基于偏差耦合平衡控制的礦井帶式輸送機超長距離運輸技術研究與應用

王 坤

(山西焦煤西山煤電杜兒坪礦,太原 030000)

原煤運輸作為礦井生產主要部分,其工作方式及效率直接關系到礦井正常生產。隨著礦井開采技術的發展,開采深度不斷加深,原煤運輸距離逐漸增加,運輸壓力顯現。目前,工作面、盤區原煤運輸主要以帶式輸送機為主,大巷采用電機車牽引礦車方式,該方式存在原煤運輸速度小、效率低等問題,無疑增加了大巷運輸壓力,影響工作面生產效率。

帶式輸送機作為礦井原煤運輸主要方式,隨著采掘技術的發展,帶式輸送機在運輸量、距離以及功率等方面均有了更高要求,傳統小型單機驅動方式不足以滿足實際需求,因此,研發長距離帶式輸送機迫在眉睫。

關于帶式輸送機運輸技術研究和應用較多,但礦井帶式輸送機長距離運輸技術研究甚少,主要以理論建模分析為主[1],實際運用更為缺乏。長距離帶式輸送機通過傳統單機驅動必將產生一些列問題,如應力集中、跑偏以及斷帶等。因此,長距離帶式輸送機的運用,首要解決驅動問題,通過多電機驅動成為必然,電機數目的增加勢必使控制系統更加復雜,帶來各電機功率分配不平衡等問題,給帶式輸送機正常運轉產生不利影響[2-4]。

綜上所述,長距離運輸必須要解決驅動功率、功率平衡以及驅動點的布置等問題[5-6]。因此,建立和優化帶式輸送機運輸系統對礦井原煤高效運輸至關重要。同時,解決帶式輸送機長距離平穩運行對礦井帶式輸送機長距離運輸技術發展起到積極影響。

1 帶式輸送機動態特性分析

杜兒坪礦現開采盤區有南九、北三、北五、北七盤區,主要開采2#、3#、6#、8#煤層。目前,北三、北五、北七盤區原煤運輸主要以電機車牽引礦車方式,存在運輸效率低、運輸壓力大等問題,嚴重影響正常生產。為此,對北一膠帶機大巷帶式輸送機進行延伸,延伸長度1 826 m,延伸后總長5 620 m,運輸能力1 500 t/h。原煤通過北一膠帶機大巷帶式輸送機連續化運輸至井底動倉、焦倉、掘倉,分煤種進行卸載,經主斜井帶式輸送機提升至地面選矸車間,分煤種選矸后進入地面3個筒倉。

帶式輸送機由鋼絲繩芯、橡膠構成,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。帶式輸送機在啟動、運轉過程中,受到靜力、張力作用,直接影響帶式輸送機運轉。因此,對帶式輸送機進行動態特性分析很有必要。目前,學者在分析帶式輸送機動態特性時,主要運用Kelvin-Voigt模型,具體見圖1所示。

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

將帶式輸送機驅動系統為連續模型,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 帶式輸送機多點驅動

2.1 驅動方式

北一膠帶機大巷帶式輸送機延伸后總長度5 620 m,在解決原煤運輸的同時,增加了輸送機運輸距離,面臨運輸距離長、運輸負荷大等問題。同時,輸送帶張力明顯增加,對輸送帶平穩運轉提出考驗。為減小長距離帶式輸送產生的張力,通過對帶式輸送機運行過程動力學性能分析,提出多點驅動方式,盡可能避免輸送帶出現撕裂。目前,多點驅動方式主要分為直線摩擦式多點驅動、轉載式多點驅動。直線摩擦式多點驅動是通過在輸送帶中間布置驅動點,從而提高輸送帶摩擦力,以達到減小輸送帶張力的目的。轉載式多點驅動主要在輸送帶中間布置轉載滾筒、驅動電機,通過轉載驅動電機增加驅動力,最終實現對輸送帶張力的減小,轉載式多點驅動方式最為常見。

2.2 中部驅動位置

目前,確定輸送機中間驅動位置的方法有兩種:等圓周力法及等圍包角法。等圓周力法根據驅動功率,結合輸送帶實際情況,確定驅動點數量;等圍包角法主要針對輸送帶局部,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度位置增加驅動點,等張力布置法保證輸送帶各點張力相同?；趯斔蛶н\行過程的力學分析,經過多方論證,確定中部驅動位置,如圖3所示。

圖3 中間驅動位置示意圖Fig.3 Intermediate drive position

2.3 中部驅動設計

杜兒坪礦北一膠帶機大巷帶式輸送機原長度3 794 m,驅動功率3×500 kW。延伸長度1 826 m,機尾延伸至北石溝,延伸后北一膠帶機大巷帶式輸送機總長5 620 m?？紤]到延長后運輸距離過長,電機負載明顯增大,皮帶張力增加,易出現撕裂。為確保5 620 m皮帶平穩運轉,采用多點驅動的方式,增加中部驅動裝置(裝置明細見表1所示)如圖4所示。同時,對帶式輸送機運輸能力、帶寬進行校核,確定驅動功率。

圖4 中部驅動裝置圖Fig.4 Middle drive device

表1 中部驅動裝置明細Table 1 Detail list of middle drive device

煤運輸能力計算如公式(1)所示:

(1)

式中:Q為運輸高峰煤量,t/h;∑Qi為生產能力總和,t/h;K1為設備利用系數;K2為同時生產系數;K3為掘進煤量系數。代入數據得:Q=992 t/h。

膠帶寬度計算如公式(2)所示:

(2)

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

驅動功率計算如公式(2)所示:

(3)

式中:P為電機功率,kW;mb為膠帶單位長度重量,kg/m;mR為托輥轉動部分重量,kg/m;v為帶速,m/s;Q為運輸能力,t/h;h為提升運輸垂直高度,m;f為托輥摩擦系數;l為輸送機水平距離,m;C為計算系數;Pcd為清掃器附加功率,kW。代入數據得:P=2 278 kW

綜上所述,北一膠帶機大巷帶式輸送機延伸后,選用輸送帶型號為ST/S3150-1400,中部驅動功率選用2臺功率為500 kW的永磁電機,設備參數詳見表2。

表2 技術特征表Table 2 Technical characteristics

3 基于偏差耦合多機平衡控制

3.1 多電機驅動功率平衡方法

帶式輸送機運輸距離過長,不僅增加輸送帶張力,且易導致皮帶撕裂事故發生。本文采用轉載式多點驅動方式,通過5臺功率為500 kW的永磁電機聯合驅動5 620 m帶式輸送機,電機功率平衡直接關系到輸送機的運行狀況。從現場調研來看,礦井帶式輸送機在運轉過程中易受到負載擾動、現場環境等因素的影響,造成各部電機之間功率不平衡,對電機、托輥等零部件產生損傷,影響輸送機正常運轉。

本文采用5臺功率、參數相同的永磁電機聯合驅動5 620 m帶式輸送機。其中,永磁電機1、2分別驅動機頭滾筒1、2,機頭滾筒1、2通過皮帶柔性連接,共同作為機頭控制部分;永磁電機3、4分別驅動中驅滾筒1、2,中驅滾筒1、2通過皮帶柔性連接,構成中驅控制器;機尾通過永磁電機5驅動機尾滾筒1,為機尾提供動力。具體見圖5所示。

圖5 多電機驅動結構示意圖Fig.5 Multi-motor drive structure

由圖5可知,5臺TBVF-500/80YC永磁電機均通過輸送帶柔性連接,當運輸距離較長時,不利于電機間的耦合,造成電機速度不一致。然而, 多電機功率平衡的重要前提為各電機轉速、輸出轉矩相同,常規手段很難達到轉速一致目的。因此,本文對各電機轉速進行閉環控制,并保證輸出轉矩相同,即在永磁電機2、3、4、5速度控制器前增加一個補償器,如6所示,各電機補償器結構類似。

圖6 電機補償器結構圖Fig.6 Motor compensator structure

3.2 多電機驅動功率平衡控制

目前,隨著帶式輸送機運輸距離的增加,多電機聯合驅動成為趨勢,本文采用5臺永磁電機聯合驅動,為實現功率平衡,首先通過收集各電機電流、轉速值,其次采用坐標轉換的方式,得到對應轉矩電流值,即反映各電機功率值,因此,通過控制轉矩電流值可達到功率控制的目的。根據電機運行特性,轉速及轉矩電流是影響電機功率平衡的兩大因素。為此,通過觀察5臺永磁電機轉矩電流值,若電流值較大,表示轉矩較大,則相應的降低其頻率,反之,當電流值較小,表示轉矩小,則相應的增加其頻率。但在改變電機頻率的同時,轉速亦發生變化,造成功率不平衡。所以,必須確保頻率調節后轉速不發生變化。本文在多電機驅動系統中增加偏差耦合控制手段,具體見圖7所示。

圖7 偏差耦合控制結構圖Fig.7 Deviation coupling control structure

由上述偏差耦合控制方法可以看出,電機在負載作用下,各電機產生相應的轉矩電流值,偏差耦合結構會對各電流值進行分析,當部分電機轉矩電流值出現不一致,偏差耦合結構通過補償器,給電機一個補償轉速,并在5臺電機中形成耦合閉環,從而使得5臺電機轉速相同,保證5臺電機功率平衡。同時,為解決PI控制器超調,提高系統可靠性,在控制器結構中增加了輸出限幅和積分限幅,具體見圖8所示。

圖8 控制器結構示意圖Fig.8 Controller structure

3.3 系統仿真

為驗證偏差耦合控制方法可靠性,利用Matlab軟件,搭建結構模型,對電機負載啟動、空載啟動至負載兩個過程轉矩、電流進行仿真:

3.3.1負載啟動

電機負載啟動時,扭矩為100 N·m,電機運行至0.6 s時,加載到200 N·m,此時各電機轉矩、電流及轉速如圖9所示。

由圖9可知,各電機轉矩、電流及轉速基本保持一致。其中,電機負載啟動時,電機轉矩、電流及轉速從0瞬間增加至一定值,隨后保持平穩;0.6 s加載,轉矩、電流瞬間增加,后保持穩定,轉速不變。因此,電機負載啟動及加載過程中,5臺電機能夠在極短時間實現轉矩、電流、轉速的穩定,達到多電機功率平衡。

(a) 電機轉矩圖

(b) 電機電流圖

(c) 電機轉速圖圖9 負載啟動電機特性曲線Fig.9 Motor characteristic curves

3.3.2空載啟動至負載

電機空載啟動時,電機運行至0.4 s時,加載至300 N·m;電機運轉平穩后,在0.8 s繼續加載80 N·m,此時各電機轉矩、電流見圖10所示。

(a) 電機轉矩圖

(b) 電機電流圖

(c) 電機轉速圖圖10 空載啟動電機特性曲線Fig.10 Motor characteristic curves

由圖10可知,各電機轉矩、電流、轉速基本保持一致,其中,電機空載啟動瞬間,電機轉矩、電流為0,轉速1 000 r/min;在0.4 s、0.8 s加載,轉矩、電流瞬間增加,隨后保持平穩,轉速先降低,0.05 s后瞬間增加至1 000 r/min,后保持平衡。因此,5臺電機能夠在極短時間實現轉矩、電流、轉速的穩定,達到多電機功率平衡。

綜上所述,在5 620 m超長距離帶式輸送機運輸系統中,運用偏差耦合方法可實現5臺電機功率平衡,對帶式輸送機平穩運轉起到重要作用。

3.4 現場測試

為驗證偏差耦合控制方法可靠性,對5 620 m帶式輸送機進行運行調試,分別做了負載啟動、空載啟動。當皮帶上有原煤時,帶式輸送機緩慢啟動,速度逐漸增加,隨后保持3 m/s速度勻速。皮帶上無原煤時,帶式輸送機啟動后帶速瞬間增加至限速速度3 m/s;當增加原煤時,帶速降至2.9 m/s,0.1 s后迅速增加至3.0 m/s,并保持勻速運轉。如圖11所示。

圖11 現場實物圖Fig.11 On site physical objects

4 結論

本文采用偏差耦合控制作為解決超長距離皮帶運輸多點驅動功率平衡方法,通過仿真和現場運用得到以下結果:

1)通過增加中部驅動裝置,采用5臺電機多點驅動方式聯合驅動5 620 m帶式輸送機。

2)運用偏差耦合控制方法解決了5臺電機多點驅動功率平衡問題,實現了5 620 m帶式輸送機平穩運轉,原煤運輸能力提高到400 t/h,運輸效率提高5倍,工作面生產效率提高10%。