矿井带式输送机节能优化研究

梁 楠

(西山煤电有限责任公司 发电公司，山西 太原 030200)

带式输送机是井下运输的重要设备，同时也是井下掘进电气设备中能耗较大的设施[1]。所以针对带式输送机的节能研究引起了学者们的广泛关注，并开展了一系列的研究。程军等[2]通过计算带式输送机传动滚筒驱动电动机所需的轴功率，提出了变频调速的方法对带式输送机进行节能控制；任中全等[3]采用模糊控制理论设计了带式输送机控制系统，并用MATLAB对调节系统的带速进行了仿真；孙汪萍[4]从输送带应力应变的特性入手，将带式输送系统离散成有限个“质量-弹簧-阻尼”子系统，建立了整个输送系统的动力学模型。带式输送机的技术优化可实现节能降耗，为企业降低成本，提高经济效益，因此开展带式输送机的节能研究具有非常重要的现实意义。

1 带式输送机的数学模型

带式输送机由三相电机驱动传送带运行，由滚筒、轴承等实现传送带的转向功能，其结构如图1所示。在输送机的工作过程中，会受到基本阻力、倾斜阻力、附加阻力以及其他阻力的作用[5]。

图1 带式输送机的结构

1) 基本阻力是出现在水平的传送带上物料和传送带以及托辊之间相互摩擦所产生的阻力，是造成系统能耗最大的阻力。

Wz=(f0+cv)·l·g·[q'+(q+qd)cosβ]

(1)

式中：f0为与输送机带速无关的阻力系数；c为与输送机带速有关的阻力系数；v为输送机带速，m/s；l为输送带长度，m；q为物料在传送带上的分布密度，kg/m；qd为输送带不同阶段的线密度，kg/m；q' 为输送带上托辊旋转部分的分布密度，kg/m ；β为输送机倾角，向上运行时为正，向下运行时为负；g为重力加速度，m/s2。

回程段传送带中的基本阻力：

Wk=(f'0+c'v)·l·g·[q"+(q+qd)cosβ]

(2)

式中：f'0为回程段与输送机带速无关的阻力系数；c' 为回程段与输送机带速有关的阻力系数；q"为不同回程段中托辊旋转的密度，kg/m。

2) 倾斜阻力：由运输路径产生倾角而造成的阻力。

Wq=q·g·l·sinβ

(3)

3) 附加阻力主要是指在输送过程中受到其他因素影响所造成的阻力，主要包括：传送带送料区的添加阻力、传送带的滚筒连接处的改向阻力和驱动滚筒轴承的运转阻力。

4) 特殊阻力通常是为了适应特殊情况而加装设备后才产生的阻力，这种阻力所消耗的能量通常较小，对于大型输送带系统，一般情况下可以忽略不计。

输送机的牵引力：

F=Wz+Wk+Wq

(4)

输送机的运量：

Q=3.6qv

(5)

式中：Q为输送机的运量，t/h。

传动带轴承功率：

P=Fv

(6)

将式(1)～(5)代入式(6)中，可得到传送带滚筒轴承所消耗的功率：

P=l·g[c(q'+qdcosβ)+c'(q"+qdcosβ)]v2+

(7)

2 带式输送机节能分析

由式(1)～(7)分析可知，当运速一定时，运量增大，传送带轴承功率增大，当运量一定时，输送机的运速和功率成线性正比关系。消耗的功率和运量及运速相互影响、相互制约。运量处于满载或者轻载状态时，输送机上的物料分布密度q也会随着运速的变化而变化，即物料填充率随运速的变化而变化。当满载时，随着运速的减小，物料填充率增加，此时功率也随之降低，能耗也降低。当运量降低，即处于轻载状态时，运速不变则能耗将增大，降低运速则物料填充率增加，能耗降低。同时带式输送机的速度受到运量和输送带强度的制约，降低带速时单位长度输送带上的物料质量增加，因此输送带的张力同样要增加，则对输送机的传送带的性能提出更高要求，要求韧性好、宽度大的传送带，但这样却大大增加了设备成本，在实际生产作业中，输送机并不是满负荷作业，采用大带宽、高强度的传送带，则会造成很大的资源浪费，增加成本。因此，在实际的生产作业中根据运量的大小匹配运速，从而实现节能的目的。运量和运速的关系如图2所示。当运速低于输送机设置的最低运速时，会将运速固定为最低运速。运量和运速的关系可用式(8)表达。因此要在确保输送带强度的情况下，考虑煤仓的储煤量、单位时间内的采煤量等因素，匹配运量和运速，实现节能的目标。

图2 输送机运量和运速关系

(8)

3 带式输送机的控制优化

在大型井下采煤系统中，都是大运量、远距离输送，甚至还有大倾角的情况。为了能够在这种工矿环境下高效地工作，带式输送机驱动系统也要相应配备大功率电机。

带式输送机系统如果采用单机驱动，单电机功率大、体积大，不利于煤矿井下狭窄环境下设备运输与安装。带式输送机双机驱动系统和单机驱动系统比起来，功率可以更大，但是体积可以更小，方便了煤矿井下的设备运输与安装，因此采用变频双电机驱动带式输送机是发展的必然趋势，也是井下实现大功率输送的有效方法。带式输送机采用双电机驱动控制要确保电机同步，所以需要满足电机转速相等和电磁转矩相等的要求[6]。需要从原理上研究电机输出电磁转矩与电机转速关系。

电机电力拖动公式：

(9)

式中：te为电机输出电磁转矩；tl为电机负载转矩；ωt为电机角速度；J为电机转动惯量；β为电机角加速度。

由式(9)可知电磁转矩对电机的加速或者减速起到决定性作用。电磁转矩大于负载转矩，产生角加速度使电机加速；电磁转矩小于负载转矩，产生角减速度使电机减速[7]。所以在对电机进行优化控制的时候应该对电磁转矩进行合理分配，确保电机转速同步控制。

本文主要研究变频双电机优化调节，采用动态加速控制方法，同时在该系统加装节能调速控制模块，根据运输物料的重量自动调节运速。控制原理如图3所示。当系统处于加速时，两电机都以程序给定加速度加速，控制过程中速度进行闭环控制，控制电机电磁转矩相等，将主电机的实际速度作为从电机的给定速度，保证两电机同步同速。此时主电机和从电机的电磁转矩分别为 ，te1=t11+J1·β1，te2=t12+J2·β2，由于控制过程中速度时刻同步，则两电机角加速度也相等。胶带总负载转矩t1=t11+t12为定值，变频双电机驱动系统总输出电磁转矩也为定值，系统要加速，在总输出电磁转矩为定值的前提下，只有对主电机电磁转矩进行调整，其补偿量为0.5(te2-te1) ，则主电机的给定输出电磁转矩变为te/2，从而从电机的输出电磁转矩也为te/2，最终达到电机转速同步和输出功率平衡，实现双电机同步。

对某带式输送机的电机进行Simulink仿真，两电机参数一致，功率为500 kW，额定电压为1 140 V，额定工作频率为50 Hz，电动机的极对数为2，转动惯量为 3.1 kg·m2。仿真中对皮带施加的重力进行调整，以观察皮带运速的变化状态。结果如图4、5所示。

通过对双电机的转速和电磁转矩的仿真结果可知，系统仿真中经历了不稳定启动状态、加速状态、减速状态和平稳运行状态。在系统启动阶段处于不稳定启动状态，此时启动电流大，转速转矩都为零，因此需要在控制中加限流环节。胶带系统加速状态和减速时两电机转矩相等，转速基本达到同步。系统稳定时也达到了电机输出功率平衡，实现了无极调速功能，电机启动电流、加速电流和电磁转矩幅值波动控制在范围之内。

图5 主从电机电磁转矩波形

4 结 语

通过对带式输送机的力学模型和节能原理进行分析，并提出了双电机控制的节能系统，对该系统进行理论分析和Simulink仿真。通过研究可得到如下结论：

1) 带式输送机的节能是可实现，并且易于实现的节能手段，可大大提高资源利用率，实现降本增效。

2) 动态加速控制方法是双电机变频调速控制的有效方法，可确保系统的稳定性及双电机的同步精度。

3) 采用该控制方法，带式输送机的利用率可达到90%以上，具有一定的社会意义。