王興茹

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

目前帶式輸送機(jī)已廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)、采礦行業(yè)、冶金行業(yè)、水電站建設(shè)工地、港口等,其優(yōu)點(diǎn)是在輕載時(shí)通過(guò)調(diào)整輸送機(jī)帶速,實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)營(yíng)能耗的節(jié)省。許多文獻(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分析,文獻(xiàn)[1]詳細(xì)分析了帶式輸送機(jī)減電機(jī)運(yùn)行、流程優(yōu)化、全變頻恒力矩調(diào)速等各種節(jié)能技術(shù)的原理、使用范圍及優(yōu)缺點(diǎn);文獻(xiàn)[2]分析了帶速與裝載量之間的關(guān)系，提出了利用模糊控制理論和PLC控制技術(shù)進(jìn)行節(jié)能的方案;文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)所受的運(yùn)行阻力的分析，得出在帶式輸送機(jī)輸送量發(fā)生變化時(shí)，可通過(guò)合理調(diào)節(jié)其帶速來(lái)減少電動(dòng)機(jī)功率損耗的方法;文獻(xiàn)[4]以神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司和青島天信電氣有限公司合作的帶式輸送機(jī)載煤量,介紹了自動(dòng)匹配控制的應(yīng)用案例，對(duì)載煤量自動(dòng)匹配控制的理論和實(shí)踐進(jìn)行了全面的分析。本文將對(duì)帶式輸送機(jī)調(diào)速過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析研究。

1 帶式輸送機(jī)的加速過(guò)程

加速過(guò)程主要指的是帶式輸送機(jī)由輕載到重載的變化過(guò)程。相比正常的啟動(dòng)過(guò)程，在加速過(guò)程中帶式輸送機(jī)裝載率較高，其動(dòng)態(tài)特征較為復(fù)雜。在實(shí)際操作中，帶式輸送機(jī)需要在大料流到來(lái)之前完成加速過(guò)程,其加速過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)主要包括輸送帶張力過(guò)大、輸送帶打滑和電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。

1.1 輸送帶張力過(guò)大

輸送帶張力過(guò)大不僅會(huì)增加輸送帶斷帶的危險(xiǎn)，縮短輸送帶的壽命，還會(huì)導(dǎo)致滾筒軸承過(guò)早失效,故輸送帶的張力必須保持在一定的水平。當(dāng)卸載滾筒兼作驅(qū)動(dòng)滾筒時(shí)，輸送帶最大張力通常發(fā)生在驅(qū)動(dòng)滾筒的緊邊。在加速過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)滾筒緊邊張力可用下式計(jì)算,即:

T1=T2+Fd

(1)

式中：T2為驅(qū)動(dòng)滾筒松邊張力，N；Fd為圓周驅(qū)動(dòng)力，N。

根據(jù)DIN22101標(biāo)準(zhǔn)中法國(guó)輸送物料的帶式輸送機(jī)計(jì)算中，其驅(qū)動(dòng)滾筒緊邊最大允許張力為：

(2)

式中：GN為輸送帶額定張力，N/mm；B為帶寬,mm；SA,min為調(diào)速過(guò)程膠帶的最小安全系數(shù)。

假設(shè)帶式輸送機(jī)由質(zhì)量為M的重錘張緊車在驅(qū)動(dòng)滾筒后張緊，由于張緊車為豎直張緊，張緊車在調(diào)速過(guò)程中會(huì)有豎直方向的移動(dòng)。張緊力在加速過(guò)程中會(huì)增加，在減速過(guò)程中會(huì)下降。據(jù)有文獻(xiàn)研究表明，在調(diào)速過(guò)程中張緊力和張緊位移的變化是有限的。因此，當(dāng)計(jì)算驅(qū)動(dòng)滾筒松邊張力時(shí)，可忽略張緊裝置的加速，可以認(rèn)為驅(qū)動(dòng)滾筒松邊張力是不變的，即：

(3)

綜合式(1),式(2)和式(3),其許用驅(qū)動(dòng)力應(yīng)為：

(4)

1.2 輸送帶打滑

當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于輸送帶和驅(qū)動(dòng)滾筒間可獲得的最大摩擦力時(shí)，其輸送帶會(huì)在驅(qū)動(dòng)滾筒上打滑。輸送帶打滑不僅損傷了輸送帶和滾筒，還會(huì)引起堵料和撒料。在煤塵環(huán)境中，輸送帶打滑還可能引起火災(zāi)的危險(xiǎn)，盡管已安裝了輸送帶的打滑保護(hù)裝置，但在輸送帶打滑事故發(fā)生時(shí)須帶式輸送機(jī)緊急停車。但緊急停車也會(huì)給帶式輸送機(jī)帶來(lái)不利影響，故在調(diào)速過(guò)程中需要限制驅(qū)動(dòng)力，以避免輸送帶打滑。考慮到輸送帶的打滑，其最大許用驅(qū)動(dòng)力可按下式計(jì)算：

Fd,max2=T2(eμα-1)

(5)

式中：μ為膠帶和驅(qū)動(dòng)滾筒間的摩擦因數(shù)；α為驅(qū)動(dòng)滾筒圍包角，rad。

1.3 電動(dòng)機(jī)過(guò)熱

電動(dòng)機(jī)的額定扭矩是指電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工作不發(fā)熱所能提供的最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩(Tmax)。由于在實(shí)際的加速過(guò)程中，最大轉(zhuǎn)矩可短時(shí)間(數(shù)秒)超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩(Tnom)。最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的比值稱為備用系數(shù)(Kd)，故在加速過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)許用轉(zhuǎn)矩為：

τmax=Kdτnom

(6)

驅(qū)動(dòng)滾筒上的最大許用驅(qū)動(dòng)力為：

(7)

式中：i為減速器減速比；Rd為驅(qū)動(dòng)滾筒半徑。

由于在長(zhǎng)距離的帶式輸送機(jī)中，其輸送帶上物料的總質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)滾筒折算過(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,式(7)中忽略了驅(qū)動(dòng)滾筒和傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.4 最大加速度

在加速過(guò)程中,可考慮式(8)中的3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，即在調(diào)速過(guò)程中最大可用驅(qū)動(dòng)力為三者中的最小值。

Fd,max=min(Fd,max1,Fd,max2,Fd,max3)

(8)

根據(jù)牛頓第二定律，在加速過(guò)程中允許的加速度為：

(9)

式中：FA,max為最大加速力，N;Ff為總的運(yùn)動(dòng)阻力，N;m為帶式輸送機(jī)總的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量,kg。

2 減速過(guò)程

減速過(guò)程是指帶式輸送機(jī)由重載到輕載的變化過(guò)程，其帶式輸送機(jī)需要在小料流到來(lái)之后開始減速過(guò)程。在減速過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)滾筒上的驅(qū)動(dòng)力逐漸減小，輸送帶速度平滑下降，它不同于加速過(guò)程，減速過(guò)程主要考慮電動(dòng)機(jī)發(fā)電工況。例如，在水平運(yùn)行的帶式輸送機(jī)中，電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不包括發(fā)電功能，除非需要反饋制動(dòng)。故考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)電風(fēng)險(xiǎn)，其最大減速度應(yīng)為：

(10)

由于在調(diào)速過(guò)程中帶式輸送機(jī)總的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量是變化的，如果忽略滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，不管在調(diào)速狀態(tài)還是在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，帶式輸送機(jī)上物料的總質(zhì)量不會(huì)大于下式Lmqn的值。故在確定最大加速度時(shí)，可以把總質(zhì)量看成為常數(shù)，即：

m=L(mr+2mb+mqn)

(11)

式中:L為帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度,m;mr為托輥旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，kg/m；mb為輸送帶線質(zhì)量，kg/m；mqn為物料名義線質(zhì)量，kg/m。

3 調(diào)速時(shí)間

機(jī)械沖擊是加速度對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)。在調(diào)速過(guò)程中，由于過(guò)度的沖擊會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的膠帶動(dòng)張力，故必須避免機(jī)械沖擊。另外，大機(jī)械沖擊導(dǎo)致的過(guò)大的帶速變化，也會(huì)導(dǎo)致灑料。為了減少機(jī)械沖擊，本文采用Harrison推薦的正弦，加速度曲線及速度曲線，如圖1所示。

(a) 加速過(guò)程

(b) 減速過(guò)程

加速度和速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為：

(12)

(13)

式中：Δv為速度調(diào)節(jié)范圍；T為速度調(diào)節(jié)時(shí)間；t為調(diào)速過(guò)程的某個(gè)時(shí)刻(0≤t≤T);v0為調(diào)速過(guò)程開始前的速度。

根據(jù)式(12a),最大加速度發(fā)生在t=T/2時(shí)刻，

(14)

則采用正弦加速曲線的調(diào)速過(guò)程，需要的最短加速時(shí)間應(yīng)為：

(15)

(16)

其中:下標(biāo)ac和de分別表示加速和減速過(guò)程。

4 結(jié)論

本文對(duì)帶式輸送機(jī)調(diào)速過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，包括加速過(guò)程的輸送帶張力過(guò)大風(fēng)險(xiǎn)、輸送帶打滑風(fēng)險(xiǎn)、電動(dòng)機(jī)過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)、減速過(guò)程的電動(dòng)機(jī)發(fā)電風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)最大加速度和最短調(diào)速時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算，這對(duì)帶式輸送機(jī)的安全節(jié)能運(yùn)行具有一定參考價(jià)值。