帶式輸送機(jī)目前正朝著大功率、長距離、大運(yùn)量、高速度方向發(fā)展，單機(jī)總功率達(dá)到5000 kW、輸送長度達(dá)到10km以上、運(yùn)量超過5000t/h、運(yùn)行速度超過5-6m/s的帶式輸送機(jī)已經(jīng)在煤礦得到實(shí)際應(yīng)用。對于大型帶式輸送機(jī)，除了要求合理確定驅(qū)動功率、數(shù)量與布置形式外，還必須解決輸送機(jī)的啟動問題。啟動過程是一個加速過程，其加速度由零增加到最大又下降到零，輸送帶發(fā)生黏彈性變形，處于不穩(wěn)定狀態(tài)而產(chǎn)生動張力。帶速越高、啟動時間越短，動張力也就越大，造成的瞬時沖擊也越大，嚴(yán)重時將會損壞輸送帶與其他原部件。如果有足夠長的啟動時間，并對啟動速度加以控制，使動張力降至最低，就可消除瞬時沖擊。如何合理地選擇大型帶式輸送機(jī)的軟啟動方式，成為煤炭技術(shù)人員面臨的實(shí)際問題。
1、大型帶式輸送機(jī)軟啟動的技術(shù)關(guān)鍵
傳統(tǒng)的電動機(jī)直接起動方式、電動機(jī)與簡易的限矩型偶合器聯(lián)合起動方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大型帶式輸送機(jī)的使用要求。如采用傳統(tǒng)的直接起動方式用于大功率、長距離、大運(yùn)量、高速度帶式輸送機(jī)時，由于起動時間為1-3s，起動加速度大于0.3 mls2，會產(chǎn)生如下問題：
(1)起動時打滑問題 由于大型帶式輸送機(jī)的長度和功率較大，如起動時間過短，易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。為了消除打滑現(xiàn)象保證有效起動，增大輸送帶與滾筒間的摩擦力，必須提高張緊裝置的初張力，由此相關(guān)連接部件的受力加大，對強(qiáng)度和剛度要求增加，提高了整機(jī)的初期投資。
(2)瞬態(tài)沖擊大的問題起動時產(chǎn)生的動態(tài)初張力達(dá)到數(shù)于與正常運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)張力，經(jīng)常出現(xiàn)的動態(tài)初張力降低了輸送帶的使用壽命，劇烈增加的動態(tài)初張力可能發(fā)生斷帶事故。為了保證輸送帶運(yùn)行可靠，必須提高輸送帶的強(qiáng)度等級，相應(yīng)加大了輸送帶的初級投資。同時，提高輸送帶的強(qiáng)度等級，還必須相應(yīng)加大滾筒的直徑，以滿足輸送帶最小彎曲半徑的要求，從而加大了機(jī)械加工件的初期投資。
(3)電動機(jī)功率增加問題 由于起動時間過短，起動力矩大，容易發(fā)生燒毀電機(jī)的事故，考慮電動機(jī)的選型時要相應(yīng)提高安全系數(shù)，增加了正常使用的能耗；此外，大功率電動機(jī)在較短的時間起動運(yùn)行，對周邊環(huán)境電網(wǎng)的沖擊大，其負(fù)面影響更是無法容忍。根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，起動加速度不得大于0.3 m/s2，當(dāng)帶式輸送機(jī)的起動加速度不大于0.3m/s2時，可有效減少整機(jī)的動載荷和瞬時沖擊，避免對輸送帶和其他元部件的損壞。
由此可見，啟動問題對帶式輸送機(jī)尤其是大型帶式輸送機(jī)來說，是一個關(guān)鍵的技術(shù)，它不僅對啟動性能產(chǎn)生直接影響，而且還可以降低輸送機(jī)的成本，因此必須對啟動加以控制。針對大型帶式輸送機(jī)的實(shí)際工況要求，理想的驅(qū)動裝置應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：
(1)起動時間可在一定的范圍內(nèi)調(diào)整，使帶式輸送機(jī)按照如圖1所示的速度曲線圖平穩(wěn)起動，并可實(shí)現(xiàn)滿載起動；
(2)起動加速度控制在一定的范圍內(nèi)，可有效降低起動時輸送帶的動態(tài)初張力，降低整機(jī)輸送帶的選用安全系數(shù)，有效地降低輸送帶的初期投資；
(3)在多機(jī)起動或多點(diǎn)中間起動時，可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)的功率平衡；
(4>電動機(jī)空載起動，降低對電網(wǎng)的沖擊；
(5)具有過載保護(hù)功能；
(6)帶式輸送機(jī)瞬時停車時，可以實(shí)現(xiàn)不停電動機(jī)，提高電動機(jī)使用壽命；
(7)帶式輸送機(jī)低速驗(yàn)帶運(yùn)行時，系統(tǒng)不會嚴(yán)重發(fā)熱導(dǎo)致停車故障，確保正常檢修工作。
2、軟啟動方式的合理選擇
目前已經(jīng)獲得應(yīng)用的有：液力調(diào)速裝置、差動輪系液黏調(diào)速裝置(簡稱CST)，變頻調(diào)速裝置、串電阻調(diào)速等方式。
(1)液力調(diào)速裝置主要由液力耦合器、電動執(zhí)行器、稀油潤滑系統(tǒng)與油箱等組成。其工作原理是：利用液體介質(zhì)來傳遞動力，通過調(diào)節(jié)液力耦合器工作腔內(nèi)充液量的多少來控制耦合器的輸出轉(zhuǎn)速。起動開始時，由電動機(jī)帶動泵輪空轉(zhuǎn)，然后由電動執(zhí)行器控制勺桿移動加入液體介質(zhì)，進(jìn)人工作腔的液體介質(zhì)逐漸增多，在高速旋轉(zhuǎn)的泵輪葉片帶動下，傳動介質(zhì)形成高壓高速液流，沖向渦輪葉片，帶動液力耦合器輸出軸逐漸轉(zhuǎn)動起來直至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。通過控制勺桿移動速度，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟起動控制。
(2)差動輪系液黏調(diào)速裝置（簡稱CST主要由行星齒輪減速器和控制行星輪系內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)速的控制機(jī)構(gòu)兩大部分組成，行星輪系中太陽輪與輸入軸連接，行星輪架與輸出軸連接，控制機(jī)構(gòu)控制的內(nèi)齒輪是浮動的，控制機(jī)構(gòu)由離合器和控制動、靜摩擦片間隙的電液控制元件組成。動摩擦片和內(nèi)齒輪固定在一起，可與內(nèi)齒輪一起轉(zhuǎn)動，靜摩擦片安裝在機(jī)架上，可做軸向運(yùn)動，動、靜摩擦片間充滿冷卻油。當(dāng)動、靜摩擦片間的油膜厚度和滑差速度不同時，形成作用于內(nèi)齒輪大小不同的剪切力，通過控制內(nèi)齒輪的旋轉(zhuǎn)速度，調(diào)節(jié)行星輪架與輸出軸的轉(zhuǎn)速。其工作原理是：當(dāng)離合器靜摩擦片不受壓力時，動、靜摩擦片間隙較大，通過油膜形成的剪切力幾乎為零；行星輪帶動自由浮動的內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動，但行星輪架與輸出軸不轉(zhuǎn)動。當(dāng)對離合器靜摩擦片施加壓力時，動、靜摩擦片間隙減小，動、靜摩擦片間隙通過油膜形成的剪切力逐漸阻止內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動，當(dāng)壓力達(dá)到額定值時，油膜間形成的剪切力使內(nèi)齒輪停止轉(zhuǎn)動，行星輪架與輸出軸逐漸轉(zhuǎn)動達(dá)到額定值。通過控制動、靜摩擦片間的油膜厚度和壓力大小，使輸送機(jī)按照設(shè)定的速度曲線平穩(wěn)起動。
(3)變頻調(diào)速裝置隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，以變頻調(diào)速為代表的近代交流調(diào)速技術(shù)有了飛速的發(fā)展。交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果以及在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的廣泛適用性，被公認(rèn)為是一種最有前途的交流調(diào)速方式，代表了電氣傳動發(fā)展的主流方向。變頻調(diào)速技術(shù)為節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量提供了至關(guān)重要的手段。
變頻調(diào)速技術(shù)為節(jié)能降耗、改善控制性能等發(fā)揮了重大作用。變頻調(diào)速裝置不僅具備了類似直流電機(jī)調(diào)速的優(yōu)異性能，而且隨著調(diào)速的控制理論發(fā)展，完全可以滿足恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的軟起動和調(diào)速的需求，軟起動性能非常理想。該裝置主要由IGBT、整流二極管、變頻器控制、散熱器、PLC控制器、觸摸屏等組成。其中變頻器的構(gòu)成：整流器、逆變器、中間直流環(huán)節(jié)、控制電路、保護(hù)電路。
3、優(yōu)缺點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能比較
(1)液力調(diào)速裝置優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，操作維護(hù)方便，制造維護(hù)成本低，基本達(dá)到起動時變速運(yùn)行。缺點(diǎn)：調(diào)速型液力耦合器本身的機(jī)械特性是非線性的，調(diào)速范圍小，在低速長期運(yùn)行時由于液體介質(zhì)處于紊亂狀態(tài)，因而它的控制特性精度較差，傳遞效率低，發(fā)熱較明顯，需要稀油冷卻潤滑系統(tǒng)與較大的油箱散熱空間。常用的液力調(diào)速裝置功率范圍大多在200 - 500 kW，國產(chǎn)設(shè)備投資10～20萬元，進(jìn)口或合資生產(chǎn)的設(shè)備投資30～60萬元，此類型產(chǎn)品適合對控制精度要求較低、技術(shù)力量較差、資金較少的用戶。
(2)差動輪系液黏調(diào)速裝置優(yōu)點(diǎn)是：①改善起動性能，實(shí)現(xiàn)慢速起動，實(shí)現(xiàn)多機(jī)驅(qū)動的功率平衡；采用CST的驅(qū)動裝置在微機(jī)系統(tǒng)控制下能滿足起動時帶式輸送機(jī)對加速度的要求，實(shí)現(xiàn)軟起動，減小輸送帶的動態(tài)張力。在電動機(jī)空載起動后，通過控制CST液黏離合器的壓力來控制CST的輸出扭矩來實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)滿載慢速起動，減小輸送帶的動態(tài)張力。起動過程平穩(wěn)，啟動時間長，起動時間隨帶式輸送機(jī)主參數(shù)在一定范圍內(nèi)可以任意調(diào)節(jié)，其形狀為S形；確保輸送帶起動加速度值≤0.3m/s2，使輸送帶起動張力控制在允許范圍內(nèi)；在多臺電動機(jī)驅(qū)動時，由于電動機(jī)的特性差異和傳動滾筒由于制造質(zhì)量、表面磨損等原因使?jié)L筒直徑不相等等因素，會使各電動機(jī)的負(fù)載不平衡。如果電機(jī)容量選擇沒有富裕的話，會使某些電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行。采用CST可以調(diào)節(jié)電動機(jī)的功率平衡，使電機(jī)的功率平衡達(dá)到98%。②降低對主電機(jī)的技術(shù)要求。主電機(jī)的每一次起動，都要經(jīng)歷一個過程，它包括溫度升高、濕度排除、經(jīng)受離心負(fù)載、絕緣化學(xué)物質(zhì)的損害等諸多因素。電機(jī)起動的時間愈長，起動時的峰值電流存在的時間愈長，則電機(jī)的溫升也愈大，這會使電機(jī)絕緣材料的熱老化程度加劇，導(dǎo)致絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度下降。CST可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)空載起動，縮短起動時間，這就大大降低了對主電機(jī)的技術(shù)要求，提高了電機(jī)的使用壽命。③降低對電源系統(tǒng)的要求。假如一臺大型帶式輸送機(jī)的多臺電機(jī)同時起動，會造成電源系統(tǒng)電壓的嚴(yán)重下降，這不僅影響電機(jī)的正常起動，而且會直接影響在同一電網(wǎng)上的其他用戶的正常工作。帶有CST的驅(qū)動裝置不僅能使電機(jī)空載起動、減小沖擊電流的作用時間和電能損失，而且還能實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的多臺電機(jī)分時空載起動，大大減小起動電流對電網(wǎng)的沖擊，降低對電源系統(tǒng)的技術(shù)要求。④可調(diào)驗(yàn)帶速度為10%～99%。由于CST是通過液體黏膜傳遞扭矩，之間并無剛性傳動，故具有過載保護(hù)功能，而且在輸送機(jī)短時停車時，具有可以不停電動機(jī)的功能。但其缺點(diǎn)是不能在低速長時間運(yùn)行，由于其加工精度要求較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，初期投資和維護(hù)成本高。常用的差動輪系液黏調(diào)速裝置功率范圍大多在500 -2 000 kW，該類型國產(chǎn)設(shè)備尚未成熟使用，主要依靠進(jìn)口廠商美國道奇CST提供，僅設(shè)備初期投資90 - 200萬元，此類型產(chǎn)品適合對控制精度要求較高、技術(shù)維護(hù)力量較強(qiáng)、資金較多的用戶。
(3)變頻調(diào)速裝置采用變頻軟啟動方式，具有如下技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)：①對于如此大功率的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)速來講，高壓變頻器設(shè)備成熟，控制可靠；②完全可調(diào)節(jié)啟動速度斜率，調(diào)速范圍廣，可最大程度滿足用戶的調(diào)速要求；③高壓變頻器在軟啟動、軟制動方面性能良好；④采用高壓變頻器節(jié)能效果明顯，無運(yùn)行功率損耗；⑤可以實(shí)現(xiàn)多臺驅(qū)動電機(jī)之間的功率平衡，精度較高；⑥可長時間保持在以低于額定帶速下的較低的速度運(yùn)行，可以滿足長運(yùn)距帶式輸送機(jī)的驗(yàn)帶要求。缺點(diǎn)是：①散熱問題：由于功率器件散熱約占整個變頻器所有散熱量的一半，大功率器件的發(fā)熱也是要解決的重要問題，它直接影響了變頻器的壽命。②防爆問題：由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特殊條件限制，許多變頻器不具備防爆條件，在一個密閉的防爆腔里如何迅速地將熱量傳遞出去并散發(fā)掉，既要兼顧到散熱問題的解決，同時還要兼顧到電磁兼容問題以及防爆結(jié)構(gòu)的需要。③價格昂貴，控制復(fù)雜，使用維護(hù)要求高。瑞士ABB變頻器、德國西門子變頻器的價格與CST的價格相當(dāng)。
4、結(jié)語
煤科總院上海分院近年來在大型帶式輸送機(jī)軟啟動技術(shù)應(yīng)用上取得了一系列成功可靠的業(yè)績，其中采用液力調(diào)速裝置為軟啟動的應(yīng)用業(yè)績較多，在甘肅、安徽、陜西、內(nèi)蒙古等地區(qū)有上百個應(yīng)用事例，獲得了用戶的較好評價，其產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益也十分顯著。
相關(guān)輸送機(jī)產(chǎn)品：
1、皮帶輸送機(jī)
2、刮板輸送機(jī)
3、斗式提升機(jī)
