长距离大功率带式输送机的电控设计

刘大阳　王博　刘晓旭

摘要 ：长距离大运量带式输送机是实现远距离散料运输的重要设备，电控系统的合理设计，对于降低生产和维护成本、提高整机运行效率及技术含量具有十分现实的意义。

关键词 ：带式输送机 软起动 动态特性分析 启动加速度

1、电控系统的技术要求与指标

长距离大功率带式输送机控制系统必须实现如下预期目标：

（1） 设备运行的所有工艺流程应编入PLC程序，PLC控制所有信号并根据工艺要求做出判断；（2） 当设备出现故障时，控制系统应及时做出反应，并在报警文本中明确显示；（3） 清晰完整的显示设备运行状况、及某些重要参数（例如电机电流、温度等）；（4） 选用常规保护开关，进行单点现场采集，显示故障和报警点的具体位置，以便及时排除故障；（5） 上下级皮带的启动运行连锁；（6） 采用PLC控制，具有现场可编程功能；（7） 具有输送机可控启动、停车等功能；（8） 具有输送机前后设备联锁功能；（9） 具有输送机一级跑偏保护、二级跑偏保护、速度检测、胶带打滑保护、胶带纵向撕裂保护、超速打滑保护、沿线急停闭锁和故障位置检测等完善的检测保护功能；（10） 输送机控制系统具有自动运行、手动运行工作方式；（11） 控制系统配置（控制器容量、电源容量、控制柜的空间和导轨等）具有足够的输入输出端口；（12） 所有模拟量信号均应为4-20mADC标准信号；（13） 所有开关量信号均应为无源常开接点信号，每个信号不少于2个桥接点，接点容量大于5A，220VAC或DC110V；（14） 满足远程控制方式的要求，输送机控制系统应设置必要的控制、监视信号通过以太网通讯方式送中控室计算机系统。为保障设备安全，应设置保护信号及输送机高压电机进行硬连锁保护。（15） 远程I/O站有通风散热功能，同时具备防雨功能，远程I/O控制箱防护等级达到IP64，并在安装时要考虑到防晒措施。

2、长距离大功率带式输送机的软启动特性

带式输送机的启动属于重载启动，电机输出转矩，需要克服皮带上的物料向下的压力形成的阻力，和皮带与托辊组之间的静摩擦力形成的阻力，过大的启动转矩对带式输送机的机械结构和电控系统形成巨大的冲击，为了减小对带式输送机及输送带本身的冲击力，电控系统对启动转矩进行控制，长距离大功率带式输送机实行软启动，“软启动”是指输送机在重载工况下可控制地局部克服整个系统的惯性而平稳地启动。软启动系统的力矩特性并非越“软”越好，太软的启动特性对满载启动并不利。满载停车后，传动滚筒上将存在很大的逆转力矩，如果启动力矩达不到额定力矩的90%，输送带不会动。另一种情况如果启动力矩太软，带式输送机在空载下可以正常启动，但一旦满载时停车，再启动则十分困难，传动系统会打滑，产生大量的热量，容易损伤胶带和滚筒外皮，原因是软启动系统的启动力矩的增大十分缓慢，额定力矩由零增大至90%的时间过长，只有当启动力矩达到90%的额定力矩并且输送带开始运行和加速后，才能使力矩特性变软，使输送带的惯性力降低，减少对输送带和其它机械部件的冲击。

3、长距离大功率带式输送机的动态特性分析

长距离大功率带式输送机一般采用大功率、高压电动机驱动，并配置高压变频器对其进行变频调速，对于电控系统的设计需要满足其软启动特性和对多机分散布置驱动功率平衡的控制等特点，因而对于大型带式输送机驱动装置及控制系统的设计应满足如下要求：

（1） 多电动机分散驱动时，均匀分配各驱动单元的负荷，实现对功率平衡的控制。（2） 节能环保，尽可能减小电动机起动时大电流对电网的冲击；（3） 电控系统对驱动装置的控制，应实现较好的软起动性能，使带式输送机能够在额定负载下具有较大的启动力矩，并顺利起动；（4） 控制起动加速度，避免各部分零件在启动过程中受到的较大的冲击，保护承载件不受损伤；（5） 电控系统具有可靠的过载保护能力；（6） 变频驱动装置应具有良好的可控性和变频调速性能，能够接受来自PLC的信号，对电机实现加速、减速运行，使设备正常的启动和制动；（7） 具有验带功能，在调试阶段可以进行慢速试车；（8） 长时间无故障运行；（9） 带式输送机应实时处于集中控制系统下，并能接受来自上游和下游设备的信号，对于一般故障及突发事故，控制系统应该反应迅速，做出报警或紧急停车动作，在设备的沿线应配备监控装置，实时观察设备运行状态。

带式输送机在起动过程中除了受静张力作用外，还受附加动张力的作用。动张力与静张力叠加，引起输送带张力的重新分配，并可能导致输送机的不平稳运行甚至引发输送带接头的失效及滚筒、托辊轴承及其它部件的损坏，从而破坏输送机的正常运转。设计大型输送机系统时，应采用动态分析方法，分析带式输送机的动态特性方程，以建立合理的起动方案。

从带式输送机的连续模型出发，分析带式输送机的动态特性，对输送带做如下假设：（1） 输送带沿纵向的力学性能相同；（2） 物料均匀的分布在输送带上；（3） 托辊支撑胶带均匀地布置，其阻力系数与带速无关；（4） 输送带视作沿输送机长度方向的一维杆件；（5） 改向滚筒是刚性的；（6） 起制动时，输送带的横向振动对纵向振动影响很小，可忽略不计。

4、起动加速度的分析与计算

—承载分支托辊单位长度旋转部分的质量（kg/m）；—回空分支托辊单位长度旋转部分的质量（kg/m）；—输送带单位长度的质量（kg/m）； —输送物料单位长度的质量（kg/m）； n—驱动单元数；—驱动单元第i个旋转部件的转动惯量（kg·）；—驱动单元第i个旋转部件的传动比；r —传动滚筒半径（m）；—第i个滚筒的转动惯量（kg·）；—第i个滚筒的半径（m）；T—拉紧装置的1/2重锤质量（kg）；C—修正系数；f—摩擦系数；g—重力加速度（m/）；H—輸送机卸料段和装料段间的高差（m）；—特种阻力（N）； —附加阻力（N）；设，带入式（2.7 ）可得带式输送机的起动加速度计算式为：

式中 —起动系数；

在传统的设计方法中，带式输送机是一种给定起动力矩的输送设备，其驱动力和加速度是不可控的，设计值为：

（1） 采用电机直接起动方式，设计起动系数= 2.0 ；（2） 配置液力偶合器启动方式，设计起动系数=1.3--1.7；（3） 而采用变频调速的驱动方案时，其驱动力和加速度是可控的，我们可以设计最优的加速度控制曲线，通过对变频器参数的设置，可以给定一些加速度参数，设计起动系数可取为1.05。

综上所述，设计电控时采用软起动方案对带式输送机的启动是有利的，不仅可以大大降低输送带的强度，同时增加了输送带的安全系数。

参考文献：

[1] 王斌全.带式输送机启动控制策略的研究[D].合肥工业大学，2013，04，01.

[2] 赵玉文，李云海.带式输送机的现状与发展趋势[J].煤矿机械，2004，04，05.