長距離大功率帶式輸送機的電控設計

劉大陽　王博　劉曉旭

摘要 ：長距離大運量帶式輸送機是實現遠距離散料運輸的重要設備，電控系統的合理設計，對于降低生產和維護成本、提高整機運行效率及技術含量具有十分現實的意義。

關鍵詞 ：帶式輸送機 軟起動 動態特性分析 啟動加速度

1、電控系統的技術要求與指標

長距離大功率帶式輸送機控制系統必須實現如下預期目標：

（1） 設備運行的所有工藝流程應編入PLC程序，PLC控制所有信號并根據工藝要求做出判斷；（2） 當設備出現故障時，控制系統應及時做出反應，并在報警文本中明確顯示；（3） 清晰完整的顯示設備運行狀況、及某些重要參數（例如電機電流、溫度等）；（4） 選用常規保護開關，進行單點現場采集，顯示故障和報警點的具體位置，以便及時排除故障；（5） 上下級皮帶的啟動運行連鎖；（6） 采用PLC控制，具有現場可編程功能；（7） 具有輸送機可控啟動、停車等功能；（8） 具有輸送機前后設備聯鎖功能；（9） 具有輸送機一級跑偏保護、二級跑偏保護、速度檢測、膠帶打滑保護、膠帶縱向撕裂保護、超速打滑保護、沿線急停閉鎖和故障位置檢測等完善的檢測保護功能；（10） 輸送機控制系統具有自動運行、手動運行工作方式；（11） 控制系統配置（控制器容量、電源容量、控制柜的空間和導軌等）具有足夠的輸入輸出端口；（12） 所有模擬量信號均應為4-20mADC標準信號；（13） 所有開關量信號均應為無源常開接點信號，每個信號不少于2個橋接點，接點容量大于5A，220VAC或DC110V；（14） 滿足遠程控制方式的要求，輸送機控制系統應設置必要的控制、監視信號通過以太網通訊方式送中控室計算機系統。為保障設備安全，應設置保護信號及輸送機高壓電機進行硬連鎖保護。（15） 遠程I/O站有通風散熱功能，同時具備防雨功能，遠程I/O控制箱防護等級達到IP64，并在安裝時要考慮到防曬措施。

2、長距離大功率帶式輸送機的軟啟動特性

帶式輸送機的啟動屬于重載啟動，電機輸出轉矩，需要克服皮帶上的物料向下的壓力形成的阻力，和皮帶與托輥組之間的靜摩擦力形成的阻力，過大的啟動轉矩對帶式輸送機的機械結構和電控系統形成巨大的沖擊，為了減小對帶式輸送機及輸送帶本身的沖擊力，電控系統對啟動轉矩進行控制，長距離大功率帶式輸送機實行軟啟動，“軟啟動”是指輸送機在重載工況下可控制地局部克服整個系統的慣性而平穩地啟動。軟啟動系統的力矩特性并非越“軟”越好，太軟的啟動特性對滿載啟動并不利。滿載停車后，傳動滾筒上將存在很大的逆轉力矩，如果啟動力矩達不到額定力矩的90%，輸送帶不會動。另一種情況如果啟動力矩太軟，帶式輸送機在空載下可以正常啟動，但一旦滿載時停車，再啟動則十分困難，傳動系統會打滑，產生大量的熱量，容易損傷膠帶和滾筒外皮，原因是軟啟動系統的啟動力矩的增大十分緩慢，額定力矩由零增大至90%的時間過長，只有當啟動力矩達到90%的額定力矩并且輸送帶開始運行和加速后，才能使力矩特性變軟，使輸送帶的慣性力降低，減少對輸送帶和其它機械部件的沖擊。

3、長距離大功率帶式輸送機的動態特性分析

長距離大功率帶式輸送機一般采用大功率、高壓電動機驅動，并配置高壓變頻器對其進行變頻調速，對于電控系統的設計需要滿足其軟啟動特性和對多機分散布置驅動功率平衡的控制等特點，因而對于大型帶式輸送機驅動裝置及控制系統的設計應滿足如下要求：

（1） 多電動機分散驅動時，均勻分配各驅動單元的負荷，實現對功率平衡的控制。（2） 節能環保，盡可能減小電動機起動時大電流對電網的沖擊；（3） 電控系統對驅動裝置的控制，應實現較好的軟起動性能，使帶式輸送機能夠在額定負載下具有較大的啟動力矩，并順利起動；（4） 控制起動加速度，避免各部分零件在啟動過程中受到的較大的沖擊，保護承載件不受損傷；（5） 電控系統具有可靠的過載保護能力；（6） 變頻驅動裝置應具有良好的可控性和變頻調速性能，能夠接受來自PLC的信號，對電機實現加速、減速運行，使設備正常的啟動和制動；（7） 具有驗帶功能，在調試階段可以進行慢速試車；（8） 長時間無故障運行；（9） 帶式輸送機應實時處于集中控制系統下，并能接受來自上游和下游設備的信號，對于一般故障及突發事故，控制系統應該反應迅速，做出報警或緊急停車動作，在設備的沿線應配備監控裝置，實時觀察設備運行狀態。

帶式輸送機在起動過程中除了受靜張力作用外，還受附加動張力的作用。動張力與靜張力疊加，引起輸送帶張力的重新分配，并可能導致輸送機的不平穩運行甚至引發輸送帶接頭的失效及滾筒、托輥軸承及其它部件的損壞，從而破壞輸送機的正常運轉。設計大型輸送機系統時，應采用動態分析方法，分析帶式輸送機的動態特性方程，以建立合理的起動方案。

從帶式輸送機的連續模型出發，分析帶式輸送機的動態特性，對輸送帶做如下假設：（1） 輸送帶沿縱向的力學性能相同；（2） 物料均勻的分布在輸送帶上；（3） 托輥支撐膠帶均勻地布置，其阻力系數與帶速無關；（4） 輸送帶視作沿輸送機長度方向的一維桿件；（5） 改向滾筒是剛性的；（6） 起制動時，輸送帶的橫向振動對縱向振動影響很小，可忽略不計。

4、起動加速度的分析與計算

—承載分支托輥單位長度旋轉部分的質量（kg/m）；—回空分支托輥單位長度旋轉部分的質量（kg/m）；—輸送帶單位長度的質量（kg/m）； —輸送物料單位長度的質量（kg/m）； n—驅動單元數；—驅動單元第i個旋轉部件的轉動慣量（kg·）；—驅動單元第i個旋轉部件的傳動比；r —傳動滾筒半徑（m）；—第i個滾筒的轉動慣量（kg·）；—第i個滾筒的半徑（m）；T—拉緊裝置的1/2重錘質量（kg）；C—修正系數；f—摩擦系數；g—重力加速度（m/）；H—輸送機卸料段和裝料段間的高差（m）；—特種阻力（N）； —附加阻力（N）；設，帶入式（2.7 ）可得帶式輸送機的起動加速度計算式為：

式中 —起動系數；

在傳統的設計方法中，帶式輸送機是一種給定起動力矩的輸送設備，其驅動力和加速度是不可控的，設計值為：

（1） 采用電機直接起動方式，設計起動系數= 2.0 ；（2） 配置液力偶合器啟動方式，設計起動系數=1.3--1.7；（3） 而采用變頻調速的驅動方案時，其驅動力和加速度是可控的，我們可以設計最優的加速度控制曲線，通過對變頻器參數的設置，可以給定一些加速度參數，設計起動系數可取為1.05。

綜上所述，設計電控時采用軟起動方案對帶式輸送機的啟動是有利的，不僅可以大大降低輸送帶的強度，同時增加了輸送帶的安全系數。

參考文獻：

[1] 王斌全.帶式輸送機啟動控制策略的研究[D].合肥工業大學，2013，04，01.

[2] 趙玉文，李云海.帶式輸送機的現狀與發展趨勢[J].煤礦機械，2004，04，05.