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皮帶式輸送機調速節能分析與驗證

[發布日期:2018-05-09 05:45:00 瀏覽量:178 文章來源:http://3392999.com]

    在實際生產中,大多數帶式輸送機啟動後,以額定的速度運行,而煤礦開采的非確定性使得帶式輸送機煤料的填充率不能保持穩定,導致皮帶式輸送機處於空載、輕載的運行情況,使皮帶式輸送機的驅動電機不能工作在最佳狀態,耗費大量電能,增加企業的生產成本。 目前大部分煤礦都沒有根據煤料的填充率實現帶速的匹配控製,針對皮帶式輸送機普遍存在的能量損耗的情況,探索控製方法,根據煤料的填充率來調節帶式輸送機的帶速,從而使帶式輸送機工作在最佳狀態,實現帶式輸送機的節能運行。

1、皮帶式輸送機的力學分析

    根據帶式輸送機產生阻力來源不同,將帶式輸送機的 運行阻力 FU 劃分為主要阻力 FH、附加阻力 FN、主要特種阻力 FS1、附加特種阻力 FS2和傾斜特種阻力 F主要阻力: 由托輥、運輸帶和物料產生的在帶式輸送 機直線、水平和穩定運行條件下的阻力。主要阻力的計算 公式: FH = fL[qRO + qRU + ( 2qB + qG) cosδ]g 式中,FH 為主要阻力,N; f 為模擬摩察係數,通常取 0. 020; L 為帶式輸送機長度( 頭尾滾筒的中心距) ,m; qRO 為帶式輸送機承載分支每米機長托輥旋轉部分質量,kg; qRU為帶式 輸 送 機 回 程 分 支 每 米 機 長 托 輥 旋 轉 部 分 質 量, kg; qB 為每米運輸帶的質量,kg; qG 為運輸帶上每米物料的質量,kg; δ 為安裝的傾斜角度,當 δ≤18° 時,cosδ≈1; g 為重力加速度,g = 9. 81m /s2。 附加阻力: 產生在運輸機個別位置的摩擦阻力和慣性阻力。采用附加阻力係數計算附加阻力。


附加阻力的計算公式為: FN = FbA + Ff + FI + Ft 


( 2)式中,FN 為附加阻力,N; FbA 為被運輸物料與運輸帶 間的慣性阻力和摩擦阻力,N; Ff 為被運輸物料與導料槽 間的摩擦阻力,N; FI 為運輸帶繞徑滾筒的纏繞阻力,N;Ft 為非傳動滾筒軸承阻力,N。對長度大於 80m 的帶式輸送機,為了簡化計算,定義附加阻力係數為: C = ( FH + FN) /FN 

( 3)從而得出,主要阻力與附加阻力值和為: FH + FN = CFH 附加阻力係數為帶式輸送機長度的函數。主要特種阻力: 主要是托輥前傾的附加摩擦阻力、帶式輸送機設導料槽時的被運輸物料與導料槽的摩擦阻力。 主要特種阻力 FS1的計算公式: FS1 = Fε + Fgl 式中,FS1為主要特種阻力,N; Fε 為托輥前傾的附加摩擦阻力,N; Fgl 為被運輸物料與導料槽間的摩擦阻力, N。 附加特種阻力: 主要是清掃器與運輸帶產生的摩擦阻 力、犁式卸料器的摩擦阻力及卸料車的摩擦阻力等。

附加特種阻力 FS2的計算公式: FS2 = Fr + Fp 式中,FS2為附加特種阻力,N; Fr 為運輸帶清掃器的摩擦阻力,N; Fp 為犁式卸料器的摩擦阻力,N。 

傾斜阻力: 大傾角皮帶輸送機的物料提升和下降阻力。 運輸機向上提升時,傾斜阻力為正值; 向下運輸物料時, 傾斜阻力為負值。

傾斜阻力 FSt的計算公式: FSt = qGHg 式中,FSt為傾斜阻力,N; H為帶式輸送機受料點和卸料點的高度差,m。 對於長距離帶式輸送機來說,考慮附加阻力係數 C≈ 1,特種主要阻力 FS1以及特殊附加阻力 FS2要遠遠小於主要 阻力 FH 和傾斜阻力 FSt,並考慮 cosδ≈1,則運輸機總的運 行阻力可以近似地表示為: 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) 為運輸機的空載運行阻力,對於一個特定的運輸機,由於各個參數都為定製,所以FUK是一個不變的值。 


2 皮帶式輸送機運輸係統的節能分析


式中,qG 是膠帶上每米物料的質量,在實際生產中,它是一個變化的量,其變化範圍為 0 ~ qGN(qGN為膠帶上每米物料的額定質量),若定義填充率: ρ =qG/qGN×100% 可見,填充率ρ的變化範圍為 0% ~ 100%。將填充率代入式( 8) ,得: FU = FUK + kρ 式中,k = g( fL+H) qGN,對於特定的帶式輸送機,它是一個不變的係數。帶式輸送機的總阻力主要是由是由空載 阻力和物料所產生的阻力組成,空載阻力由運輸機本身決定,物料所產生的阻力由物料填充率來決定。當帶式輸送機勻速運行時,驅動滾筒所需的功率為 PGT= FUv 式中,PGT為驅動滾筒所需的功率,kW; FU 為帶式輸送機的運行阻力( 驅動滾筒的阻力),kN; v 為帶式輸送機 的帶速,m /s。 將式( 11) 代入式( 12) 有: PGT = ( FUK + kρ) v = PK + PWL 

可見,驅動滾筒所需的功率由兩部分組成,其一為 PK = FUKv 是為克服空載阻力所需的驅動功率,稱為空載功率; 其二為 PWL = Kρv 是為克服物料( 有效載荷) 阻力所需的驅動 功率,稱為載荷功率。它們均和帶式輸送機的帶速有關。 下麵分兩種情況分別討論輸送機節能運行的途徑。


1) 當帶式輸送機空載時。當帶式輸送機空載,也就是帶式輸送機的填充率 ρ = 0 時,由式可知帶式輸送機滾 筒的驅動功率為 PK = FUK v,對於特定的帶式輸送機,空載運行阻力FUK為定值,可見空載功率 PK 和帶速成正比,減小帶速就可以減小帶式輸送機的驅動功率,所以空載時為了節能可以降低帶式輸送機的帶速。


2) 當皮帶式輸送機有載時。帶式輸送機有載,也就是帶式輸送機的填充率 ρ> 0,由式 知,當填充率一定時,帶式輸送機滾筒的驅動功率 PGT和帶速成正比,在 ρ<1 的情況下也可以通過減小帶速來實現節能。 

3、帶式輸送機運輸係統的節能驗證 

3. 1帶式輸送機運輸係統的組成為了研究帶式輸送機的節能效率,依托帶式輸送機實 驗裝置進行驗證。帶式輸送機的實驗裝置組成如圖 1 所示。 


圖 1 皮帶式輸送機實驗裝置組成框圖 


    在圖1中,帶式輸送機使用四台變頻調速三相異步電動機進行驅動,電動機的型號為 P901-4,額定功率1. 5kW;變頻器的型號為 PF753,容量為 7. 5kW,改變變頻器的頻率可以改變變頻調速三相異步電動機的輸出轉速; PLC使用羅克韋爾公司的1768 係列;轉矩傳感器型號為 JD -DN,用於檢測變頻調速三相異步電動機的轉速和此電動機所需的製動力矩。磁粉製動器的型號為 CZ-5,最大製動轉矩為 50N•m;磁粉製動器的阻力模擬載荷在運輸過程中的阻力,通過調節它的勵磁電流來實現載荷阻力的控製磁粉製動器勵磁電流的範圍是 0 ~ 2A;上位機采用 Factory TalkView 軟件開發,上位機的作用是顯示不同填充率對應帶式輸送機的轉速及消耗的功率。所以,該實驗裝置模擬帶式輸送機在空載和不同載荷下,可以算出煤料的填充率、帶式輸送機的速度及消耗的功率。

    在實際生產中,帶式輸送機不能停止運行,本文中規定帶式輸送機的空載頻率為 10Hz。當填充率為 0% ~ 30% 時,帶式輸送機處於輕載狀態,此時帶式輸送機的運行頻 率為 22Hz;當填充率為 30% ~ 75% 時,帶式輸送機處於重載狀態,此時帶式輸送機的運行頻率為44Hz;當填充率為75% ~ 100%時,帶式輸送機處於滿載狀態,此時帶式輸送機的運行頻率為 50Hz。


3.2、Fuzzy-PID 控製器的設計

    Fuzzy-PID具有較大的滯後性、非線性、時變性的特點,而帶式輸送機也具有此特點。所以采用 Fuzzy - PID控製來實現填充率與帶速的關係。根據帶式輸送機皮帶秤測量的載荷重量,計算出填充率,確定主驅動電機的速度,然後此速度作為從電機的輸入速度,從電機的扭矩傳感器測得從電機實際的轉速,取 速度偏差的絕對值和偏差絕對值作為控製器的輸入,控製器的輸出就是帶式輸送機的轉速。帶式輸送機的 Fuzzy-PID 控製器原理框圖如圖 2 所示。 


圖 2 皮帶式輸送機的 Fuzzy-PID 控製器原理框圖


由圖 2 可知,設備采用的扭矩傳感器的量程為 0 ~ 5V,填充率的範圍 0% ~ 100%,填充率的範圍和扭矩的範圍成正比例關係。設定 E,EC 和 PID 參數的 Kp,Ki 和 Kd 的 模糊控製論域,采用四種不同的模糊語言變量進行描述:零( Z) 、小( S) 、中( M) 、大( B),四種不同的語言表示帶式輸送機在實際煤料填充率的工況下下帶式輸送機的運行 速度與給定速度之間的誤差。為了 方便計算,輸入偏差 E 、輸入偏差變化率 EC和輸入隸屬度函數均采用線性函數。涉及模糊偏差E , EC 和 Kp,Ki 和 Kd 的論域所對應的模糊語言變量的隸屬函數分別為圖 3、圖 4 和圖 5 所示。根據 PID 控製的基本原理,比例係數 Kp 的作用在於加快係統的響應速度,提高係統調節精度; 積分係數 Ki 的作 用在於消除係統的穩態誤差; 微分係數 Kd 的作用在於改善係統的動態特性。根據以上控製規則設計的 Fuzzy-PID 控 製規則見表1。 


圖 3 輸入變量 “ E ” 


3. 3、實驗曲線 根據設計 Fuzzy-PID 控製器,利用上位機軟件,可以清晰的看到帶式輸送機的填充率、速度和所消耗的功率曲線。在不同的填充率下,速度不同,消耗的功率也不同,能達到預期的節能效果。長距離大傾角皮帶輸送機設計方案


4、結束語 

    本文通過對煤礦皮帶式輸送機所受的運行阻力的分析,給出了帶式輸送機節能方法,采用 PLC 控製技術,針對帶式輸送機非線性、時變性的特點,利用實驗室的模擬帶式輸送機裝置,采用 Fuzzy-PID 理論設計帶式輸送機的控製係統,根據煤量的填充率,實現了對帶式輸送機帶速的調節,並利用上位機軟件 FactoryTalk View 進行實時監控。此控製係統不僅實現了節能,還延長了帶式輸送機的使用壽命。