带式输送机电液并联式混合驱动系统的研究

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(太原理工大学机械工程学院， 山西太原 030024)

引言

作为煤炭、港口等行业首选的输送机械，带式输送机是用于散装物料输送与装卸的重要设备。随着社会经济的快速发展，带式输送机正在朝着长距离、高带速、大功率、大运量方向发展。驱动装置是带式输送机重要的组成部分，对带式输送机安全、稳定和高效的运行具有重要影响。

目前，带式输送机常用的驱动装置主要有调速型液力偶合器驱动、CST驱动、液压马达驱动、交流电动机变频调速驱动、差动变频无级调速驱动等[1]。邹铁汉[2]提出了调速型液力偶合器驱动系统，然而调速型液力偶合器动态响应速度较慢， 其性能指标及精度要求不能满足大功率带式输送机驱动控制的要求。章军等[3]、孙晓[4]提出了CST驱动系统、液压马达驱动系统。但CST驱动装置存在体积庞大、安装不便、结构复杂且维护困难，后期运行成本高等问题。液压马达驱动系统价格也比较贵，其应用受到了一定的限制。苗继军等[5]、张卫良等[6]提出了交流电机变频调速驱动系统、差动变频无级调速驱动系统。变频调速需要解决电气方面的一系列问题，以及大功率变频电机驱动系统造价较高，易产生机械谐波，其应用受到一定的限制。差动变频无级调速技术是采用行星轮传动作为差动元件的双电机驱动方式，但这种驱动方式蜗轮蜗杆易胶合失效，散热存在薄弱环节，这是要进一步解决的问题。

综合比较，对以上各驱动系统的性能分析，鉴于变频调速调速精度高、起动转矩大、起动电流小、工作效率高，以及液压马达驱动能减小对带式输送机各部件的冲击等优点，本研究提出了一种采用交流电机变频调速驱动作为主驱动，液压马达作为辅助驱动的并联式[7]混合驱动装置，并进行从启动到稳定运行过程动态特性分析。

1 电液并联式混合驱动系统分析

1.1 差动行星齿轮机构

差动行星齿轮机构[8]具有二自由度，能将两动力源的动力进行合成，其功率流传递路线如图1所示。

图1 功率流传递路线图

差动行星齿轮机构的转速、转矩、功率关系如下：

(1)

式中，ωs，ωr，ωh分别为太阳轮、齿圈、行星架的角速度；Ts，Tr，Th分别为太阳轮、齿圈、行星架的转矩；k，q为行星齿轮机构传动的特性参数。

1.2 系统设计原理及特点

根据差动行星齿轮机构能实现动力合成的原理，本研究设计了一种将电机、液压马达并联混合驱动带式输送机启动的驱动系统，其原理如图2所示。

该系统具有如下特点：

(1) 带式输送机空载启动时，仅靠主电机就能完成带式输送机的启动；

(2) 为了满足满载启动等极限工况，主电机的装机功率远大于稳定运行所需要的功率，导致电机长期工作在低效区，因此，在主电机上并联1个液压马达，作为辅助动力源，可使主电机的装机功率降低，极大的减少能耗。在启动前，将蓄能器组充满油液，启动时蓄能器组释放能量驱动液压马达工作；

(3) 通过差动行星齿轮机构实现主、辅驱动装置的功率、转速、转矩的合成，主驱动采用变频调速，辅助驱动利用PID校正[9]来提高控制精度，实现带式输送机“S”形速度曲线的软启动。

1.电动机 2.变频器 3.液压马达 4.蓄能器组 5.电液换向阀6.差动行星轮系 7.减速器 8.滚筒 9.带式输送机图2 带式输送机电液并联式混合驱动原理图

2 动力元件的工作原理及数学模型分析

2.1 变频调速控制原理

变频器通过改变电动机的供电频率和电压，从而达到对电动机的无级调速。其核心是通过调整IGBT的频率和导通角的大小来改变输出的电压和频率。在交流电机变频调速系统中，恒压频比控制是最常用的一种变频调速控制方法。通过使U/f1恒定，从而使主磁通保持不变。

U/f1曲线的数学表达式[10]为：

(2)

式中，UN为电动机额定电压；fN为电动机额定频率；U0为初始电压补偿值。

变频调速的基本原理如下表达式所示：

(3)

式中，n为电动机转速；f1为定子供电频率；np为极对数；s为转差率。

由式(3)可知，只要改变异步电动机的供电频率f1就可以任意调节调节同步转速n1，从而实现异步电动机的平滑无级调速。

2.2 液压马达数学模型

液压马达流量连续性方程[11]为：

式中，Qm为液压马达输入流量；Cim,Cem分别为内、外泄漏系数；Dm为液压马达排量；θm为液压马达轴的转角；V0为液压马达两腔及连接管道总容积；βe为有效体积弹性模量。

液压马达与负载的力矩平衡方程为：

式中,Jm为液压马达和负载折算到马达轴上的总惯量；Bm为液压马达和负载的黏性阻尼系数；G为负载的扭转弹簧刚度；TL为作用在马达轴上的任意负载力矩。

2.3 蓄能器的数学模型

气囊式蓄能器适用于各种大小型液压系统，其主要参数有充气压力p0、充气体积V0、公称压力pr、最高工作压力p1和最低工作压力p2。蓄能器在工作过程中，根据波义耳定律，则：

常数

(6)

式中,V1为p1时的气体体积；V2为p2时的气体体积；n为气体多变指数，等温过程为1，绝热过程为1.4。

作为辅助动力源的蓄能器，根据经验公式，一般推荐p2=(0.6～0.85)p1，为使蓄能器的总容积最小，一般取p0=0.471p1。

当蓄能器排油速度很快(1 min及以内)，用于辅助动力源时，可按绝热过程计算[12]，此时蓄能器的工作容积为:

(7)

3 系统仿真分析

3.1 模型参数确定

本研究针对带式输送机从启动到稳定运行阶段的过程，以AMESim软件为平台，利用动力传动库、机械库、液压库和信号库中的元件建立了包括交流电机变频调速主驱动、液压辅助驱动、带式输送机模型和机械传动装置在内的带式输送机电液并联式混合驱动系统模型，并对其进行仿真分析。为简化分析，忽略液压马达的泄漏及管道中的压力损失等因素。图3和表1为带式输送机启动过程的仿真模型和主要仿真参数。

图3 并联式电液混合驱动仿真模型

参数数值带式输送机全长/m1000带速/m·s-14弹性模量/N·mm-216000输送带质量/kg42输送带带芯质量/kg·m-125.6满载物料每米质量/kg·m-1243.1驱动滚筒直径/mm1000改向滚筒直径/mm630/1000摩擦阻力系统摩擦系数0.026启动曲线“S”形启动拉紧力/kN100电机额定转速/r·min-11500液压系统最高压力/MPa31蓄能器最低压力/MPa14.61蓄能器多变系数1.4液压马达转速/r·min-11000液压马达排量/mL·r-1200转速合成装置减速比4.598减速器减速比16.128

3.2 仿真分析

1) 交流电机变频调速单独驱动

设计带式输送机驱动装置装机功率时，一般是按照满载稳定运行工况下进行选取的；但为了满足满载启动这一极限工况下的功率要求，将会导致所选取电机的装机功率远大于稳定运行工况下所需要的功率。因此，对带式输送机满载启动到稳定运行进行仿真，仿真中检测启动过程中主电机功率，带式输送机速度的变化情况，如图4所示。

图4 变频调速驱动系统仿真

由图4可知,带式输送机从50 s开始启动，启动时间为60 s,采用变频启动的方式能够实现带式输送机按照“S”形速度曲线启动，并保持稳定运行。由功率曲线可知：满载工况下带式输送机启动功率远大于稳定运行的功率，大约高出50 kW，若按照此满载启动极限工况来选择电机，长久以来，将导致电机工作在低效区，浪费了电能。

2) 电-液混合驱动

为满足带式输送机满载启动的极限工况，依靠主电机和辅助液压马达共同驱动带式输送机，来完成带式输送机的启动过程；启动过程结束后，带式输送机所需驱动功率减小，液压马达退出工作，不再输出动力，靠主电机驱动带式输送机满载稳定运行。仿真中检测启动过程中主电机、液压马达输出功率，差动行星齿轮机构的转速、转矩合成情况、带式输送机速度的变化情况，如图5所示。

由图5可知，带式输送机从50 s开始启动，启动时间为60 s,在满载起动时，主电机和辅助液压系统功率之和达到满载启动所需要的功率，并实现了转速、转矩的合成，带式输送机能够实现“S”形速度曲线启动。而且,在120 s～160 s液压马达退出工作的过程中，控制调节主电机输出的功率、转速的上升，逐渐达到额定功率、额定转速，带式输送机速度不变，继续保持稳定运行。因此，通过启动过程的液压辅助驱动，主电机的装机功率减小，稳定运行后，主电机工作在额定功率下，提高了效率，降低了能耗。

图5 电液混合驱动系统仿真

4 结论

根据目前带式输送机驱动装置的优缺点,基于差动行星齿轮机构具有功率、转速、转矩合成的原理，本研究提出了一种带式输送机电液并联式混合驱动系统，分析了其工作模式，并以AMESim软件为平台，建立了带式输送机电液混合驱动系统的仿真模型，进行了驱动系统参数的选择和匹配，对仿真结果进行了分析。结果表明：所设计的电液混合驱动系统能够进行功率、转速、转矩的合成，使带式输送机按照“S”形速度曲线进行启动并保持稳定运行。由于液压辅助系统的作用，提高了系统的工况适应性，也使主电机的装机功率得到了降低，并长期工作在额定功率下，提高了主电机的效率，降低了系统能耗。