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煤矿井下大型带式输送机控制系统的设计应用
发布时间：2013-08-11 10:36 来源：未知
1、引言
带式输送机是煤矿最理想的高效连续运输设备，运行可靠，而且易于实现自动化、集中化控制，特别是对高产高效矿井，带式输送机已成为煤炭高效开采机电一体化技术与装备的关键设备。近年来随着双高工作面的出现以及采掘设备生产能力的大幅度提高和降低散料运输成本的要求，作为整机，带式输送机正迅速朝着长距离、大运量、高速度、大功率和广泛的适应性能方向发展，大型带式输送机在煤矿井下的应用也越来越广泛。
对长距离、大运量、大功率、高速度带式输送机来说，输送带张力过大和严重的波涌现象以及动力学现象是存在的主要问题，而解决问题并使其性能和运量最优化的关键是把加速、停车和运行时的输送带张力及其瞬态值减到最小，并实现张紧力的自动实时控制。目前，国内外均采用可控起动技术和自动张紧技术以满足上述要求。
国外大型带式输送机的设计技术已达到很高水平，有专用的带式输送机动态设计软件，进行动态分析和动态设计，既安全可靠，成本又低。我国从80年代起开始研制大型带式输送机，近年来国内对大型带式输送机的动态问题及可控软起动装置也进行了大量的探索，研制了一些适合大型输送机重载起动和传动的可控软起劝传动装置，如液体粘性软起动装置、调速偶合器、电软起动装置等，并得到了较好的推广和应用。
2、大型带式输送机的应用
东联公司在2001年-2002年生产制造的近十条大型带式输送机在平煤一矿、宁夏灵州磁窑�？�、神华上湾矿、大柳塔矿等煤矿投入使用，技术参数为：最大带宽为1400mm;最长距离为2386m,最大带速达5.1m／s；输送量达2500t/h；胶带倾角0°～15°；电机功率达2000Kw，上述胶带机均配有自动张紧装置和制动装置。
3、方案选择设计
3.1驱动装置
驱动系统是带式输送机最重要的部件，最好的大型带式输送机驱动系统应该具有便于对整个带式输送机的控制、显示优越的可靠性（驱动器本身的可用性）、减少对带式输送机上电器元件的要求、减少对带式输送机上机械元件的要求、允许对胶带的动力学和张力做适当的控制等功能。近年来对大型带式输送机的研制，除了提高输送带的强度外，主要是研制大型带式输送机的控制传动装置系统。目前，国内外均采用各种软起动作为关键技术，以实现上述功能，而且可控驱动装置的性能已成为了带式输送机技术是否先进的标志之一。其中CST可控起动传输系统是最为理想的专门设计用在大型带式输送机上的理想驱动系统，并得到了广泛的应用。
(1)可控软起动的形式及性能比较
能够实现软启动的设备可分为两种型式，即电气式和机械式。电气式主要设备有交流变频调速装置、晶闸管软启动器等；机械式主要设备有调速型液力偶合器、叫离合器、CST等。综合其应用情况分析，各有特点，如表1所示。
通过表1性能比较，CST系统是起动性能最好的一种可控软驱动装置。
(2)应用实例设计方案经济分析
以平顶山天安煤业股份有限公司一矿戊一三水平暗主斜井胶带输送机为例，在设计方案时我们对常用的几种软起动方式进行了对比分析，如表2所示。
通过表2可以看出，使用CST后，虽然CST自身的价格比其它高出很多，但整机价格基本持平，而且大大降低了运行费用，有着优异的运行价格比：
①输送带的初张力大大降低，胶带强度等级降低，胶带的费用降低1/4左右，胶带更换每年平均节约约31. 328万元，使用寿命也相应延长。
②装机功率大大减少，降低了耗电量，每年可节约电费29.4万元。 ，
③元部件如滚筒、机架等规格小型化、通用化，重量减轻，简化了零部件的加工制造，方便了运输、安装及维修，节约了资金；由于体积大大减小，峒室开挖量相应减小，减少了相应的施工工作量和施工难度，减少了土建费用。同时元部件的受力状况得到改进，提高了寿命和可靠性。
④减低了对电控的要求，减少了整机的电控费用。
根据长距离、大运量、大功率、高速度带式输送机的要求，为了提高产品档次、技术性能以及经济性等，考虑CST优异的性能价格比，使用寿命达15 - 20年，不需备件，可用性系数超过98%，维护费低，停机造成的损失低等优点，最终采用了CST可控传输系统作为该机的驱动系统。
(3)CST的主要结构、工作原理
CST装置是美国道奇公司生产的专门为带式输送机研制的一种驱动装置，它是将行星齿轮减速器的内齿圈与湿式摩擦离合器组合而成，通过比例阀及控制系统来实现软起动与功率平衡，调节精度达98%以上，是一种典型的集机、电、液、微电子为一体的高科技技术产品。主要由机械传动系统、电液控制系统、油泵站系统、冷却控制系统、热交换系统、润滑系统等组成，机械传动系统由行星齿轮减速器，线形湿式离合器，液压控制系统组成。利用离合器中主、被动件之间的油膜剪切作用来传递动力，实现主、被动轴的同步运行和无级调速，并对传动系统具有过载保护功能。而且可以利用电液控制，通过改变摩擦片之间的油膜厚度，对输出轴的速度和传递的扭矩进行控制，实现对输出轴的无级调速。
监控系统的内容主要有：油箱温度，冷却液的流量或压力，离合器温度，润滑油的压力，离合器组件液压压力，输入速度和电网频率，输送带速度、输送带运行张力等。监视输入速度和电网频率可通过电机的滑差近似得到电机功率，采用串联式PID控制器控制各驱动装置速度及输出力矩，实现功率平衡，在较低速度下，也能实现精确的力矩控制。电气监控系统包括动态跟踪起、制动特性曲线，系统运行参数、信号、故障�；さ仁菔凳辈杉�，各驱动器的输出控制；单机自动化、单机检修慢速运行，单机手动运行。系统采用人机界面，大屏幕触摸式显示屏，实时动态显示运行画面，可软件修改的触模式开关，便于调试、操作，软件设备多级保密，便于管理。
采用CST可控软启动驱动装置，可大大改善整机运行性能，有较好的经济性，具有如下特点：
①电动机空载起动，减小了对电网的冲击，延长了电机的使用寿命。具我们观察，560KW的主电机起动电流仅在1秒钟之内即降至额定电流。双电机又分时段起动，大大降低了起动电流，既有利于电机又利于电网。在运行中如需暂短停机，可以只停胶带，而不停电机，减少了电机频繁起动的次数，延长了电机的使用寿命。
②加速度和减速度的斜率平缓，改善了胶带起动和停止的张力冲击，因为起动加速时间足够长（起动时间在0-120秒之内可调），减速度小于自然减速度，所以起动、运行、停止非常的平稳，这样就大大降低了运输机对胶带强度的要求，既保证了胶带运行的安全性，又完成了胶带选型的经济性。同时，胶带在加速或�；泵挥谢鹗�，减小了胶带的损伤和各传动部位的磨损。
③双电机拖动，能够随时平衡其功率，虽然两台CST在运行中有主次之分，但两台电机的出力始终是一致的，电流差值一般情况在士1A。另外，在矿井开采初期或小负荷生产的情况下，可以单台替换运行，以减少电耗。
④在主站的控制下，自成一个闭环控制系统。监测、�；ど枋┢肴⒖煽�，操作方便、故障易判断。CST电器控制柜上设有一微机显示触摸屏，它可以显示二十几幅信息栏，有胶带开动屏、胶带运行屏、胶带故障屏、胶带控制屏、CST报警信号屏、CST跳闸信号屏等。对胶带的起动、运行、停止全过程进行监测、�；�、调整。一般情况下，CST均处在自动状态之下，开车、运行、�；皇苤髡镜目刂疲恍枰魏尾僮�，值班人员只对运行参数进行观察记录即可。另外，还有一些故障因其危害性小，暂时运行无危险，CST便自动报警提醒，故障的性质可以由报警信号中获得。
⑤可以慢速运行，完成验带检查工作，胶带慢动速度由10%-50%可调，方便、灵活、实用。
⑧CST各部轴承温度的检测可以通过检测润滑油的温度实现，润滑油的温度可直接由运行显示屏上得到。运行显示屏还显示有主电机电流、输出速度、胶带速度、冷却油压、离合器压力、PCV压力阀等参数。
3.2拉紧装置
拉紧装置主要有固定式、移动式和自动式三种形式，考虑到大型带式输送机距离长，避免波动现象，要实现张紧力的自动实时控制等，必须选择自动拉紧装置。液压自动拉紧装置是近年来我国研制的一种新型自动拉紧装置，在带式输送机上迅速得到了推广应用。
液压自动拉紧装置可根据胶带张力的需要任意调节起动和正常运行时的拉紧力，可以使起动时拉紧力比正常运行时大1.4-1.5倍。响应快，起动时松边突然松弛伸长，油缸能立即回缩，及时补偿胶带的伸长，对紧边的冲击小，使起动平稳可靠，避免或减少断带事故的发生。具有断带时自动停止输送机和打滑时自动增加拉紧力等�；すδ�，可与集控装置连接，实现远距离控制等。
3.3制动装置
由于大型带式输送机的逆止（制动）力矩较大，为了可靠、安全，一般采用NJ型低速大扭距逆止器和盘闸式软制动装置，直接安装在传动滚筒端，以防止带式输送机倒转和满足制动需要。
3.4中间机身
大型带式输送机具有距离长、运量大、速度高等特点，中间机身设计时应与普通胶带机有所区别。我们设计的中间机身有以下主要特点：①承载托辊组为固定架托辊组，使机身稳定可靠；②槽形托辊组采用“品”字形，中托辊与侧托辊不在同一轴线上，交错布置，减小托辊间隙，避免划伤输送带，易于更换辊子；③托辊组与中间架之间，中间架与支腿之间采用无螺栓连接，拆卸安装方便，可实现快速安装，提高拆装效率；④为防止输送带跑偏，承载托辊组增设前倾和调心托辊组，回程托辊组采用V形前倾和调心托辊组；⑤在满足承载能力的前提下，采用较大直径的辊子，以延长使用寿命。
4、结语
我们采用CST软起动装置、液压自动拉紧装置、大扭矩低速逆止器和盘闸制动器等关键技术以及特殊的中间机身结构设计制造的多条大型带式输送机，在煤矿井下均得到了良好的应用，克服了大型带式输送机存在的问题，满足了用户的要求，具有较好的技术性能和优异的运行一经济价格比，取得了较好的经济和社会效益。
