發布日期：2022-10-09 點擊率：105
摘 要：兗州礦區對帶式輸送機軟啟動裝置開展了深入分析的基礎上，與有關單位共同協作進行科技攻關并取得了一批研究成果，同時在現場實際應用方面也獲得了較好的效果。
關鍵詞：帶式輸送機;軟啟動;裝置;研究;應用
Abstract：Yanzhou Coal Mining Area of the soft-start device conveyor-depth analysis carried out on the basis of collaboration with relevant units to carry out scientific research and made a number of research results, and practical applications in the field has also been good results.
Key words：Belt conveyor; soft-start; device; research; application
近幾年來，隨著長運距、大運量、大功率帶式輸送機的出現，國內外相繼開發出了多種型式的軟啟動裝置。兗州礦業（集團）有限責任公司及下屬煤礦在這方面下大力氣，積極應用當前已有的適用新技術，并與有關單位共同開展了科技攻關，在帶式輸送機軟啟動研究與應用方面取得了顯著的成績，對國內同行具有相當的參考價值。
1 帶式輸送機軟啟動裝置分析
目前，常用的大型帶式輸送機軟啟動裝置有液力調速裝置、BOSS系統、調速型偶合器、CST（COntrolledStarTransmission）系統可控傳動技術、交流電機軟啟動器、液體粘性傳動裝置和變頻調速裝置等。山東科技大學和兗州礦業（集團）公司南屯煤礦對這幾種帶式輸送機軟啟動裝置特點進行了對比分析。
此項研究除了總結出這些常用的大型帶式輸送機軟啟動裝置具有的顯著優點以外，還對它們各自的缺陷進行了歸納分析，最后得出了如下結論：各種帶式輸送機的軟啟動器裝置各有其特點。例如，BOSS系統軟啟動過程中發熱量極大、傳動效率低，不能實現無級調整，多驅動功率平衡須以摩擦片磨損為代價，油膜間隙有限致使無法實現真正空載啟動;CST調速系統與減速器一體，體積大，安裝不方便，在高速軸配置逆止器和制動器較困難;而且，BOSS系統和CST系統可控傳動技術因為價格昂貴，備品備件要進口，所以應用不廣泛，但是CST系統卻是唯一能夠保證在緊急停車或者突然斷電的時候提供可控停車的驅動系統。液體粘性傳動裝置和變頻調速裝置由于其內部的液壓控制系統復雜，制造和維護成本高，應用也不廣泛。當帶式輸送機的單元功率小于500kW的時候，調速型液力偶合器是軟啟動的最佳選擇，盡管其軟啟動性能比液粘方式差，有滑差，效率損失約2%，調速精度和傳動效率不及變頻調速和CST。交流電動機軟啟動因為不具備功率平衡和無級調速功能，而必須與限矩型偶合器配套使用，一般用于非重要的中小功率傳動場合，但是其價格低廉、操作簡單，在煤礦井下的順槽可伸縮帶式輸送機上應用非常廣泛。
2 多點驅動帶式機斬波軟啟動
兗州礦業（集團）有限責任公司和煤炭科學研究總院上海分院合作，利用斬波降壓軟驅動原理，成功地研制出了多點驅動帶式輸送機的斬波降壓軟啟動全數字控制技術和產品，達到了維護方便、控制精確、啟動平穩等要求。
QJR1-300/1140型軟啟動器控制采用英國SSD591全數字傳動控制器，內部有多個可重新組態的數字模塊，通過合適的組合，形成速度閉環和電流截止負反饋環。閉環控制為PI調節方式。各種電量信號經過保護電路模塊過濾和組態，從原來幾十種保護中選了幾種必要的保護。給定信號發生器是可編程的，通過對斜坡輸入、斜坡加速時間和切換輸入的設定，可以方便地控制膠帶加速時間和切換時間。
為了適合煤礦自動化管理的要求，該軟啟動器的操作方式既可以直接啟動，也可以遠端啟動。同時還可以向上級控制系統回饋啟動、運行和故障三組無源觸點，供上級控制系統程控使用。目前國內煤礦所使用的帶式輸送機，大多數為多電機多點驅動方式，為了避開啟動電流，采用直接啟動方式控制時都使用延時順序啟動辦法，使幾臺驅動電機分時啟動。由于軟啟動器對啟動電流進行了有效控制，因此啟動時允許幾臺軟啟動器同時啟動。為了使幾臺電機負載平衡，軟啟動器采用主從控制方式，定義一臺軟啟動器為主機，其余為從機，軟啟動器的速度和加速度控制由主機完成，從機跟蹤主機的狀態，達到電流平衡的目的。在實際運用中，多點驅動的帶式輸送，2個驅動點之間的距離可達1km左右，為了保證電流平衡控制信號可靠傳輸，采用可靠的V/F和F/V轉換技術，有效控制了干擾信號，并避免了長距離傳輸中的信號衰減問題。
3 帶式輸送機液粘軟啟動裝置研究
迄今為止，兗州煤礦機械廠已經研制出了150kW、200kW、500kW三種液粘軟啟動裝置，并在各大礦務局的大型帶式輸送機中成功地運用了近百臺套，實現了帶式機的慢速、滿載、平穩啟動和多臺電機的負載平衡，降低一級帶強度和減小電機容量30%～40%，具有明顯的經濟效益。
液體粘性學是近十幾年新發展起來的一門嶄新學科。液粘軟啟動裝置的傳動機理是基于牛頓內摩擦定律。它位于異步電動機和減速器之間，接受電動機的動力，驅動負載旋轉。通過控制液體壓力的大小，控制剪切油膜厚度，進而實現對液粘軟啟動裝置輸出轉矩的控制，達到帶式輸送機軟啟動的目的。
他們曾考慮了兩種方案：
①彈簧作用式。通過向活塞內注油，使其壓力升高，壓盤推動彈簧使摩擦片脫開。這時，電動機空載啟動。通過用步進電機控制數字壓力閥使油壓逐漸降低，摩擦片之間的間隙（剪切的油膜厚度）逐漸減小，使輸入、輸出轉速差慢慢變小，直至兩端同步，達到對帶式輸送機軟啟動的目的。
②油壓作用式。由液壓油在活塞上產生的力使摩擦片結合，彈簧在這里起回位作用。不工作時，由于油缸無壓力油，所以摩擦片處于脫離狀態。當輸送機需要啟車時，先空啟電動機，然后通過液壓系統向油缸內注油。隨著壓力的逐漸升高，活塞克服彈簧的彈性力將摩擦片之間的間隙慢慢變小，輸出軸轉矩越來越大，最后摩擦片完全結合，無相對轉動，軟啟動過程結束。
油壓作用式與彈簧作用式的最大區別在于使摩擦片結合的力來源不同，控制方式也大不相同。油壓作用式的最大缺點是啟車結束后液壓油必須維持一定的壓力值，否則將影響輸送機的正常使用。
4 帶式輸送機液體粘性軟啟動裝置研制
由兗州煤礦機械廠獨立開發研制的一種“帶式輸送機液體粘性軟啟動裝置”，比較好地解決了礦山、港口等處使用數量巨大的帶式輸送機平穩啟動這一個長期困擾生產廠家和用戶的難題，填補了國內的一項空白，同時還使帶式輸送機整機價格也因此而下降了30%左右。
據了解，新研制的這種帶式輸送機液體粘性軟啟動裝置是利用液體的粘性和油膜剪切的原理，實現了輸出轉速的無級調節，是一種適用于長運距、大運量帶式輸送機上的集機械、電氣、液壓于一體的設備，可以使帶式輸送機的啟動加速度在很大的大范圍內被調節和控制。
生產現場的使用實踐有力地表明：這種液體粘性軟啟動裝置在大運量、長運距的帶式輸送機上，尤其是在滿載貨物啟動的時候使用，可以使帶式輸送機按照小于0.3m/s2的加速度平穩地啟動，最小加速度可以達到0.043m/s2，并且能夠在0.01～0.10m/s的范圍內任意調控速度，不僅減少了沖擊、極大地降低了膠帶所承受的張力，而且還能夠大幅度地減少膠帶撕裂、電動機燒壞等機電事故的發生，保證了整機運行的安全性、可靠性和最大限度地延長了零部件的使用壽命，取得了良好的實際效果，經濟效益和社會效益非常顯著。
專家們認為：此項研究成果的技術性能居于國內同類產品的領先水平，有著比較高的推廣應用價值。
5 大型帶式輸送機調速型液力偶合器軟啟動好
實現帶式輸送機機械軟啟動有多種形式，但是應用最廣泛的要數調速型液力偶合器組成的軟啟動方式。兗州礦區近年來成套投資帶寬1.2m、機長1000m和總功率3×200kW以上的井下固定式大型強力帶式輸送機17臺，其中由兗州礦業（集團）公司機械制修廠研制的15臺大功率、高帶速、多電機、大運量帶式輸送機，均采用了由調速型液力偶合器組成的軟啟動系統，并且受到了各大煤礦使用現場的肯定。
調速型液力偶合器主要是由旋轉組件、供排組件、調速控制裝置、箱體油箱和冷卻器等部件組成的。實際上，液力偶合器相當于離心泵和渦輪泵的組合。當泵輪旋轉時，排油腔內形成旋轉油環，使得流道內的油位與排油腔內的油位相適應，供油泵向流道內供給一定量的油，勺管排出等量的油。當勺管向外移動時，油環加厚;反之，油環變薄。這樣，通過調整裝置操縱勺管的移動，用增加或減少油環的厚度來提高或降低轉述，就可以達到手動或自動無級調速的目的。
調速型液力偶合器的軟啟動具有以下特點：①改善帶式輸送機的啟動性能。②實現多機驅動的功率平衡。③提高電動機和膠帶的使用壽命。④減少對電網的沖擊。⑤容易實現帶式輸送機的遙控及中央集控。⑥提高帶式輸送機運行的可靠性。⑦有著極高的性能價格比。專家們指出：由于調速型液力偶合器軟啟動方式在帶式輸送機上的諸多優點，如果能夠代替限矩型偶合器應用到井下大功率伸縮帶式輸送機上也必定會有顯著的效果，當前有關單位正在開展實驗探索，調速型液力偶合器軟啟動將會有更加廣闊的應用前景。
6 變頻技術在帶式輸送機驅動中應用的研究
兗州礦業（集團）公司綜機設備租賃站開展了變頻調速技術在礦用帶式輸送機上應用的研究，總結出運用變頻器和變頻電機對帶式輸送機進行驅動的特點。
①真正實現帶式輸送機軟起動。運用變頻器軟起動功能將電機軟起動和帶式輸送機軟起動合二為一，通過電機慢速起動帶動帶式輸送機緩慢起動，將膠帶內部貯存的能量緩慢釋放，可將輸送機起停時產生的沖擊減至最小，幾乎對膠帶不造成損害。
②實現帶式輸送機多電機驅動時的功率平衡。應用變頻器對帶式輸送機驅動時一般采用一拖一控制，多電機驅動時采用主從控制，實現功率破獲。
③降低膠帶帶強。由于變頻器起動時間在1～3600s可調，帶式輸送機起動時間通常在60～200s內根據現場情況設定。起動時間延長大大降低對帶強的要求，減少設備初期投資。實際應用中，由于降低了起動沖擊，機械系統的損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒壽命呈幾倍延長。
④驗帶功能。低速驗帶功能是帶式輸送機檢修的主要要求。變頻調速系統為無極調速的交流傳動系統，在空載驗帶狀態下可調整5%～100%額定帶速范圍內的任意帶速。
⑤平穩的重載起動。變頻器低頻運轉最大可輸出1.5倍額定轉速，最適于重載起動。
⑥自動調速。變頻器配合煤流傳感器可以根據負載輕重自動調節膠帶速度，節電的同時還減少了膠帶的磨損。
⑦節能。主要體現在系統功率因數和系統效率兩個方面。通常情況下，煤礦用電機在設計中的裕量較大，工作時絕大部分不能滿載運行，電機工作于滿電壓、滿速度而負載經常很小，也有部分時間空載運行。電機輕載時定子電流有功分量很小，主要是勵磁的無功分量，因此功率因數很低。采用變頻器驅動后，在整個過程中功率因數達0.9以上，大大節省了無功功率。而且，電機與減速器間改為直接硬聯接，減少了液力偶合器，系統總傳遞效率提高5%～10%。另外，由于礦井通常離變電站比較遠，不同時段的電壓波動亦比較大，利用變頻器的自動穩壓功能也有部分節能作用。在匹配煤流傳感器以后還可以自動依據煤流的大小自動調速。
7 變頻器軟啟動在帶式輸送機中的應用
兗州礦業（集團）公司濟寧三號煤礦井下主煤流運輸由7條帶式輸送機運輸系統組成。其中，北部帶式輸送機共有4個驅動單元，每臺電機的功率為31.5kW，額定電壓1140V，原先一直采用電機+耦合器的方式驅動。自從投入ZJT型1140V礦用隔爆兼本質安全型智能變頻器以后，實現了帶式輸送機的軟啟動運行，使用效果非常理想。
使用變頻器以后，驅動電機直連滾筒，通過設置變頻器輸出電流頻率由0Hz到設定頻率的變化時間，就可以設置帶式輸送機軟啟動的啟動時間。為了盡量減少帶式輸送機啟動時對電機及帶式輸送機各部件的沖擊，啟動時間可以設置成10s以上。變頻器的啟動力矩大，尤其適合重載啟動，這對帶式輸送機是十分有利的。帶式輸送機在運行時，由于環境惡劣，經常發生各類緊急停車的故障，一旦重載停車，由于耦合器在軟啟動時啟動速度過快，而且對多電機驅動的帶式輸送機無法做到各電機的功率平衡，容易造成電機過載停車，對滾筒和聯軸器等設備的損害是十分大的。
改用變頻器以后可以通過調節變頻器輸出頻率的大小來實現各電機的功率平衡，在啟動過程中通過降低電機的頻率可以實現在小電流下的大功率輸出，最大程度的降低了對電機及帶式輸送機的損傷。變頻器的另一個重要用途是驗帶功能。帶式輸送機的日常檢修工作中一個很重要的任務就是在膠帶運行時檢修膠帶的磨損情況。但是，如果在滿速情況下很難清楚地看到膠帶的破損部位。該礦北部帶式輸送機使用的4套變頻調速裝置可以設置兩種頻率啟動。在現場的應用中，將第一個頻率設置為40Hz（根據采區煤量的多少自行調節）、第二個頻率設置為10Hz，對應4.5m/s的滿速速度，能夠實現接近0.9m/s的驗帶速度。與使用耦合器作為傳動裝置相比，空載時電耗僅為50%，重載時節省30%。
8 礦用隔爆兼本質安全型帶式輸送機交流軟啟動器
國內現有的幾種煤礦用帶式輸送機的交流軟啟動器都是開環系統，雖然系統簡單、便于安裝維護，但是啟動性能達不到要求，無法兼顧輕、重載下的啟動性能。為此，兗州礦業（集團）有限責任公司研制出了礦用隔爆兼本質安全型帶式輸送機交流軟啟動器，采用電流內環和速度外環組成的雙閉環控制系統，使得控制系統能夠自動適應現場負載變化的要求。
國內煤礦目前所使用的帶式輸送機大多為多電機多點驅動的方式，井下采取直接啟動的方式時都使用延時順序啟動的方法，使幾臺驅動電機分時啟動，以避開啟動電流。由于軟啟動器可以對啟動電流進行有效的控制，啟動時允許幾臺軟啟動器同時啟動。為了使幾臺電機的負載平衡，此項成果的軟啟動器采用主從控制方式。即定義其中一臺軟啟動器為主機，其余為從機，軟啟動器的速度和加速度控制由主機完成，從機跟蹤主機的狀態，并達到平衡電流的目的。
在實際的運用中，多點驅動的帶式輸送機2個驅動點之間的距離有可能達到1km左右。為了保證電流平衡控制信號的可靠傳播，采用可靠的V/F和F/V轉換技術，有效地抑制了干擾信號，并且避免了長距離傳輸中的信號衰減問題。由于選用了全數字控制系統，對電機的保護更加可靠。
根據現場的調研結果，設計中選用了電源缺相、過電流、電機過載、電機過速、散熱器過熱、丟失脈沖、速度反饋故障、交流同步失敗等多項保護功能。目前井下使用的帶式輸送機電壓大多為1140V和660V，設計考慮了2種工作電壓可以互換，使軟啟動器通用性強。他們采用抽屜式芯架連接方式，所有部件和元器件都安裝于芯架之上，進出動力線、信號線與接線腔中的穿墻端子相連，解開連接后整個芯架可以整體抽出，便于井下維修與更換。
9 可控啟動功能的帶式輸送機驅動裝置
在現行標準中，帶式輸送機的起制動加速度應為0.1～0.3m/s2。但是，隨著輸送機的運輸距離越來越長、啟動設備的功率和額定電壓越來越高以及設備控制技術的發展，這個數值已不適合現在帶式輸送機運行的需要。兗州礦業（集團）公司濟寧二號煤礦通過動態的狀態分析，認為長距離、路線復雜的帶式輸送機最好采用CST這樣具有可控啟動功能的驅動裝置，使輸送機按照或基本按照設定好的理想啟動曲線進行啟動，以減小輸送帶及承載部件的動態載荷。
①CST控制啟動原理。膠帶輸送機的加速度啟動時間可在40～300s范圍內根據要求設定，PLC程序中的缺省時間設置為60s。不同的啟動時間會產生不同的加速頻率，但加速度曲線仍是正弦曲線。在CST控制中，不光有可變的時間，還能進行最終速度控制。最終速度可設定為正常速度10%～50%。這是為了進行檢修和驗帶用的，長時間慢動會影響到CST的油溫，超過溫度會使CST停止運行。在帶式輸送機啟動和運行階段，CST都能使幾個驅動之間達到負荷平衡，以便使帶式輸送機上所有部件負荷和應力最小，使各臺驅動電機達到負荷均勻分配。這是通過PLC程序里多個PID控制回路來實現的。CST運行控制由軟件中的速度控制、加速度控制、壓力控制和功率控制4個PID回路組成。CST通過PLC對這4個PID的優化調控最終達到程序設定的啟動曲線。
②CST控制啟動優點。CST可用來對啟動階段加速度進行控制，使膠帶動態漲緊力減至最小。在空膠帶或滿載膠帶啟動時，通過控制加速度斜率可得到滿意結果，使峰值暫態漲緊力減到最小。在大型帶式輸送機運用中，加速度斜率中如加入一段緩沖，還能進一步改善啟動瞬間峰值張力。在緩沖階段可使原來松弛的膠帶拉緊，所有元件在加速度和力矩增大之前以低力矩和低速度進入運行條件，這樣可消除膠帶過大的張力。CST控制啟動的另一個優點是帶式輸送機的電機可在空載狀態下啟動，盡可能避免沖擊電流，使電機沖擊電流造成的損害減到最小。
10 CST裝置性能特點分析
CST裝置是一種新型的機電一體化軟啟動裝置。山東科技大學和兗州礦業（集團）公司南屯煤礦根據使用實踐對其技術性能特點進行了分析研究。
輸送帶是具有粘彈性的彈性體，帶式輸送機系統可以認為是彈簧—質量系統。若運輸系統的啟動時間過短、啟動加速度過大，膠帶產生的動張力就越大，瞬間引起的沖擊力也越大，就會加快托滾筒及其它部件的損壞，縮短膠帶的使用壽命。可控啟動就是對啟動時間和啟動加速度進行控制，把加速段、減速段的膠帶張力及瞬間值減至最小，以延長帶式輸送機膠帶及其它不見的使用壽命。
此項研究認為，CST裝置的主要優點是：可以降低輸送帶的張力、電動機的功率，減少了初期的投資;平衡精度達到±2%，反應時間為5～100ms，實現了功率平穩;保護功能齊全;傳動系統的功率可以達到99%;降低了對膠帶安全系數的要求，但安全度不變;離合片之間的流動為層流流動，粘制力和離合器片之間的距離關系為線性關系，可調帶速為10%～99%，可以精確控制輸送機的運行狀態。其主要缺點是：調速系統與減速器合為一體，體積大、安裝不便;控制系統復雜，維護量較大;在高速軸上配置逆止器和制動器比較困難;價格昂貴，備品備件要進口。此外，在使用中經常有CST控制箱的所有按鈕都不起作用、CST系統的潤滑壓力上不來、CST的復位按鈕不起作用、CST的冷卻壓力上不來、CST的輸出軸速度不顯示和CST高溫等故障。
11 CST裝置在濟二煤礦的應用
兗州礦業（集團）公司濟寧二號煤礦為南、北兩翼生產，兩翼均采用強力帶式輸送機進行原煤運輸。北翼帶式輸送機設計參數為：運距1850m，運量2000t/h，帶寬1200mm，帶速4m/s，驅動功率為2：2配置的4×351kW。帶式輸送機采用了美國道奇公司生產的CST（controlled start transmission）裝置，很好地實現了帶式輸送機的軟啟動。
帶式輸送機使用多臺CST的時候，驅動電動機在啟動膠帶之前空載啟動，當電動機達到額定的轉速以后，通過控制系統增加離合器的壓力并緩慢地讓輸送帶張緊、啟動、加速至全速。通過對啟動時候的調整，輸送帶的安全系數可以由原先的10降至6.5，節約了成本，特別是降低了膠帶的耗損率，僅在帶式輸送機改造的時候才更換過一次膠帶，節約膠帶費用約600萬元。由于電動機為空載啟動，減小了啟動對電動機的影響。該膠帶的電動機多年來未更換過，運行狀態一直良好。
CST裝置可以控制帶式輸送機的停機曲線，由于增加了停機時間，輸送帶在停機過程中的動態張力可以減至最小。此種特性極大地減輕了長距離、大運量帶式輸送機對帶式輸送機張緊裝置的要求，使用普通的張緊裝置就可以。通過該裝置對帶式輸送機的保護作用，延長了帶式輸送機各種部件的使用壽命，保障了工作面的正常生產。另一方面，由于煤礦井下的煤塵比較多，在呼吸器和籃網過濾器等裸露部分，煤塵雜質比較容易進入，影響了壓力油的性能和各過濾器、閥件的使用壽命。此外，該設備屬于國際上在帶式輸送機軟啟動方面技術先進的設備，使用之前一定要進行職工培訓，才能夠提高日常維護的技能。
12 CST可控啟動系統在濟三煤礦的應用
兗州礦業（集團）公司濟寧三號煤礦2臺帶式輸送機采用CST作為軟啟動傳輸裝置，配備美國羅克韋爾道奇公司CST減速器、天津天寧公司TK200監控系統和中國礦業大學YZL型液壓自動張緊裝置，整個系統由PLC控制。
TK200監控系統與CST系統配合可完成帶式輸送機的軟啟動和軟停車。帶式輸送機啟動過程為：按下TK200控制系統啟動按鈕，帶式輸送機開始預警，經過2s后膠帶張緊;系統收到張緊返回信號后，間隔3s依次啟動3臺主電動機;如果沒有故障信號，則發出CST運行信號，帶式輸送機開始啟動直至滿速4.5m/s。正常停車時，控制系統可實現膠帶停止而主電機不停，減少了主電機頻繁啟動。
CST可控啟動傳輸系統是用于大慣性負載平滑啟動的多級減速齒輪裝置，主要結構包括減速齒輪箱、潤滑系統、冷卻系統和基于可編程控制器（PLC）的控制系統。輸入軸的斜齒輪將電機旋轉運動傳遞到太陽輪上，并通過太陽行星輪的嚙合將運動傳遞到與行星輪一體的輸出軸上。旋轉板（動摩擦片）在外圈方向上通過鍵槽固定在齒圈/制動盤上，并隨齒圈/制動盤同步旋轉。靜摩擦片在內圈方向上通過鍵槽固定在輸出軸體上。內外兩層摩擦片交叉分布，相互隔離。調整環形活塞上的液壓，可控制摩擦片之間的壓力，并導致摩擦片的間隙產生變化。當環形活塞上未施加控制壓力時，齒圈/制動盤處于自由運動狀態，CST不傳遞運動;若環形活塞上施加的壓力能提供足夠的啟動力矩時，帶式輸送機直接啟動。該礦帶式輸送機有多種軟啟動方式，相比而言，CST有以下優點：在傳動穩定階段與液力偶合器不同，其反應盤象液壓制動器一樣安全鎖住，不會產生滑差，沒有效率損失;系統運行穩定。
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