带式输送机节能控制方法浅析.pdf

246 研究与探索 Research and Exploration 理论研究与实践 中国设备工程 2020.05（上） 带式输送机作为散状物料输送领域中效率最高、应 用最为广泛的物料运输装备，是一种以输送带作为承载 与牵引部件，依靠摩擦传动实现连续运转的物料输送设 备。其主要由输送带、托辊、机架、驱动装置、拉紧装置、 制动装置、滚筒组及其它辅助设备构成，已广泛应用在 矿山、冶金、水泥、码头等领域，目前正向着长距离、 大倾角、高带速、智能化的方向发展。随着工业生产规 模的进一步扩大，输送机的能耗问题也越来越突出。 1 带式输送机能量浪费的主要来源 1）由于生产的不连续性与运输的连续性之间的矛 盾，使得带式输送机经常处于半载甚至空载的运行工况， 其运输物料的效率较低。 2）在除去运送物料所必须消耗的能量之外，带式 输送机的能量消耗主要取决于它的运行阻力，包括托 辊旋转阻力、输送带压陷滚动阻力、其他附加阻力等； 随着长距离、大运量、高带速输送机的发展，压陷滚动 阻力占主要阻力的比例越来越大，这极大增大了输送机 的无用功率。 3）传动装置的能量损耗问题。传统带式输送机得 驱动装置通常由异步电机、液力耦合器或液体粘性软起 动、减速器、联轴器等组成，起动时扭矩小，难以实现 满载起动，且故障形式多样，故障率高，维护成本较高， 是一种严重的能源浪费。 2 带式输送机节能改造方法 2.1 低阻力节能型输送带 在设计一个输送系统时，需合理选择输送机的基本 设计参数，包括带宽、带速、托辊间距、托辊直径、 输送带类型等，基本参数的选择不仅要满足系统的功能 要求外，更应该使系统能量消耗及成本减小。 带式输送机输送带是由内部带芯和外部上下覆盖胶 组合而成的复合材料，其整体宏观特性表现为粘弹性。 其中，上下覆盖胶多为橡胶材质，其力学表现为粘弹性。 与其接触的托辊多为钢制材料，力学表现为刚性。在输 送机运行过程中，输送带的覆盖胶与托辊相接触，由于 二者力学特性相差较大，与托辊接触部分的覆盖胶在输 送带自身重力与承载物料重力的作用下出现压陷变形， 而当该部分覆盖胶在脱离托辊后恢复形变时，因自身的 粘弹性导致形变恢复出现时滞现象。这种由于托辊压入 输送带覆盖胶而引起的与输送带运行方向相反的阻力我 们称之为压陷滚动阻力。 有研究测试表明，在运输距离为一千米的带式输送 机中，压陷滚动阻力约占输送机总运行阻力的 60，且距 离越长，压陷阻力所占比重越大。因此降低输送带压陷 滚动阻力是实现输送机系统节能的重要手段措施。 分析压陷滚动阻力产生的机理可知，输送带的粘弹 性特性是影响输送机压陷滚动阻力的主要因素，可以通 过选配合理的输送带橡胶材料及其配方获得合适的输送 带粘弹性参数，再结合调整输送带和输送机的结构参数， 例如适当调整托辊布置间距，适当提高带速，增大托辊 辊径等，达到降低输送带压陷阻力的目的；目前通过调 整输送带本身特性实现输送带节能的三个方式有 （1）降低输送带厚度，尤其是输送带与托辊接触面 覆盖胶的厚度； （2）在保证输送带强度的情况下，研发新型带芯材 料，减轻输送带的自重； （3）改进橡胶配方进而改进输送带上下覆盖胶的粘 弹性，减少其形变量。芳纶输送带因其高模量、低伸长、 高强度、低质量、低蠕变的性能，在输送带节能上有很 大的优势。 图 1 压陷阻力输送带对比传统输送带的粘弹性损耗仿真图 2.2 新型驱动装置代替传统驱动 带式输送机输送带为粘弹性体，在起动和拉紧中， 输送带内部会储存大量的能量，而在制动时输送带存储 的能量将释放，这就造成输送带产生动张力。为尽可能 带式输送机节能控制方法浅析 黄世顶 1，韩雷2，常欣2，吴在超2，王永波2，王强3 （1. 兖矿集团贵州能化龙凤煤矿，贵州 金沙 551800；2. 力博重工科技股份有限公司，山东泰安 271000；3. 山东欧瑞安电气有 限公司，山东 泰安 271000） 摘要本文分析了带式输送机能量浪费来源，从减小输送带压陷滚动阻力、使用新型传动装置及基于料流监测的智能调速 方法三个方面提出带式输送机节能控制策略，以此减少电量消耗与设备磨损，有效降低企业投入成本，在保障带式输送机运行 效率的同时为矿井智能化发展奠定基础，促进带式输送机的节能减排与绿色发展。 关键词带式输送机；节能；料流检测；压陷阻力；永磁同步电机 中图分类号TD528 文献标识码A 文章编号1671-0711（2020）05（上）-00246-02 247 中国设备工程 2020.05（上） 中国 设备 工程Engineering hina CPlant 地降低输送带在过渡工况下的动张力，降低对输送机电 气装置与机械本体的冲击，输送机通常安置有软起动装 置。目前常用的软起动装置或技术有变频调速、可控 硅电机调速、调速型液力耦合器、液体粘性软起动、CST 可控软起动装置等，其中液力耦合器、液体粘性软起动 和变频技术应用最为普遍。液力耦合器相比于液体粘性 软起动，存在一定的劣势 （1）液力耦合器在工作时必须有 35 的滑差，而 这又造成传动功率的损失； （2）电机必须空载起动，造成起动过程中会有较大 的冲击； （3）无法实现传动比为 1 的直接起动，目前已基本 淘汰。 理论上讲，变频装置是最理想的软起动装置，通过 改变电流的频率对电机的转速进行调节，起动时电机特 性较硬，起动转矩大，但其对电源的频率以及电压的稳 定性要求较高，维护成本相对较高。 随着电动机技术的发展，永磁同步电机正在逐渐取 代传动的机械驱动装置，其直接驱动传动滚筒使得输送 机运转，使得传动系统结构中抛弃原有的液力耦合器、 齿轮减速箱等中间传动装置，减少了传动损耗，提高了 传动效率。永磁同步电机具有以下的优点 （1）较高的传动效率永磁直驱传动效率可达 93，传动的机械传动装置仅在 7080 左右； （2）较大的起动转矩永磁同步电机搭配变频器可 恒定输出2.2倍额定转矩的起动转矩， 从而实现重载起动； （3）电机功率因数高。永磁同步电机的功率因数在 0.96 左右，大大降低了电机的无用功率。 图 2 永磁电机和永磁滚筒应用现场 2.3 基于带式输送机料流监测的调速控制方法 根据专家学者分析及现场经验，带式输送机输送带 上的料流越稳定、质量分布越均匀，则输送机系统耗电 量就越低。因此通过实时判别输送带上的物料状态，以 此合理调整输送机的运行状态，即可达到提高能效的目 的。其中，输送带上物料的瞬时流量是最为重要的物料 状态参数。有效的获得物料瞬时流量则是该技术的核心。 目前带式输送机上大多采用皮带秤、核子称、超声 波测距仪进行瞬时流量监测。通过将采集到的信号回传 给控制室，为管理人员提供决策依据。其中，电子皮带 秤现世时间最长，其价格低廉，依靠称重传感器进行设 定输送带长度上物料重量的称量，结合速度传感器，从 而计算该区域内的物料流量，该计量装置并未充分考虑 物料的分布情况，存在一定的误差 ; 核子称的稳定性和 可靠性远高于电子皮带秤，但因放射性物质而存在较大 的安全隐患；超声波测距仪也广泛应用于物料监测，由 于其扇形发射特性，使得它的抗干扰能力较差。 随着计算机技术与机器视觉技术的发展，激光测量 法逐渐应用在带式输送机料流监测方面，该光学测量技 术具有柔性大、结构简单、成本较低及高精度等优点， 通过激光扫描仪实时获取输送带上物料横截面轮廓信 息，快速实现瞬时流量计算。除去监测物料横截面轮廓 信息之外，基于料宽比的料流分析法也在逐渐应用，该 方法基于视频与识别技术，通过实时比对料流宽度与输 送带宽度，可粗略地进行瞬时流量判定。 通过对物料瞬时流量的精准测量，实现物料量与输 送机运行速度相匹配， 从而实现 “量多快运， 量少慢运” ， 避免出现“大马拉小车”的现象，有效减少设备的空载 运行时间，减少设备磨损，节约电力资源。对于由多条 输送机组成的主运输系统，采用基于激光三角法或超声 波法的物料瞬时流量监测技术，可实现由传统的逆煤流 起动向顺煤流起动的转变，优化生产工艺，节约成本。 3 结语 本文在分析带式输送机能量浪费来源的基础上，从 多方面提出了带式输送机节能控制策略，提升带式输送 机的运行效率，进而减少电量消耗与设备磨损，有效地 降低企业投入成本，有力地促进带式输送机的节能减排 与绿色发展。 参考文献 [1] 刘鑫 . 带式输送机速度优化节能控制方法的研究 [D]. 太原理工 大学 ,2017. [2] 张少宾 . 基于实况负载的带式输送机智能控制研究 [D]. 煤炭科 学研究总院 ,2019. [3] 周利东 , 朱瑞 , 孟文俊 , 王雷 , 蔚鹏飞 , 寇国富 . 基于温度效应 的带式输送机压陷滚动阻力研究 [J]. 煤炭工程 ,2016,481295- 98. [4] 王涛 . 永磁直驱电机在带式输送机上的应用研究 [J]. 能源与环 保 ,2018,4004182-185. [5] 成荣杰 . 变频调速永磁电机在井下大巷带式输送机上的应用 [J]. 内蒙古煤炭经济 ,201801855. [6] 曾飞 , 吴青 , 初秀民 , 代超磊 . 散货码头带式输送机调速节能研 究进展 [J]. 制造业自动化 ,2013,35171-4. [7] 曾飞 . 散货码头带式输送机节能控制方法研究 [D]. 武汉理工大 学 ,2016. [8] 陈湘源 . 基于超声波的带式输送机多点煤流量监测系统设计 [J]. 工矿自动化 ,2017,430275-78. [9] 李纪栋 , 蒲绍宁 , 翟超 , 李祥千 . 基于视频识别的带式输送机煤 量检测与自动调速系统 [J]. 煤炭科学技术 ,2017,4508212-216.