)者在分析帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性時(shí),主要運(yùn)用Kelvin-Voigt模型,具體見(jiàn)圖1所示。

圖1 Kelvin-Voigt模型Fig.1 Kelvin-Voigt model

將帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為連續(xù)模型,得到皮帶微元受力模型,如圖2所示。

圖2 皮帶微元受力示意圖Fig.2 Force diagram of belt microelement

2 帶式輸送機(jī)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)

2.1 驅(qū)動(dòng)方式

北一膠帶機(jī)大巷帶式輸送機(jī)延伸后總長(zhǎng)度5 620 m,在解決原煤運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí),增加了輸送機(jī)運(yùn)輸距離,面臨運(yùn)輸距離長(zhǎng)、運(yùn)輸負(fù)荷大等問(wèn)題。同時(shí),輸送帶張力明顯增加,對(duì)輸送帶平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)提出考驗(yàn)。為減小長(zhǎng)距離帶式輸送產(chǎn)生的張力,通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程動(dòng)力學(xué)性能分析,提出多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式,盡可能避免輸送帶出現(xiàn)撕裂。目前,多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式主要分為直線摩擦式多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)載式多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)。直線摩擦式多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)是通過(guò)在輸送帶中間布置驅(qū)動(dòng)點(diǎn),從而提高輸送帶摩擦力,以達(dá)到減小輸送帶張力的目的。轉(zhuǎn)載式多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)主要在輸送帶中間布置轉(zhuǎn)載滾筒、驅(qū)動(dòng)電機(jī),通過(guò)轉(zhuǎn)載驅(qū)動(dòng)電機(jī)增加驅(qū)動(dòng)力,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶張力的減小,轉(zhuǎn)載式多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式最為常見(jiàn)。

2.2 中部驅(qū)動(dòng)位置

目前,確定輸送機(jī)中間驅(qū)動(dòng)位置的方法有兩種:等圓周力法及等圍包角法。等圓周力法根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率,結(jié)合輸送帶實(shí)際情況,確定驅(qū)動(dòng)點(diǎn)數(shù)量;等圍包角法主要針對(duì)輸送帶局部,二者可分為等距離布置法和等張力布置法。等距離布置法是在輸送帶相同長(zhǎng)度位置增加驅(qū)動(dòng)點(diǎn),等張力布置法保證輸送帶各點(diǎn)張力相同?；趯?duì)輸送帶運(yùn)行過(guò)程的力學(xué)分析,經(jīng)過(guò)多方論證,確定中部驅(qū)動(dòng)位置,如圖3所示。

圖3 中間驅(qū)動(dòng)位置示意圖Fig.3 Intermediate drive position

2.3 中部驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

杜兒坪礦北一膠帶機(jī)大巷帶式輸送機(jī)原長(zhǎng)度3 794 m,驅(qū)動(dòng)功率3×500 kW。延伸長(zhǎng)度1 826 m,機(jī)尾延伸至北石溝,延伸后北一膠帶機(jī)大巷帶式輸送機(jī)總長(zhǎng)5 620 m。考慮到延長(zhǎng)后運(yùn)輸距離過(guò)長(zhǎng),電機(jī)負(fù)載明顯增大,皮帶張力增加,易出現(xiàn)撕裂。為確保5 620 m皮帶平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn),采用多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的方式,增加中部驅(qū)動(dòng)裝置(裝置明細(xì)見(jiàn)表1所示)如圖4所示。同時(shí),對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸能力、帶寬進(jìn)行校核,確定驅(qū)動(dòng)功率。

圖4 中部驅(qū)動(dòng)裝置圖Fig.4 Middle drive device

表1 中部驅(qū)動(dòng)裝置明細(xì)Table 1 Detail list of middle drive device

煤運(yùn)輸能力計(jì)算如公式(1)所示:

(1)

式中:Q為運(yùn)輸高峰煤量,t/h;∑Qi為生產(chǎn)能力總和,t/h;K1為設(shè)備利用系數(shù);K2為同時(shí)生產(chǎn)系數(shù);K3為掘進(jìn)煤量系數(shù)。代入數(shù)據(jù)得:Q=992 t/h。

膠帶寬度計(jì)算如公式(2)所示:

(2)

式中:b為膠帶寬度,m;K為斷面系數(shù),取315;ρ為物料散密度,t/m3;v為帶速,m/s;C為傾角系數(shù),取1;ξ為速度系數(shù),取0.82。代入數(shù)據(jù)得:b=1.23 m

驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算如公式(2)所示:

(3)

式中:P為電機(jī)功率,kW;mb為膠帶單位長(zhǎng)度重量,kg/m;mR為托輥轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量,kg/m;v為帶速,m/s;Q為運(yùn)輸能力,t/h;h為提升運(yùn)輸垂直高度,m;f為托輥摩擦系數(shù);l為輸送機(jī)水平距離,m;C為計(jì)算系數(shù);Pcd為清掃器附加功率,kW。代入數(shù)據(jù)得:P=2 278 kW

綜上所述,北一膠帶機(jī)大巷帶式輸送機(jī)延伸后,選用輸送帶型號(hào)為ST/S3150-1400,中部驅(qū)動(dòng)功率選用2臺(tái)功率為500 kW的永磁電機(jī),設(shè)備參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 技術(shù)特征表Table 2 Technical characteristics

3 基于偏差耦合多機(jī)平衡控制

3.1 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡方法

帶式輸送機(jī)運(yùn)輸距離過(guò)長(zhǎng),不僅增加輸送帶張力,且易導(dǎo)致皮帶撕裂事故發(fā)生。本文采用轉(zhuǎn)載式多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式,通過(guò)5臺(tái)功率為500 kW的永磁電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)5 620 m帶式輸送機(jī),電機(jī)功率平衡直接關(guān)系到輸送機(jī)的運(yùn)行狀況。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研來(lái)看,礦井帶式輸送機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中易受到負(fù)載擾動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素的影響,造成各部電機(jī)之間功率不平衡,對(duì)電機(jī)、托輥等零部件產(chǎn)生損傷,影響輸送機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

本文采用5臺(tái)功率、參數(shù)相同的永磁電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)5 620 m帶式輸送機(jī)。其中,永磁電機(jī)1、2分別驅(qū)動(dòng)機(jī)頭滾筒1、2,機(jī)頭滾筒1、2通過(guò)皮帶柔性連接,共同作為機(jī)頭控制部分;永磁電機(jī)3、4分別驅(qū)動(dòng)中驅(qū)滾筒1、2,中驅(qū)滾筒1、2通過(guò)皮帶柔性連接,構(gòu)成中驅(qū)控制器;機(jī)尾通過(guò)永磁電機(jī)5驅(qū)動(dòng)機(jī)尾滾筒1,為機(jī)尾提供動(dòng)力。具體見(jiàn)圖5所示。

圖5 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Multi-motor drive structure

由圖5可知,5臺(tái)TBVF-500/80YC永磁電機(jī)均通過(guò)輸送帶柔性連接,當(dāng)運(yùn)輸距離較長(zhǎng)時(shí),不利于電機(jī)間的耦合,造成電機(jī)速度不一致。然而, 多電機(jī)功率平衡的重要前提為各電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩相同,常規(guī)手段很難達(dá)到轉(zhuǎn)速一致目的。因此,本文對(duì)各電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制,并保證輸出轉(zhuǎn)矩相同,即在永磁電機(jī)2、3、4、5速度控制器前增加一個(gè)補(bǔ)償器,如6所示,各電機(jī)補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)類(lèi)似。

圖6 電機(jī)補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Motor compensator structure

3.2 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制

目前,隨著帶式輸送機(jī)運(yùn)輸距離的增加,多電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)成為趨勢(shì),本文采用5臺(tái)永磁電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng),為實(shí)現(xiàn)功率平衡,首先通過(guò)收集各電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速值,其次采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式,得到對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩電流值,即反映各電機(jī)功率值,因此,通過(guò)控制轉(zhuǎn)矩電流值可達(dá)到功率控制的目的。根據(jù)電機(jī)運(yùn)行特性,轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩電流是影響電機(jī)功率平衡的兩大因素。為此,通過(guò)觀察5臺(tái)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流值,若電流值較大,表示轉(zhuǎn)矩較大,則相應(yīng)的降低其頻率,反之,當(dāng)電流值較小,表示轉(zhuǎn)矩小,則相應(yīng)的增加其頻率。但在改變電機(jī)頻率的同時(shí),轉(zhuǎn)速亦發(fā)生變化,造成功率不平衡。所以,必須確保頻率調(diào)節(jié)后轉(zhuǎn)速不發(fā)生變化。本文在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中增加偏差耦合控制手段,具體見(jiàn)圖7所示。

圖7 偏差耦合控制結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Deviation coupling control structure

由上述偏差耦合控制方法可以看出,電機(jī)在負(fù)載作用下,各電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩電流值,偏差耦合結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)各電流值進(jìn)行分析,當(dāng)部分電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流值出現(xiàn)不一致,偏差耦合結(jié)構(gòu)通過(guò)補(bǔ)償器,給電機(jī)一個(gè)補(bǔ)償轉(zhuǎn)速,并在5臺(tái)電機(jī)中形成耦合閉環(huán),從而使得5臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同,保證5臺(tái)電機(jī)功率平衡。同時(shí),為解決PI控制器超調(diào),提高系統(tǒng)可靠性,在控制器結(jié)構(gòu)中增加了輸出限幅和積分限幅,具體見(jiàn)圖8所示。

圖8 控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Controller structure

3.3 系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證偏差耦合控制方法可靠性,利用Matlab軟件,搭建結(jié)構(gòu)模型,對(duì)電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)、空載啟動(dòng)至負(fù)載兩個(gè)過(guò)程轉(zhuǎn)矩、電流進(jìn)行仿真:

3.3.1負(fù)載啟動(dòng)

電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)時(shí),扭矩為100 N·m,電機(jī)運(yùn)行至0.6 s時(shí),加載到200 N·m,此時(shí)各電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流及轉(zhuǎn)速如圖9所示。

由圖9可知,各電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流及轉(zhuǎn)速基本保持一致。其中,電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流及轉(zhuǎn)速?gòu)?瞬間增加至一定值,隨后保持平穩(wěn);0.6 s加載,轉(zhuǎn)矩、電流瞬間增加,后保持穩(wěn)定,轉(zhuǎn)速不變。因此,電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)及加載過(guò)程中,5臺(tái)電機(jī)能夠在極短時(shí)間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定,達(dá)到多電機(jī)功率平衡。

(a) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩圖

(b) 電機(jī)電流圖

(c) 電機(jī)轉(zhuǎn)速圖圖9 負(fù)載啟動(dòng)電機(jī)特性曲線Fig.9 Motor characteristic curves

3.3.2空載啟動(dòng)至負(fù)載

電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí),電機(jī)運(yùn)行至0.4 s時(shí),加載至300 N·m;電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后,在0.8 s繼續(xù)加載80 N·m,此時(shí)各電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流見(jiàn)圖10所示。

(a) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩圖

(b) 電機(jī)電流圖

(c) 電機(jī)轉(zhuǎn)速圖圖10 空載啟動(dòng)電機(jī)特性曲線Fig.10 Motor characteristic curves

由圖10可知,各電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速基本保持一致,其中,電機(jī)空載啟動(dòng)瞬間,電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流為0,轉(zhuǎn)速1 000 r/min;在0.4 s、0.8 s加載,轉(zhuǎn)矩、電流瞬間增加,隨后保持平穩(wěn),轉(zhuǎn)速先降低,0.05 s后瞬間增加至1 000 r/min,后保持平衡。因此,5臺(tái)電機(jī)能夠在極短時(shí)間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定,達(dá)到多電機(jī)功率平衡。

綜上所述,在5 620 m超長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中,運(yùn)用偏差耦合方法可實(shí)現(xiàn)5臺(tái)電機(jī)功率平衡,對(duì)帶式輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)起到重要作用。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為驗(yàn)證偏差耦合控制方法可靠性,對(duì)5 620 m帶式輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試,分別做了負(fù)載啟動(dòng)、空載啟動(dòng)。當(dāng)皮帶上有原煤時(shí),帶式輸送機(jī)緩慢啟動(dòng),速度逐漸增加,隨后保持3 m/s速度勻速。皮帶上無(wú)原煤時(shí),帶式輸送機(jī)啟動(dòng)后帶速瞬間增加至限速速度3 m/s;當(dāng)增加原煤時(shí),帶速降至2.9 m/s,0.1 s后迅速增加至3.0 m/s,并保持勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖11所示。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖Fig.11 On site physical objects

4 結(jié)論

本文采用偏差耦合控制作為解決超長(zhǎng)距離皮帶運(yùn)輸多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)功率平衡方法,通過(guò)仿真和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用得到以下結(jié)果:

1)通過(guò)增加中部驅(qū)動(dòng)裝置,采用5臺(tái)電機(jī)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)5 620 m帶式輸送機(jī)。

2)運(yùn)用偏差耦合控制方法解決了5臺(tái)電機(jī)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)功率平衡問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了5 620 m帶式輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn),原煤運(yùn)輸能力提高到400 t/h,運(yùn)輸效率提高5倍,工作面生產(chǎn)效率提高10%。