矿用刮板输送机在外部动态载荷作用下的分析与研究

2020-10-14聂仕义

煤矿现代化 2020年6期

聂仕义

（同煤国电同忻煤矿有限公司，大同山西037001）

0 引言

众所周知，煤炭行业在我国国民经济中占有很重要的位置[1]。而煤矿开采过程中涉及的机械系统，由于其长期处于高负荷运行状态，其受到的外部载荷往往对设备使用寿命有很大的影响[2]。刮板输送机是煤矿开采系统中最常见的基本机械之一[3]。输送机的长度和安装方式（水平或倾斜）取决于矿区具体的地质条件，包括煤层的位置等等[4]。它们在工作过程中，载荷是不断变化的，而在实际过程中这种载荷的变化很难预测，且影响载荷的主要因素是由运输材料的体积决定的[1]。输送机驱动电机之间的链条张力和配合对动态载荷也有一定影响[5]。作者所工作过的绝大多数矿区的大多数输送机在启动阶段后以恒定速度运行。然而，最先进的传送带有可能配备频率传感器[3]。频率传感器的使用可以控制输送机的运动速度，即控制其输出功率。本文给出了在输送机载荷变化的情况下，驱动电机载荷变化的仿真分析结果。分析了电机（变频器设置的变化）频率变化对输送机运行动力学的影响。

1 SGD320型号的矿用刮板输送机仿真模型

本文研究的是SGD320型号的矿用刮板输送机（如图1所示），其性能指标见表1，由刮板输送机的物理模型和驱动电机模型组成（见图1）。物理模型由刚性固体、几何约束、弹性衰减元件建立。模型是在MSC中开发的Adams计算机程序，用于多体系统的运动学和动力学分析。在MatLab/Simulink软件环境下建立了电机模型。在定义了两种模型的输出/输入信号后，将用于控制输送机速度的频率传感器与电机模型相连接。然后使用联合仿真技术对输送机的运行进行仿真[3]，并且对煤矿中实际运行的SGD320型号的矿用刮板输送机进行了工程验证。

表1 SGD320型矿用刮板输送机主要性能指标

图1 刮板输送机仿真物理模型及系统

刮板链负荷的估算是一项艰巨的任务，甚至是不可能的，因为这种荷载具有随机性。刮板输送机在输送时，物料受到刮板链条在运动方向的压力及物料自身重量的作用，在物料间产生了内摩擦力。这种摩擦力保证了料层之间的稳定状态，并足以克服物料在机槽中移动而产生的外摩擦力，使物料形成连续整体的料流而被输送，使物料形成了连续整体的料流，对于数值试验，定义了连接到所选刮板中心的力F的矢量（图1）。然后将链条上部的载荷简化为运输的物料所产生的摩擦力。

2 仿真结果与讨论

在恒定长度的输送带上进行了数值模拟（在卸料端和回料端驱动滚筒中心之间的距离没有改变）。通过改变电机模型中频率传感器的设置来模拟电机主频率的变化。分别对25Hz、35Hz和50Hz频率进行了仿真。在每个频率下，输送机通过力矢量由0变为400kN，并跳跃式加载50kN。

图2 电压频率变化对电机电流变化的影响以及极高负载条件下应力数值分析结果

图2 （a）给出了在不同加载频率下电机的平均电流随负载值的变化情况，从图中可以看出，电机中的电流与其负载成正比，这意味着电机产生的转矩是平衡设定负载所不可缺少的。如图2（a）所示，研究还发现，在负载值较低时，提升频率似乎可以有效的降低平均电流，但是到负载值非常高时，例如负载值达到400kN时，虽然频率的提升依然可以微弱的降低电机平均电流，但是频率对电流的影响已经不显著，我们对比了负载为400kN时，三种频率对应的刮板输送机的数值结果，如图2（b～d）所示，可以看到，A、B、C、D表示刮板输送机出现较高应力的部位，这些部位在高负载值条件下，位置区别并不大，这也印证了图2（a）所显示频率对电流的影响已经不显著，也就是说，在工程实际中，在高负载情况下，调节电机的频率对改善刮板输送机链条张力的作用不显著。

图3 电机内的电流随负荷值的变化规律

此外，以电压评论为50Hz为例，加载力矢量从0增加到400kN，每次增加50kN，来改变外载荷。在模拟过程中，记录了驱动滚筒和转矩的电机电流。在图3中，给出了输送机卸料端（A）和回料端（B）处电机的最小、最大电流对输送机链条上部负荷的函数关系。可以看出，最大出料端和回料端的最大最小电流变化趋势具有一致性，且随着负荷值的增加，其与电流成线性关系，根据数据可以拟合出电流随符合变化的经验函数：

3 实际应用及效果

实际应用中，刮板链是刮板输送机的最核心部件之一，其在工作中承受的载荷往往是不稳定的（动载荷部分），基于上述研究规律，笔者在同煤国电同忻煤矿进行了相关的工程应用。

3.1 应用1——实现了对刮板输送机载荷的预测

通过检测在同煤国电同忻煤矿中SGD320型号的矿用刮板输送机电机电流，实现了刮板输送机刮板链所承受的物料重量（载荷）的直接预测。即，基于上述经验公式，本文笔者对实际运行中的刮板输送机在不同载荷时的电机电流进行了统计，具体的预测结果如下表2所示。

表2 不同工程与模拟负载值对电机电流变化的影响对比（以卸料端为例）

从表2可以看出，工程实际过程中的电机电流和公式预测出的结果具有极高的一直性。动态载荷对于电机电流的影响确实是线性的，本文得到的经验公式，对于SGD320型矿用刮板输送机的负荷以及电流的预测效果良好。本文所提出的经验公式被直接编程输入到电气控制柜中，也就是说，控制人员通过控制电脑可以远程的了解当下刮板输送机输送链的载荷状态，为专家诊断系统和后续维修提供依据。

3.2 应用2——动态载荷作用下的刮板链保护方法

此外，我们在煤矿的实际工程应用中，我们发现，电机产生的转矩之和（包括减速机的传动比）等于输送机运动阻力之和。

首先，对于SGD320型矿用刮板输送机来说，负载值相同时，频率越高，电机的平均电流越低。电机电压频率的降低（转速的降低）导致了输送装置在相同负载下电流的增加。例如，在控制SGD320型矿用刮板输送机安全工作时（电流约为265A），主频率为25Hz，其最大只能负载100kN，主频率为35Hz，其最大只能负载150kN，主频率为50Hz，其最大只能负载250kN。

也就是说，在工程实际操作环境中，当负载值在较低范围内时，控制主频率可以有效的保障刮板输送机的设备安全，但是当负载达到极高值时，控制主频率不能有效的保证刮板输送机的设备安全，需要考虑其他方案，例如，笔者在工作中，提出了过高负载的监测和保护方案。

图4 动态载荷作用下的刮板链保护方案

如图4所示，电机柜监测刮板输送机的电流信号，并对其负载进行预测，当预测的负载值没有达到极高值时，此时启动输送机速度的频率传感器对电机的转速进行调整，以在适应刮板链载荷的情况下，保护刮板链。当刮板链载荷预测值达到极高值时，要启动刮板链的保护装置，同煤国电同忻煤矿中SGD320型号的矿用刮板输送机新型链保护装置的结构如图3所示。靠近电机两侧的开关通过红外信号进行刮板链链条张力信号采集，并通过反馈信号对比刮板链是否发生断裂，若未发生断裂，此时需要降低刮板输送机目前的载荷，若发生断裂，需要立即停机发出报警，并随机启动应急预案。所以本文工作为刮板输送机的动态载荷预测以及不同载荷状态下的调节提供了切实可行的方案。