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带式输送机的调速节能分析与验证

[发布日期:2018-05-09 17:45:00 浏览量:29 文章来源:http://www.zds66.com]

    在实际生产中,大多数带式输送机启动后,以额定的速度运行,而煤矿开采的非确定性使得带式输送机煤料的填充率不能保持稳定,导致带式输送机处于空载、轻载的运行情况,使带式输送机的驱动电机不能工作在最佳状态,耗费大量电能,增加企业的生产成本。 目前大部分煤矿都没有根据煤料的填充率实现带速的匹配控制,针对带式输送机普遍存在的能量损耗的情况,探索控制方法,根据煤料的填充率来调节带式输送机的带速,从而使带式输送机工作在最佳状态,实现带式输送机的节能运行。

1、带式输送机的力学分析

    根据带式输送机产生阻力来源不同,将带式输送机的 运行阻力 FU 划分为主要阻力 FH、附加阻力 FN、主要特种阻力 FS1、附加特种阻力 FS2和倾斜特种阻力 F主要阻力: 由托辊、运输带和物料产生的在带式输送 机直线、水平和稳定运行条件下的阻力。主要阻力的计算 公式: FH = fL[qRO + qRU + ( 2qB + qG) cosδ]g 式中,FH 为主要阻力,N; f 为模拟摩察系数,通常取 0. 020; L 为带式输送机长度( 头尾滚筒的中心距) ,m; qRO 为带式输送机承载分支每米机长托辊旋转部分质量,kg; qRU为带式 输 送 机 回 程 分 支 每 米 机 长 托 辊 旋 转 部 分 质 量, kg; qB 为每米运输带的质量,kg; qG 为运输带上每米物料的质量,kg; δ 为安装的倾斜角度,当 δ≤18° 时,cosδ≈1; g 为重力加速度,g = 9. 81m /s2。 附加阻力: 产生在运输机个别位置的摩擦阻力和惯性阻力。采用附加阻力系数计算附加阻力。


附加阻力的计算公式为: FN = FbA + Ff + FI + Ft 


( 2)式中,FN 为附加阻力,N; FbA 为被运输物料与运输带 间的惯性阻力和摩擦阻力,N; Ff 为被运输物料与导料槽 间的摩擦阻力,N; FI 为运输带绕径滚筒的缠绕阻力,N;Ft 为非传动滚筒轴承阻力,N。对长度大于 80m 的带式输送机,为了简化计算,定义附加阻力系数为: C = ( FH + FN) /FN 

( 3)从而得出,主要阻力与附加阻力值和为: FH + FN = CFH 附加阻力系数为带式输送机长度的函数。主要特种阻力: 主要是托辊前倾的附加摩擦阻力、带式输送机设导料槽时的被运输物料与导料槽的摩擦阻力。 主要特种阻力 FS1的计算公式: FS1 = Fε + Fgl 式中,FS1为主要特种阻力,N; Fε 为托辊前倾的附加摩擦阻力,N; Fgl 为被运输物料与导料槽间的摩擦阻力, N。 附加特种阻力: 主要是清扫器与运输带产生的摩擦阻 力、犁式卸料器的摩擦阻力及卸料车的摩擦阻力等。

附加特种阻力 FS2的计算公式: FS2 = Fr + Fp 式中,FS2为附加特种阻力,N; Fr 为运输带清扫器的摩擦阻力,N; Fp 为犁式卸料器的摩擦阻力,N。 

倾斜阻力: 大倾角皮带输送机的物料提升和下降阻力。 运输机向上提升时,倾斜阻力为正值; 向下运输物料时, 倾斜阻力为负值。

倾斜阻力 FSt的计算公式: FSt = qGHg 式中,FSt为倾斜阻力,N; H为带式输送机受料点和卸料点的高度差,m。 对于长距离带式输送机来说,考虑附加阻力系数 C≈ 1,特种主要阻力 FS1以及特殊附加阻力 FS2要远远小于主要 阻力 FH 和倾斜阻力 FSt,并考虑 cosδ≈1,则运输机总的运 行阻力可以近似地表示为: FU ≈ FH + FSt = fL[qRO + qRU + ( 2qB + qG) ]g + qGHg = fLg( qRO + qRU + 2qB) + gqG( fL + H) = FUK + gqG( fL + H) 其中, FUK = fLg( qRO + qRU + 2qB) 为运输机的空载运行阻力,对于一个特定的运输机,由于各个参数都为定制,所以FUK是一个不变的值。 


2 带式输送机运输系统的节能分析


式中,qG 是胶带上每米物料的质量,在实际生产中,它是一个变化的量,其变化范围为 0 ~ qGN(qGN为胶带上每米物料的额定质量),若定义填充率: ρ =qG/qGN×100% 可见,填充率ρ的变化范围为 0% ~ 100%。将填充率代入式( 8) ,得: FU = FUK + kρ 式中,k = g( fL+H) qGN,对于特定的带式输送机,它是一个不变的系数。带式输送机的总阻力主要是由是由空载 阻力和物料所产生的阻力组成,空载阻力由运输机本身决定,物料所产生的阻力由物料填充率来决定。当带式输送机匀速运行时,驱动滚筒所需的功率为 PGT= FUv 式中,PGT为驱动滚筒所需的功率,kW; FU 为带式输送机的运行阻力( 驱动滚筒的阻力),kN; v 为带式输送机 的带速,m /s。 将式( 11) 代入式( 12) 有: PGT = ( FUK + kρ) v = PK + PWL 

可见,驱动滚筒所需的功率由两部分组成,其一为 PK = FUKv 是为克服空载阻力所需的驱动功率,称为空载功率; 其二为 PWL = Kρv 是为克服物料( 有效载荷) 阻力所需的驱动 功率,称为载荷功率。它们均和带式输送机的带速有关。 下面分两种情况分别讨论输送机节能运行的途径。


1) 当带式输送机空载时。当带式输送机空载,也就是带式输送机的填充率 ρ = 0 时,由式可知带式输送机滚 筒的驱动功率为 PK = FUK v,对于特定的带式输送机,空载运行阻力FUK为定值,可见空载功率 PK 和带速成正比,减小带速就可以减小带式输送机的驱动功率,所以空载时为了节能可以降低带式输送机的带速。


2) 当带式输送机有载时。带式输送机有载,也就是带式输送机的填充率 ρ> 0,由式 知,当填充率一定时,带式输送机滚筒的驱动功率 PGT和带速成正比,在 ρ<1 的情况下也可以通过减小带速来实现节能。 

3、带式输送机运输系统的节能验证 

3. 1带式输送机运输系统的组成为了研究带式输送机的节能效率,依托带式输送机实 验装置进行验证。带式输送机的实验装置组成如图 1 所示。 

图 1 带式输送机实验装置组成框图 


    在图1中,带式输送机使用四台变频调速三相异步电动机进行驱动,电动机的型号为 P901-4,额定功率1. 5kW;变频器的型号为 PF753,容量为 7. 5kW,改变变频器的频率可以改变变频调速三相异步电动机的输出转速; PLC使用罗克韦尔公司的1768 系列;转矩传感器型号为 JD -DN,用于检测变频调速三相异步电动机的转速和此电动机所需的制动力矩。磁粉制动器的型号为 CZ-5,最大制动转矩为 50N•m;磁粉制动器的阻力模拟载荷在运输过程中的阻力,通过调节它的励磁电流来实现载荷阻力的控制磁粉制动器励磁电流的范围是 0 ~ 2A;上位机采用 Factory TalkView 软件开发,上位机的作用是显示不同填充率对应带式输送机的转速及消耗的功率。所以,该实验装置模拟带式输送机在空载和不同载荷下,可以算出煤料的填充率、带式输送机的速度及消耗的功率。

    在实际生产中,带式输送机不能停止运行,本文中规定带式输送机的空载频率为 10Hz。当填充率为 0% ~ 30% 时,带式输送机处于轻载状态,此时带式输送机的运行频 率为 22Hz;当填充率为 30% ~ 75% 时,带式输送机处于重载状态,此时带式输送机的运行频率为44Hz;当填充率为75% ~ 100%时,带式输送机处于满载状态,此时带式输送机的运行频率为 50Hz。


3.2、Fuzzy-PID 控制器的设计

    Fuzzy-PID具有较大的滞后性、非线性、时变性的特点,而带式输送机也具有此特点。所以采用 Fuzzy - PID控制来实现填充率与带速的关系。根据带式输送机皮带秤测量的载荷重量,计算出填充率,确定主驱动电机的速度,然后此速度作为从电机的输入速度,从电机的扭矩传感器测得从电机实际的转速,取 速度偏差的绝对值和偏差绝对值作为控制器的输入,控制器的输出就是带式输送机的转速。带式输送机的 Fuzzy-PID 控制器原理框图如图 2 所示。 

图 2 带式输送机的 Fuzzy-PID 控制器原理框图


由图 2 可知,设备采用的扭矩传感器的量程为 0 ~ 5V,填充率的范围 0% ~ 100%,填充率的范围和扭矩的范围成正比例关系。设定 E,EC 和 PID 参数的 Kp,Ki 和 Kd 的 模糊控制论域,采用四种不同的模糊语言变量进行描述:零( Z) 、小( S) 、中( M) 、大( B),四种不同的语言表示带式输送机在实际煤料填充率的工况下下带式输送机的运行 速度与给定速度之间的误差。为了 方便计算,输入偏差 E 、输入偏差变化率 EC和输入隶属度函数均采用线性函数。涉及模糊偏差E , EC 和 Kp,Ki 和 Kd 的论域所对应的模糊语言变量的隶属函数分别为图 3、图 4 和图 5 所示。根据 PID 控制的基本原理,比例系数 Kp 的作用在于加快系统的响应速度,提高系统调节精度; 积分系数 Ki 的作 用在于消除系统的稳态误差; 微分系数 Kd 的作用在于改善系统的动态特性。根据以上控制规则设计的 Fuzzy-PID 控 制规则见表1。 


图 3 输入变量 “ E ” 


3. 3、实验曲线 根据设计 Fuzzy-PID 控制器,利用上位机软件,可以清晰的看到带式输送机的填充率、速度和所消耗的功率曲线。在不同的填充率下,速度不同,消耗的功率也不同,能达到预期的节能效果。长距离大倾角皮带输送机设计方案


4、结束语 

    本文通过对煤矿带式输送机所受的运行阻力的分析,给出了带式输送机节能方法,采用 PLC 控制技术,针对带式输送机非线性、时变性的特点,利用实验室的模拟带式输送机装置,采用 Fuzzy-PID 理论设计带式输送机的控制系统,根据煤量的填充率,实现了对带式输送机带速的调节,并利用上位机软件 FactoryTalk View 进行实时监控。此控制系统不仅实现了节能,还延长了带式输送机的使用寿命。