（电力电子与电力传动专业论文）基于遗传算法的矿用带式输送机直接转矩控制系统.pdf

s u b j e c t ：d i r e c t t o r q u ec o n t r o ls y s t e mf o r b e l tc o n v e y o rb a s e do n i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m s s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i c s & p o w e rd r i v e s n a m e ：w a n gp e n g y u n i n s t r u c t o r ：m ax i a n m i n a b s t r a c t ( s i g n a t u 阳) 匕坐丝 ( s i g n a t u r e ) 些血型! t h eb e l tc o n v e y o ri st h em a i nt r a n s p o r te q u i p m e n t si nc o a l f i e l d ，a n di t sc o n t r o l l a b l e d i r v es y s t e md i r e c t l yi m p a c t so nt h er u n n i n gs a f e t yr e l i a b i l i t ya n dc o s ti nc o a lp r o d u c t i o n s t a r t i n gs p e e di su n s m o o t h e di nt h et r a d i t i o n a le l e c t r i c a ld r i v es y s t e m ，w h i c hc a u s e st h eb e l t o f ft r a c k i n go rs p l i ta n de v e ns a l l ya c c i d e n t t h e r e f o r ei ti st h e o r ya n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n tt o i n t r o d u c ean o v e ld i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) s y s t e mo fa cm a c h i n et ot h eb e l tc o n v e y o rf o r s o l v i n gt h ep r o b l e mi n c o a lm i n e a f t e rr e v i e w i n ga n da n a l y s i so ft h ep r e s e n ts t a t ea n dd e v e l o p m e n ti nt h eb e l tc o n v e y o r e l e c t r i c a ld r i v es y s t e m ，t h ep i dc o n t r o l l e rb a s e do nt h ei m p r o v e dg e n e t i ct a b ua l g o r i t h m si s p r o p o s e da ss p e e dr e g u l a t o rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fd t cs y s t e md u r i n gp a r a m e t e r v a r i a t i o n sa n dl o a dd i s t u r b a n c ei nb e l tc o n v e y o rd r i v es y s t e m i na l l u s i o nt ot h eo p t i m i z a t i o no fp i dp a r a m e t e r si nt h es p e e dr e g u l a t o r so ft h eb e l t c o n v e y o lt h ep a p e rp r e s e n t st h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m sa n d t a b us e a r c hf o r t h ed e s i g no fv a r i a b l ep a r a m e t e r so fp i dc o n t r o l l e r , a n di t sa b i l i t yo fs t r o n g e r c l i m b i n ga n df a s t e rf i n d i n gt h eg l o b a lo p t i m u mr e s u l t sa r ev e r i f i e dt h r o u g ht h ed ej o n g f u n c t i o n c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e a n s ，t h er i s et i m eo ft h es u g g e s t e ds y s t e mi sf a s t e r , o v e r s h o o ta n dr e g u l a t i n gt i m ei ss h o r t e la n t i d i s t u r b a n c ei ss t r o n g e r , r o b u s ti sb e t t e r s ot h e o p t i m i z a t i o np e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e mi si m p r o v e dg r e a t l y k e y w o r d s ：b e l tc o n v e y o r d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c )g e n e t i ca l g o r i t h m s 而6 ns e a r c h t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i 妻料技夫擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王鹏云 日期：m 6 sg 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：王胭乌i 指导教师签名： 6 年 、只芳日 1 绪论 1 绪论 1 1 矿用带式输送机调速技术概述 矿用带式输送机又称皮带运输机，属于一种大惯性负载，是煤矿安全生产中的主要 运输设备。早期带式输送机由于其功率小、运距短、速度低，应用受到一定限制。随着 电力电子技术以及变频调速技术的发展，带式输送机技术有了较大发展，并逐渐成为输 送散料最可靠，最经济的设备之一。但是带式输送机仍存在一些问题，例如：胶带属于 柔性带体，启动时要求低速平稳，不能有冲击，否则胶带容易断裂，而且也容易引发物 料与胶带之间的滚料现象，因此带式输送机的启动加速度一般要控制在0 3 m l s 2 之内。 带式输送机驱动电机功率一般较大，大功率、高带速的直接启动将造成大的冲击电流， 使电网电压急剧下降，可能引起启动失败烧毁电机，甚至会影响到其它电气设备的正常 运行f l 】。 目前带式输送机的可控传动系统主要分为电气传动系统和机械传动系统两大类。在 电气传动系统方面，一种采用直流电动机+ 可控硅直流供电闭环调速系统，该系统通过 均匀调节可控硅的控制角来改变直流电压，从而改变电动机的电枢电流，使电动机转速 达到均匀的无级调速。调速范围广，调节平滑，过载启动、制动力矩大，易于控制，可 靠性高。但系统成本高，直流电动机体积大、维护困难，而且煤矿井下工况恶劣，对电 机的防爆、防尘和防潮等要求也较严格【2 1 。另外一种采用变频调速装置，通过调节功率 器件使进入功率器件的交流电源频率发生变化，而交流电源频率与电动机转速成正比。 只要控制频率变化范围以及频率变化时间，就可使输送机按照设定的加速度曲线平稳地 启动，达到输送机的软启动。该装置启动时调速精度高，可以变速运行，调速范围大， 但是电动机不能空载启动，启动力矩小，速度无法控制，没有从根本上解决上述问题口 5 1 。 根据我国目前煤矿井下实际生产运输的现状看，当煤炭运量大、运距长或采用倾斜 巷道运输时，带式输送机常采用双电机或多电机驱动方式，是因为其具有以下4 个优点： ( 1 ) 输送机传动滚筒传递的牵引力有很大提高； ( 2 ) 输送长度得到延长； ( 3 ) 在使用中某台电机发生故障时可采用减少煤量、降低负载、维持工作； ( 4 ) 减速机与传动电机联接采用液力联轴节配合传动，起动平衡，冲击力小，而 且能使两台电机均衡负荷。 由于上述优点，煤矿井下在集中巷、机巷使用的输送机多采用双机拖动。双机拖动 不论是刮板输送机或胶带输送机在使用过程中，随着生产环境变化、使用时间增长，以 及维护质量等问题，输送机都会出现故障。主要故障原因是带式输送机传动滚筒脱胶或 西安科技大学硕士学位论文 者传动滚筒粘泥等造成滚筒直径变化，导致两台电机功率分配严重不均，拖动力矩大小 不平衡，常使一台电机处于满载或超载状态运行，造成滚筒频繁损坏或电机频繁烧毁， 严重影响煤矿井下生产。由此可见，带式输送机电气传动系统的改造是具有经济意义和 实际生产需要的，不仅能够提高运输的可靠性，而且能够降低能耗及运行成本，提高经 济效益。 1 2 国内外矿用带式输送机技术现状1 3 】 国外带式输送机技术的发展主要表现在三个方面：( 1 ) 带式输动机技术向长运距、 大运量、高带速等方向发展；( 2 ) 带式输送机自身配件向高性能、高可靠性、低耗能 方向发展；( 3 ) 功能多元化、应用范围扩大化。 德国编制的两条从荷兰鹿特丹到德国杜伊斯堡的带式输送机运输方案，全长 2 0 6 k m ，还有澳大利亚恰那铁矿2 0 4 k m 的带式输送机代表着现代发展水平。我国7 0 年 代前后引进了带式输送机，并在其基础上研制和开发了许多新产品系列，从定型的s d j 、 s s j 、s t j 、d t 等系列发展到多功能，适应特种用途的带式输送机系列，近年来，我国 在带式输送机设计、制造上有了长足的发展，矿用带式输送机关键技术的研究和新产品 开发都取得了可喜成果，进入9 0 年代以来，随着煤矿现代化的发展和需要，应用智能 控制技术、动态分析技术和中间驱动等技术，研制成功的软启动和制动装置以及p l c 为核心的电控装置，并且井下大功率防爆变频器也己进入研发、试制阶段。随着我国煤 矿高产高效矿井的发展，煤矿井下带式输送机各项技术指标有了很大提高，与国外同类 型矿井比较，主要的特征指标见下表1 1 所示。 表1 1 煤矿井下常用带式输送机技术指标 国外顺槽可伸缩带2 0 0 0 - 3 0 0 03 5 - - - 4 2 5 0 0 3 0 0 0 1 2 0 0 2 0 0 0 3 0 0 5 0 式输送机 吨年大巷与斜井固 4 5 0 0 3 - 52 0 0 0 - 3 0 0 01 5 0 0 - 3 0 0 0 矿井定带式输送机 从表1 中对比可以知道，我国煤矿高产高效矿井配套的国产带式输送机水平基本达 到或接近国际水平，但关键部件的制造工艺、技术水平以及可靠性还须进一步提高。 1 绪论 1 3 国内矿用带式输送机的发展【3 j 伴随着我国煤矿现代化的发展需要，带式输送机正在朝着以下几个方向发展： ( 1 ) 提高煤矿井下带式输送机关键零部件性能和安全可靠性 输送机关键零部件的性能和可靠性直接决定了设备开机率的高低。目前我们的任务 除了进一步完善和提高现有零部件性能和可靠性外，还要不断开发和研究新的技术和零 部件，例如高性能可控软启动技术、动态分析与监控技术、高效储带装置、快速自移机 尾、高寿命托辊等，这会使得带式输送机的性能进一步向大型化、智能化提高运输能力 和自动化控制水平方向发展。 ( 2 ) 提高自动化控制水平 随着可控软制动、软启动装置的研制成功，带式输送机的单机控制水平得到了进一 步提高。矿井数字化系统工程的建设，要求控制系统必须具备像r s 4 8 5 等远传接口，以 实现输送机的集中控制，提高输送机的自动化水平。 ( 3 ) 提高运输能力，适应高产高效集约化生产的需要 带式输送机今后发展的必然趋势是长运距、高带速、大运量、大功率。在今后的1 0 年内，输送量要达到4 0 0 0 5 0 0 0 t h ，带速要提高到6 m s ，顺槽可伸缩输送机头部集 中驱动要达到3 0 0 0 米，对于固定强力带式输送机要达到5 0 0 0 米，单机驱动功率 1 0 0 0 - - 1 5 0 0 k w ，输送带要达到p v g 3 1 5 0 和s t 6 0 0 0 以上。 ( 4 ) 一机多用，增强和扩大功能 带式输送机是一种理想的连续运输设备，要充分发挥其效能，节约资源。尽量做到 一机多用，使其发挥最大的经济效益。 ( 5 ) 研制特殊机型 由于煤矿井下以及现场地质构造差异的不同，在运输系统的布置上也会出现一些特 殊要求，如弯曲、大倾角( 2 5 。) 直至垂直提升、长运距下运式带式输送机等，而常规的 带式输送机在有些场合是无法满足要求的；为了更好的满足煤矿井下特殊生产需求，应 大力开发满足这些特殊要求的带式输送机。 1 4 带式输送机对可控传动系统的要求 带式输送机可控传动系统主要分为电气传动和机械传动两大类。为了更好地控制带 式输送机，延长输送机寿命，提高输送机运行稳定性和可靠性，可控启动系统应具有以 下功能：空载启动，启动加速度可控，停车减速度可控，具有验带速度，过载保护和多 电机功率平衡功能。具体要求如下t 2 j ： ( 1 ) 电机能够实现空载启动。如果电机直接重载启动，这时电源提供比正常运行 时大6 7 倍的电流，这样电机会因电流大和启动时间长而过热烧毁；电网也会因大电流 西安科技大学硕士学位论文 使电压过分降低而影响其它设备运转。 ( 2 ) 目前各种大型机械一般都要求驱动系统能够提供可调、平滑、无冲击的启动 力矩，以减小动应力，从而改善整机的受力状况，延长整机寿命，提高设备可靠性，即 希望实现软启动。 ( 3 ) 交流电机的普遍应用。同直流电机相比，交流电机具有明显优势，体积小、 重量轻、运行可靠、坚固耐用、维护量小，适应易燃、易爆、易蚀等恶劣的环境。由于 恒转矩的运输机械在重载下必须借助驱动装置启动，否则电机会因闷车而烧毁，这就需 要传动装置与电机间具有良好的匹配关系。 ( 4 ) 对于长距离带式输送机，如果启动太快，张紧装置还未发挥作用，这时就会 造成传动滚筒打滑，导致发热量过大；对于大倾角上运式输送机，如果启动加速度过大， 会引起物料下滑或滚料现象，这就需要启动加速度可控。 ( 5 ) 在多电机驱动的情况下，希望各驱动单元之间能做到合理分配驱动功率的能 力，即能实现功率平衡。 ( 6 ) 为了实现输送机的定期检修，希望能实现低速运行； ( 7 ) 带式输送机作为大功率的负载机械，电机容量在满足额定工况下不可能选得 很大；而当出现严重超载时，过载保护功能将避免电机因闷车而烧毁。 为满足上述要求，一个主要问题就是要实现驱动系统的可控启动。可控启动是为了 减小对机械电器的冲击，按预定的启动加速曲线启动，在正常运行时能根据不同的工况 进行速度调节。 1 5 煤矿电气传动系统的研究现状 2 1 目前煤矿带式输送机开发存在两个关键问题，一是带式输送机启动控制问题，二是 带式输送机功率平衡问题。在煤矿系统的应用中，输送带属于粘弹性体，输送带对驱动 装置启动制动的动态响应是一个非常复杂的过程，由于其负载及惯性的影响，启动不平 稳，启动电流对电网的冲击，且在制动力、惯性力的瞬间作用下产生的应力变化，瞬间 变化引起各承载件的动载荷变化，会加速托辊的损坏，缩短输送带的使用寿命。因此近 年来矿用带式输送机的可控传动技术是主要研究方向。目前应用在煤矿的可控传动系统 主要有两种：电气传动系统和机械传动系统。这里主要介绍电气可控传动系统。 ( 1 ) 直流电动机+ 可控硅直流供电闭环调速系统 该调速系统的直流电源是由可控硅整流器提供，通过均匀调节可控硅的控制角来改 变直流电压，从而改变电动机的电枢电流，使电动机的转速得到均匀的无级调速。此装 置调速范围广，调节平滑，过载启动、制动力矩大，易于控制，可靠性高：但造价高， 在潮湿或多尘的环境下，直流电动机的整流子、电刷装置及可控硅的控制部分需要经常 维护，维护费用很高；如添加防爆装置，成本更高，因此不宜用于煤矿井下。 1 绪论 ( 2 ) 变频调速装置 近年来，随着电力电子技术和微电子技术的进步，交流电机的调速问题已经获得了 圆满解决，交流电机的调速系统不但性能同直流电机性能一样，而且成本和维护费用比 直流电机系统更低，可靠性更高。目前，国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本 呈下降趋势，而交流变频调速装置的生产大幅度上升。以日本为例，1 9 7 5 年在调速领域， 直流占8 0 ，交流占2 0 ；1 9 8 5 年交流占8 0 ，直流占2 0 ；2 0 0 0 年交流占9 8 ，直 流占2 。到目前为止，日本除了个别的地方还继续采用直流电机驱动外，几乎所有的 调速系统都采用了交流变频装置【6 7 j 。 交流变频调速装置主要由功率器件_ i b g t 绝缘栅极可控晶体管、控制器与电抗 器组成。常见的交流调速的控制方法有：恒压频比开环控制( v v v f ) 、转差频率控制、 矢量控制( v c ) 以及直接转矩控制( d t c ) 。恒压频比开环控制实际上只控制了电机 的磁通而没有控制电机的转矩，由于没有转速闭环，速度的动态特性差，电机转矩利用 率低。较普遍采用的交流调速方案主要是转差频率控制，矢量控制和直接转矩控制。 转差频率控制的理论是建立在电机的稳态数学模型基础上的，同时按照此方法实施 控制难以保证系统获得良好的动态特性。矢量控制对磁场定向的精度要求较高，对系统 参数变化较敏感，实现起来较困难。直接转矩控制简洁明了的系统结构，优良的动静态 特性，因此得到了广泛的使用。 1 6 课题的背景及意义 结合国际趋势，针对上述电气传动系统的问题以及煤矿带式输送机电气传动控制的 特点，从煤矿井下复杂工况以及节约资源和降低设备维护费用的角度考虑，本文提出了 利用改进遗传算法在线优化p i d 速度调节器来实现交流电机直接转矩控制系统中的转 速调节并应用到带式输送机电气传动控制系统上。研究方法主要采用数字仿真技术，对 带式输送机的直接转矩控制系统进行仿真。 在直接转矩控制系统中，速度调节器的输出决定了系统给定转矩的大小，有了给定 的转矩，直接转矩控制系统才可以实现高性能的闭环控制。由于p i d 控制器具有结构简 单，优良的动、静态性能，所以速度调节器多采用p i d 控制器【”“j 。 本课题以陕北某矿为例，该采区的原煤运输全部由一采区主运输大巷固定带式输送 机担负，该输送机运距3 6 0 2 米，运量1 8 0 0 吨，j 、时，提升高度一1 7 5 米。该矿采区运输 大巷固定带式输送机的设计参数说明如下： 主要技术参数： 输送能力 q = i 9 0 0 t h 输送长度l=3602m 输送带宽度 b = 1 2 0 0 m m 西安科技大学硕士学位论文 线路参数( 见附图) 采区上主运输大巷共3 6 0 2 米。可简化以下几段组成，第一段平运，长度1 0 0 0 米； 第二段上运，水平长度2 7 2 米，提升高度2 7 1 米；第三段上运，水平长度5 0 0 米，提升 高度1 3 6 米：第四段平运，长度1 0 0 0 米；第五段平运2 8 0 米；第六段平运4 8 2 米，第 七段上运，水平长度5 0 米，提升高度5 6 米，整机水平长度3 5 9 0 米，运输长度3 6 0 2 米。 图1 1 陕北某矿采区运输大巷图 从该矿的线路参数可以看出，该采区带式输送机巷道起伏不平，变坡点比较多，致 使输送机运行工况较为复杂，这就要求带式输送机运行安全可靠性高，能够及时调整速 度，相对的控制系统也较为复杂。 图1 2 陕北某矿运输大巷带式输送机分布示意图 根据该矿的运输线路图，本文以第二段运输线路为模型，拟采用双电机驱动，进行 理论分析和仿真研究。 6 2 带式输送机的动态力学分析 2 带式输送机的动态力学分析 带式输送机动态力学分析的任务是了解带式输送机动力学现象和机理，掌握动力学 的基本规律，根据设计要求，进行系统的静、动特性分析，实现在设计阶段预测和优化 输送机的动态特性，进而实现对起、制动等过程的控制和优化【l 2 】。 采用动力学分析，可解决带式输送机的如下问题： ( 1 ) 动态力的幅值及冲击波效应： ( 2 ) 拉紧装置的弹性伸长； ( 3 ) 起、制动时物料在倾斜布置的输送机上的稳定性； ( 4 ) 起、制动规程或程序，使其速度曲线可调( 减少不必要的力扰乱，以及由此而 产生的负反馈) ； ( 5 ) 输送机纵向几何布置所决定的质量惯性瞬态特性； ( 6 ) 多电动机驱动的负荷分配问题； ( 7 ) 输送带拉紧时调节系统的起、制动控制； ( 8 ) 合理的胶带强度及安全系数； ( 9 ) 驱动装置、制动装置、拉紧装置等最佳安装位置： ( 1 0 ) 如何避免出现纵向自然频率响应。 由此可见，为了更好的解决带式输送机电气传动系统中的调速问题，必须先要仔细 的对带式输送机的动态力学进行分析。 2 1 带式输送机动特性简介2 , 1 2 , 1 3 】 带式输送机是由输送带( 包括物料) 、托辊、驱动装置、张紧装置、传动装置、清 扫和装卸等许多零部件组成的系统，要达到全面的动力学分析目的，必须考虑部件之间 的数学模型。其次带式输送机结构系统的静、动特性决定其是否能安全可靠地运行。以 往传统设计比较注重静特性计算，而对动特性考虑较少。带式输送机的动特性或动力学 现象主要反映在如下几方面： ( 1 ) 纵向振动：带式输送机动力学现象最主要部分之一。是一种沿输送带纵向产生 的振动现象，由于输送带为粘弹性体，在外界扰动力( 驱动力、制动力、阻力等) 作用下 产生的一种振动。它对输送机的技术经济指标影响最大，通常产生于运行的过渡过程中。 ( 2 ) 横向振动：是输送带平放在托辊上，产生的一定悬垂度而构成的薄板振动体系， 振动方向为铅垂面内。当系统设计不当时，会产生共振或振幅较大的振动，对设备危害 极大。 ( 3 ) 输送带跑偏：是一种在输送带平面内，即输送带与托辊线接触方向上，在一定 西安科技大学硕士学位论文 干扰力影响下而产生的振动，它能会引起输送带跑偏、撒料等现象。 ( 4 ) 受料冲击：输送带装料过程中，物料以一定的动能或势能形式冲击输送带，即 受料冲击。 ( 5 ) 运行冲击：在运行过程中输送带和物料，在铅垂面内和水平面内产生的变形， 当经过托辊时，必然以一定的冲击影响托辊和输送带。 由此可以看出，动特性分析才是决定带式输送机技术合理、安全可靠、经济可行的 关键。若未加考虑往往会出现下列情况： ( 1 ) 带式输送机启动过猛，引起输送带张力急剧升高，拉紧装置工作不稳定，输 送带安全系数降低。 ( 2 ) 带式输送机启动不了。 ( 3 ) 输送带在驱动滚筒上打滑或打颤。 ( 4 ) 输送带在托辊上运行不稳定，引起物料散落、输送带跑偏、托辊使用寿命降 低。 ( 5 ) 输送带被物料砸破，引起输送带保护层受损，带芯破坏。 ( 6 ) 系统设计不合理、安全系数过高，致使性能价格比偏低。 带式输送机动力学及设计任务就是了解带式输送机的动力学现象和机理，掌握动力 学的基本规律，根据设计要求，进行系统的静、动特性分析，实现设计阶段预测和优化 输送机动态特性，进而实现对起、制动过程的控制和优化。 2 2 带式输送机的启动过程分析1 1 2 】 矿用带式输送机是个复杂的机电系统，在启动和停车的过渡过程中，输送带往往 会产生动张力。较大的动张力会造成输送带局部或整体滑动，引起输送带传动面和驱动 滚筒衬垫的强烈磨损和发热，降低输送带与滚筒间粘着系数。在动张力的影响下，输送 带还会降低安全系数，增大张紧装置负荷，产生大的附加位移和冲击，最终损坏机件。 因此，在设计输送带系统时，要利用动态分析方法，从分析弹性波在输送带中的传播规 律入手，计算过渡过程的动载荷及带式输送机的启动、制动时间，减少输送带中的动应 力，改善输送机的启、制动及运行条件。 2 2 1 带式输送机的启动2 - 1 4 】 带式输送机的启动过程总体分为三个阶段：初动阶段，由牵动整条输送带所需的时 间决定；静阻力施加于驱动滚筒的阶段，由静阻力从最后一个托辊组反射回驱动滚筒所 需的时间决定；以及输送机启动到额定速度的阶段。 由于所采用的交流电机特性的影响，输送带中的动张力往往在启动过程中达到最大 值，因此输送机的启动过程是一个不稳定的工况。输送带作为一个粘弹性体，在驱动力 2 带式输送机的动态力学分析 的作用下会产生粘弹性变形，由于不稳定而产生动张力，同时输送带在启动前各部分的 静阻力各不相同，是一个逐级启动的过程。而对输送带中的某一段来说，当它两端的拉 力差大于它所受的静阻力时，才会启动。在这一过程中，由于静阻力到动阻力的突变， 使输送带产生振动，导致输送带截面内的动张力上升。 带式输送机的启动过程中，输送带的张力在初张力的基础上增加，驱动装置产生的 驱动力作用在三个方面，即：驱动装置的加速；驱动滚筒绕入点的输送带上；推动回程 输送带。工程计算表明，推动回程输送带的驱动力所占比例较小，驱动力主要作用在前 两部分上，其中作用在输送带上的部分需要通过头部输送带在波的传播过程中逐渐向后 传播，当输入的驱动力突变时，对输送带会产生冲击，产生峰值张力，它和输送机的长 度，运行阻力，输送带的力学性质等因素有关。 2 2 2 输送带中弹性波的传播速度f 2 l 2 j 将输送带看作具有库仑阻尼力的线弹性模型，来考察弹性波沿托辊组支承的输送带 的传播速度。输送带是均质系统，对其任意截面施加的扰动，都会以弹性形变的形式沿 输送带传播。输送带中弹性波的传播速度为： ( 2 1 ) 式中n 一输送带被研究区段的载荷线密度( k g m ) e 一输送带的折算弹性模型( ) 弹性波沿输送带的传播速度，是带式输送机动力过程的主要特征参数之一，它在很 大程度上决定了输送带动张力的幅值。构成输送带动张力的弹性波有三种：入射波，反 射波和透射波。反射波发生在密度不同的两种介质边界上，向着扰动源( 驱动滚筒) 返回 运动。透射波是越过边界并远离扰动源的弹性波。入射波是上述两种波的波源，从扰动 源向外传播。 托辊组间的输送带是由垂度】，：鱼正学表示的抛物线，由密度和形变决定的 折算弹性模量为： 耻盎 旺z ， 式中s 一所考查的输送带的平均张力 q 。一带上线密度( 在n 载n n 上q 。= q 。+ g 。，回空段上吼= 吼) g 。一带上物料的线密度 吼一输送带的线密度 西安科技大学硕士学位论文 z ，一托辊组间距 磊一输送带纵向动力弹性模量 将式( 2 2 ) 代x ( 2 1 ) 式，可得输送带中的弹性波的传播速度： ( 2 3 ) 2 2 3 输送带内的振荡 2 1 1 1 2 】 对于输送带在启动前，由于拉紧装置的作用，使得输送带处于拉紧状态。驱动滚筒 开始旋转时，输送带紧边的张力增加，松边的张力减小。这两个变化均以波的形式沿输 送带传播。随着驱动滚筒的转动，振荡波继续传播。由于输送带中的较大张力，拉紧装 置会有明显的伸长。高张力波继续传播，拉紧装置继续伸长或放松，紧边张力波相遇， 造成剧烈振荡。在输送机正常工作时，每当负载变化时，类似情况就会发生。振荡的危 害主要表现在： ( 1 ) 对输送带选型的影响 输送带费用一般要占整机费用的4 0 左右，输送带设计人员常按正常张力选择输送 带强度。考虑到振荡问题，在设计输送带时，若安全系数取得偏大，会造成浪费。 ( 2 ) 对输送物料的影响 启动时，如果输送带振荡过于剧烈，会引起物料滚动或滑动。 ( 3 ) 改变输送带正常的运行速度 正常传递所需的紧边与松边张力比丧失，尤其在拉紧装置远离驱动装置时更是如 此，从而使输送带在滚筒上打滑、摩擦发热，使输送带的运行速度发生变化。 ( 4 ) 对机械部件的影响 输送带会打击滚筒和托辊，造成机架、滚筒、主轴、轴承、拉紧装置等机械部件的 损坏。对带有凸弧段的输送机，槽形托辊损坏更为严重。 为了将振荡减小至最低程度，我们必须选择合理的驱动装置，通过控制输送机启动 的加速度值，来确保输送机的平稳启动，并达到额定速度；同时使启动电流与其动张力 控制在允许的范围内。 2 2 4 启动过程的动载荷分析【2 l 2 】 带式输送机阻转矩l 的大小与传输速度无关，属于恒转矩负载。在非稳定运动状态 下，输送带除受静张力作用之外，还受速度变化引起的附加动张力的作用。动张力与静 张力的叠加，引起输送带在驱动滚筒处张力的平均分配，导致输送机的不平稳运行，甚 至引发输送带接头的失效及滚筒及其它部件的损坏，破坏输送机的正常运转。 2 带式输送机的动态力学分析 在对带式输送机启动过程的动载荷进行分析时，采取如下假定：驱动滚筒与输送带 为摩擦接触；输送带在滚筒上无滑动；阻力系数与输送带的运行速度及张力无关；输送 带变形服从胡克定律。输送带为均质体系，需用偏微分方程描述其动力过程。在输送机 非稳定的运动状态下，输送带的动张力由下式确定： s a = c p v ( 2 4 ) 其中v 为输送带截面的位移速度( 启动时此速度与输送带的即时速度一致) ，由于假 定输送带与驱动滚筒之间无滑动，求得启动时驱动滚筒外缘的圆周速度，可确定输送带 的动张力。 考虑到带式输送机若采用固定式拉紧装置，则s 。= 常数，疋。为输送带奔离点的张 力，得到： 肌。i d v + p r c r v + n c ，v ：v o p r c r v +v o - w p v i n q ” 。d v + p r c r y + n c ，v = a f + - y ；p r c r y + a f p “。 + n 。j ”2 _ j ( g d ) ：f 2 2 藏一 ( 2 5 ) 式中：m 。一等效到滚筒外缘上驱动装置的质量 七一减速器惯性矩的系数，k = 1 2 1 3 口一电动机机械特性曲线斜度系数 f 一减速器的速比 ( g d ) ：一电动机转子的飞轮转矩 p ，一输送带承载分支的载荷线密度 p 。一输送带回空分支的载荷线岔度 c r 一输送带承载分支张力波的速度 c 一输送带回空分支张力波的速度 d 一滚筒直径 a f 一驱动装置的剩余力，f = f o 一 由初始条件t = 0 时v = 0 ，微分方程( 2 5 ) 的解为： v ( f ) ：_ 竺一 e x p ( 塑兰盟兰丛f ) 一1 】 ( 2 6 ) ! p cr p r c l p l m o 根据公式( 2 4 ) 与( 2 6 ) ，可以求得输送带趋入点与奔离点的动张力分别为： 西安科技大学硕士学位论文 ( r ) ：_ z k f 广r p r 峥杀t 一1 ) ：一华( e 寺- 1 ) a = 9 一c r p ? 一c 。p l ( 2 7 ) 公式( 2 7 ) 表明，输送带空载分支的动张力波为压力波。 空载启动时，。以，输送带两区段边界上发生的反射波可忽略不计。输送带趋 入点与奔离点的动张力分别为： 一：竿( 。寺_ 1 ) 码一：一孚( s 寺_ 1 ) a j = ；b d r c x px 具有固定拉紧装置的输送机，其启动时间t 。，可由式( 2 6 ) 求得： f p ：_ 堕一l n 1 +_ 2 耳i 荔i 万+ 业气等丑f 1 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中 a f 一输送机空载启动时，驱动装置的剩余力，p = s o 一矿 c ：一弹性波沿空载输送带承载区的传播速度 p ：一空载输送带承载区的载荷线密度 rr r 一弹性波返回驱动滚筒所经历的时间，r = 2 ( + 三) c ； c ， l 一输送带的长度 v 。一额定带速 综上所述，带式输送机软特性控制方法，可通过延长启、制动时间以及连续均匀加、 减速方法实现。输送机的安全性与经济性通常与启、制动时的动载荷有关，因此，减小 速度变化律以及启、制动时引起的动载荷，避免输送带在启动时与驱动滚筒产生滑动， 限制驱动装置的加速力矩，使启动时间大于弹性波面环绕输送带的传递时间。 2 3 带式输送机等效转动惯量2 2 1 由于带式输送机动态连续模型是多阶、复杂的微分方程组，且包括复杂的边界条件， 不可能对其进行完整的动力学方程解析。因此，在针对带式输送机的研究过程中，需要 2 带式输送机的动态力学分析 对其进行简化，忽略输送带的粘弹特性。 带式输送机的简化模型和受力分析简图如图2 1 和图2 2 所示，其中图2 2 种( a ) 、( b ) 、 ( c ) 分别为尾部滚筒、托辊和驱动滚筒的受力分析简图。 ， 。 ( a ) 图2 1 带式输送机简化模型 图2 2 受力分析简图 带式输送机的简化模型如图2 1 所示，它有驱动滚筒、托辊、尾部滚筒和输送带组 成。计算带式输送机的转动惯量时，依据的原则是通过计算带式输送机各部件折合到驱 动滚筒的转动惯量，求出带式输送机的等效转动惯量进行研究。 2 3 1 带式输送机转动惯量折算原则 2 1 1 1 2 】 根据带式输送机的简化模型，带式输送机的转动惯量包括：输送带的转动惯量，托 辊的转动惯量、驱动滚筒的转动惯量和尾部滚筒的转动惯量。又由机械原理可知，单自 由度机构可简化为具有等效质量或等效转动惯量的等效构件，其上作用的有等效力或等 效力矩，同时，等效构件的运动规律与其在机构中的运动规律完全相同。因此，忽略输 送带的粘弹特性，带式输送机的转动惯量可以全部折算到带式输送机的驱动滚筒处，求 出带式输送机的等效惯量。 2 1 3 2 带式输送机转动惯量的计算2 1 1 1 2 】 已知驱动滚筒的半径为，质量为m ；尾部滚筒的半径为屹，质量为m ：；托辊的半 径为 ，质量为m ，；输送带与物料的整体质量为。其中，r t = r 2 。 设驱动滚筒的张力为e ，转矩为m ，角速度为q ；尾部滚筒的张力为e ，转矩为 西簧科技大学硕士学位论叉 m 2 ，角速度为：托辊的张力为f 3 ，转矩为m ，角速度为屿；皮带的等效质量为m 。， 加速度为a ，驱动力矩为m 4 。 根据回转刚体的运动方程可得： m ：j a 0 9( 2 1 0 ) d t 根据牛顿第二定律可得： f = m a = m a r( 2 1 1 ) 根据刚体运动学方程可得： c o l r l = c 0 2 r 2 = 毡 ( 2 1 2 ) ( 1 ) 当以输送带为研究对象时，输送带受到的张力e 为： 由式( 2 1 0 ) 与式( 2 1 1 ) 可得： i 2 m 4 口2 m 4 0 ) l r l jm 42 山q2只1(213) 1 只= j 4 曲1 ij 4 = m 4 r 1 2 ( 2 ) 当以托辊为研究对象时，托辊的受到的张力r 为： 根据式( 2 1 0 ) 、式( 2 11 ) 与式( 2 1 2 ) 可得： i j 3 0 9 3 = m 3 = e 匕 ( 0 3 = lr i r 3 ( 2 1 4 ) le = j 3 0 9 1 1 弩 设托辊的个数为n ，则托辊所受到的总的张力c 为： 只= 峨= n j 3 0 9 1 1 4 ( 2 1 5 ) ( 3 ) 当以尾部滚筒为研究对象时，尾部滚筒受到的张力只为： 根据式( 2 1 0 ) 、式( 2 1 1 ) 与式( 2 1 2 ) 可得： j j 2 2 = m 2 = r 2 0 9 2 = d l r 2 ( 2 1 6 ) i 五= 以国。1 ，考 ( 4 ) 当以驱动滚筒为研究对象时，驱动滚筒所受的张力f 为： 根据式( 2 10 ) 可得： 巾l2 m 12鼻(217) 【曩= j 1 m l r 如上所求：折算到带式输送机驱动滚筒处的总的张力为f f = e + e + e + ( 2 1 8 ) 4 2 带式输送机的动态力学分析 当以驱动滚筒为研究对象时，由旋转刚体的动力学方程，由式( 2 1 0 ) ，带式输送机 的等效转矩惯量厶为： j m = q l ( 2 1 9 ) 厶= f ，1 c a l = ( e + e + e - t - 只) + 1 o ) l ( 2 2 0 ) j 。= 以+ 珐，3 1 2 学+ ，2 2 孑+ j 4 ( 2 2 1 ) 2 4 启动加速度控制曲线2 1 1 1 2 】 矿用带式输送机有四种启动加速度控制曲线。在介绍它们之前，先简要介绍一下启 动加速度的计算公式。 2 4 1 启动加速度的计算【2 1 1 1 2 】 带式输送机启动加速度主要考察启动时传动滚筒的作用力，其运动平衡方程式如下 u 4 ： 一e = m a 。 ( 2 2 2 ) 式中 式中 c 一电动机的启动力( n ) e 一工作阻力( n ) a l 一启动加速度( m s 2 ) m 一带式输送机的总变位质量( 蝇) m = ( 弧。+ 9 6 + 2 9 小2 丁+ 亏n - _ j i o i , 2 + 鲁 e = c f l g ( q 月o + g r u + 9 6 + 2 9 口) + q c 爿g + 只i + 只2 一输送机的长度( m ) 丁一拉紧装置的1 2 重锤质量( k g ) c 一修正系数 r 一传动滚筒半径( m ) g 一重力加速度( m j s 2 1 ，一摩擦系数 n 一驱动单元数 日一输送机卸料段和装料段间的高差( m ) 口。一承载分支托辊单位长度旋转部分的质里一( k g m ) 西安科技大学硕士学位论文 q r u 一回空分支托辊单位长度旋转部分的质量( k g m ) j 。一驱动单元第f 个旋转部件的转动惯量0 g m 2 ) f ，特种阻力( n ) f ，一附加阻力( n ) 一输送带单位长度髓( k g m ) 一输送物料单位长度的质量( k e c m ) f 一驱动单元第f 个旋转部件的传动比 以一第i 个滚筒的转动惯量( 埏i n 2 ) 一第f 个浓简的半性 令c = 巧e ，带入式( 2 2 2 ) 及得带式输送机启动加速度计算公式： q = ( k 。- 1 ) f 。，m ( 2 2 3 ) 式中以一启动系数 传统设计中电动机直接启动k 。= 2 0 。 2 4 2 加速度控制曲线的选取2 1 1 1 2 】 理想可控启动速度曲线，应是平稳启动且整个启动过程中加速度的最大值较小，速 度输出平稳，无速度突变，能以最大限度地减小启动惯性力和启动冲击作用。合理选择 加速度控制曲线，可以使得带式输送机加速度响应值和启动冲击达到最小，本文比较了 梯形、三角形、正弦形加速度设计曲线。其中，丁为启动运行时间，为额定带速。 ( 1 ) 梯形加速度控制曲线 梯形加速度控制曲线如图2 3 所示，梯形加速度控制曲线中： t ，= t ，一t ，= t n( n 为正整数) 带式输送机梯形加速度曲线的最大值：a 。= n v o ( v 一1 ) t 】 a ( f ) = t 百( o 鲻) a m “f 岛) ( 2 2 4 ) 再t 3 - t ( f 2 垡毛) 1 6 2 带式输送机的动态力学分析 a 带式输送机n o r d e l l 加速度曲线又称为三角形加速度曲线，最大值日。= 2 t ，其 n o r d e l l 加速度计算式为： 卜 2 蔫( o ：t t 功2 ) ( 2 2 5 ) 图2 4n o r d e l l 加速度控制曲线 ( 3 ) h a r r i s o n 加速度控制曲线 带式输送机h a r r i s o n 加速度控制曲线又称正弦形加速度控制曲线，最大值 a 。= 刀2 t = 1 5 7 v o t ，其正弦形加速度计算式为： ( f ) = g i ns i n ；f ( o s f 丁) ( 2 2 6 ) 西安科技大学硕士学位论文 ， p 吒 2 0一 ；f t 图2 5h a r d s o n 加速度控制曲线 ( 4 ) 抛物线加速度控制曲线 带式输送机抛物线形加速度曲线最大值口。= 1 5 v o t ，其抛物线加速度计算式为： 叩细。弦砉，i ( o “d ( 2 2 7 ) 通过比较加速度曲线最大值可知：梯形加速度控制曲线( 取n = 1 0 ) 的最小：抛物 线加速度控制曲线和正弦形加速度控制曲线的a 。居中；三角形加速度控制曲线的a 。最 大。下面给出这四种加速度变化曲线的加速度变化率，的计算公式。 梯形加速度控制曲线j = 生t = 而竖 ) (228)l n 2 t z ( o t f i 三角形加速度控制曲线 ，= 2 争= 4 鲁 ( o 蔓f 3 交流电机直接转矩控制系统的基本理论 (