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太原理工大学硕士研究生学位论文 带式输送机变频调速自动张紧装置的动态特性分析 摘要 我国煤炭企业年产千万吨级矿井数量在“十二五 期间将会增加二十 余座。带式输送机作为现代化大型矿井的主要提升设备，对其性能要求也 越来越高。张紧装置是保证带式输送机正常运行的必要部件，尤其对于长 距离、大运量、高带速的大型带式输送机来说，其动态特性直接影响着带 式输送机安全可靠的运行。因此，对于张紧装置的动态特性研究具有非常 重要意义。 本文总结了张紧装置发展历史，国内外研究进展情况，以及带式输送 机对张紧装置的性能要求。根据新一代z j 一1 2 0 4 5 d 自动变频张紧装置的 组成结构及工作原理，建立了其机械系统、液压缓冲装置的数学模型，并 得出了自动变频张紧装置的控制方块图。通过分析输送带的粘弹性力学特 性，建立了带式输送机离散系统的动力学模型。 以某大型煤矿6 0 公里带式输送机为模型，利用a m e s i m 动力学仿真软 件建立了带式输送机和自动变频张紧装置的动力学仿真模型，通过对建立 的动力学模型仿真，得出了带式输送机满载启动工况下，自动变频张紧装 置速度、张紧力、位移二维曲线图，以及承载段输送带的三维速度、位移、 张力曲线图，通过对仿真结果分析，可以得出：满载启动工况下，带式输 送机启动5 5 s 后，机尾才开始启动，机尾的速度曲线斜率明显大于机头速 度斜率，瞬时冲击较大，容易产生振荡。机头输送带的张力大约是机尾的 l 太原理： 大学硕士研究生学位论文 4 8 7 倍，机头机尾的位移差大约是1 3 m 左右。在启动过程中，张紧装置的 张紧力最大值为2 8 5 k n ，平稳运行时张紧力为2 8 o k n 。 以自动变频张紧装置为研究对象，分析了输送带弹性模量、启动方式 对自动变频张紧装置动态特性的影响，得出：在启动时间前1 5 内，张紧 装置的动态特性不受输送带弹性模量的影响，后4 5 时间内，输送带弹性 模量每提高1 3 ，张紧装置的移动速度大约减小0 o l m s ，、张紧小车启动 过程移动的位移就缩短大约1 4 。选择正弦加速度启动方式可以减小输送带 和自动变频张紧装置的启动过程中振动。最后将自动变频张紧装置及重锤 张紧装置进行了对比研究，得出：在煤矿井下使用自动变频张紧装置，需 要较小的张紧行程，与重锤张紧装置相比行程大约缩小2 7 倍。 关键词：带式输送机，自动变频张紧装置，动态特性，建模仿真 太原理工大学硕士研究生学位论文 d y n a m i ca n a l y s i so fv a r i a b l e f r e q u e n c yd r i v e a u t 0 【a t i ct a k e u pf o rb e i jc o n v e y e r a b s t r a c t d u r i n gt h e12 t hf i v e - y e a rp la n ，m o r et h a n2 0s e a t sm i n ew h i c hc a np r o d u c e t e nm i l l i o nt o n so fc o a lw i l lb eb u i l t b e l tc o n v e y o ri st h em a i nl i f t i n g e q u i p m e n ti nl a r g em o d e mm i n e ，t h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fm o r ea n d m o r ei sa l s oh i g h t e n s i o n i n gd e v i c e si st h en e c e s s a r yp a r t sw h i c hc a ng u a r a n t e e t h en o r m a lo p e r a t i o no ft h eb e l tc o n v e y o r , e s p e c i a l l yf o r t h el o n gd i s t a n c e ， la r g e - c a p a c i t yb e l ts p e e d ，h i g hla r g eb e l tc o n v e y o r ；i td i r e c t l ya f f e c t si t s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fb e l tc o n v e y o rs a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n s o ，f o ra d e v i c ei st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ho ft h ed e v i c ep l a yt h ev e r y i m p o r t a n tr o l e t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft e n s i o n i n gd e v i c e s ， t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hp r o g r e s s ，a n db e l tc o n v e y o rt e n s i o n i n gd e v i c e o fp a r a m e t e r s a n dt h i sp a p e ri n t r o d u c e sn e wg e n e r a t i o nz j - 12 0 4 5dt ob e a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n v e r s i o no ft h ec o m p o s i t i o no ft h es t r u c t u r ea n dt h e w o r k i n gp r i n c i p l e ，e s t a b l i s h e dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em e c h a n i c a l s y s t e m ，a n d o b t a i n e dt h ec o n t r o lb l o c kd i a g r a mo fa u t o m a t i c f r e q u e n c y c o n v e r s i o nt e n s i o n i n gd e v i c e s o nt h eb e l tc o n v e y o r sf r i c t i o nt r a n s m i s s i o n p r i n c i p l ew e r ei n t r o d u c e d ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec o n v e y o rb e l tm e c h a n i c a l i l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 c h a r a c t e r i s t i c s ，e s t a b l i s h e dt h eb e l tc o n v e y o rd i s c r e t es y s t e md y n a m i cm o d e l t a k eab i gc o a lm i n e6 0k mb e l tc o n v e y o ra sap r o t o t y p e ，u s e sa m e s i m d y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r et oe s t a b l i s ht h eb e l tc o n v e y o rt e n s i o n i n gd e v i c e a n da u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n v e r s i o no f d y n a m i c ss i m u l a t i o nm o d e l ，t h r o u g ht h e e s t a b l i s h m e n to fd y n a m i cm o d e l ，i ti sc o n c l u d e dt h a t a t i g h t f o r c ea n d d i s p l a c e m e n t2dg r a p ha b o u ta u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e dt e n s i o n i n g d e v i c e s ，w h e nt h eb e l tc o n v e y o rs t a r tw i t hf u l ll o a dc o n d i t i o n s ，a n da3ds p e e d ， d i s p l a c e m e n t ，t e n s i o ng r a p ha b o u tb e a r i n gp e r i o do fc o n v e y o rb e l t ，a n a l y z e s w h e nt h es t a r tw i t hf u l ll o a d c o n d i t i o n s ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n v e r s i o n t e n s i o n i n gd e v i c e sa n dc o n v e y o rb e l t t h e r e s u l t ss h o w ：s t a r t i n gw i t hf l a i ll o a dc o n d i t i o n s ，a n ds t a r ta f t e r5 5s ，t h et a i l b e g i n st os t a r t ，a n dt h et a i ls p e e dc u r v es l o p ei ss i g n i f i c a n t l yg r e a t e rt h a nt h e s p e e dw i t hs l o p e s o ，t h ei n s t a n t a n e o u si m p a c ti sb i g g e r , e a s yt op r o d u c et h e o s c i l l a t i o n t h ec o n v e y o rb e l tt e n s i o ni sa b o u tt h et a i lo f4 8 7t i m e s ，t h en o s e o it h ed i s p l a c e m e n ti sa b o u t13mo rs op o o r e rt h a nt h et a i l i nt h es t a r t u p p r o c e s s ，t h em a x i m u mf o r c ei sa b o u t2 8 5k n w h e nf i n i s h i n g ，t h et e n s i o n i n g f o r c ei sa b o u t2 8 0k n t a k ea u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e n s i o n i n gd e v i c e s a st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n a l y s e st h ec o n v e y o rb e l te l a s t i cm o d u l u s ，s t a r tw a y h o wt oa u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e n s i o n i n gd e v i s e ，c o n c l u d e dt h a t ：i nt h e s t a r tt i m ea g oi n1 5 ，t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft e n s i o n i n gd e v i c eh a v e n o t h i n gw i t hc o n v e y o rb e l te l a s t i cm o d u l u s ，a f t e r4 5t i m e ，c o n v e y o rb e l te l a s t i c m o d u l u si si m p r o v e db y1 3 ，t e n s i o nd e v i c ei sa b o u tr e d u c i n gt h em o v e m e n t i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 s p e e do f 0 01m s ，t e n s i o nc a rs t a r t u pp r o c e s sm o v i n gd i s p l a c e m e n ti ss h o r t e n a b o u taq u a r t e r c h o o s i n gs i n ea c c e l e r a t i o ns t a r tw a y c a nr e d u c ec o n v e y o rb e l t a n da u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e n s i o n i n gd e v i c e si nt h ep r o c e s so fs t a r to f v i b r a t i o n i nt h el a s t ，as t u d yi sd o n ew h i c hi sac o m p a r a t i v es t u d ya b o u t a u t o m a t i c a l l yv a r i a b l ef r e q u e n c yt e n s i o n i n gd e v i c e sa n dh a m m e rt e n s i o n i n g d e v i s e ，d r a w ：i nc o a lm i n eu s i n ga u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e n s i o n i n g d e v i c e sn e e ds m a l lt i g h ts c h e d u l e ，c o m p a r ew i t hah e a v yh a m m e rad e v i c e ，t h e t i g h ts c h e d u l ei sr e d u c e da b o u t2 7t i m e s k e y w o r d s ：b e l tc o n v e y o r , a u t o m a t i cf r e q u e n c y c o n v e r s i o n t e n s i o n i n g d e v i c e ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，m o d e l i n gs i m u l a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 _ 二一 v i 太原理二 大学硕士研究生学位论文 1 1 概述 第一章绪论 带式输送机从其产生至今已经有大约1 5 0 年的历史，是现代散装物料连续输送最常 选择的设备，已经被广泛应用于世界工业生产的各个领域，如矿山、码头、港i ：3 等场所。 由于生产的需求，长距离、高带速、大运量的带式输送机也已经被研制出来。目前，世 界上最长的带式输送机输送距离大约有l o o k m ，是由l l 条6 9 11 8 k m 的中型带式输 送机组成。世界上单机装机最长的带式输送机达到3 0 4 k m ，已经在澳大利亚铝矾土采 矿场投入使用。世界上最高带速的带式输送机速度可以达到7 1 2 m s 。对于长距离、 高带速、大运量的带式输送机来说，动力学特性十分复杂，简单的、纯理论计算的带式 输送机设计方法已经不能满足实际的需求，经常导致各种故障频发，给国家和人们的财 产造成巨大损失。如：西山煤电集团马兰矿2 公里带书输送机发生飞车事故，致使驱动 制动系统完全损坏；神东大柳塔煤矿4 6 公里带式输送机出现张紧故障，导致冲项事故； 中煤平朔矿井2 7 公里带式输送机出现刹车失灵事故。近些年来，世界上逐渐形成了带 式输送机动力学研究的热潮，澳大利亚、德国、加拿大等工业发达的大国已经进行了大 量的研究，并取得了一些成就。1 随着我国煤炭工业的疾速发展，带式输送机作为我国煤炭企业的主要运输提升设 备，也逐步朝着高效化、自动化于智能化的方向发展。带式输送机是个复杂的、封闭 的机电系统，其主要由驱动装置、制动装置、张紧装置、传输装置等组成，其中驱动装 置作为带式输送机的主要动力源，为带式输送机驱动力；张紧装置为带式输送机提高必 要的张紧力，是带式输送机的主要部件之一。张紧装置性能的好坏直接影响带式输送机 的正常工作，因此，对其动态特性进行研究是非常必要的。订 1 2 国内外研究现状 1 2 1 带式输送机动态特性分析的国外研究现状 在国外，对于带式输送机及其部件的动态特性研究始于2 0 世纪5 0 年代，到现在 太原理工大学硕士研究生学位论文 已经进行了6 0 多年，尤其在运输业和采矿业较为发达的工业国家发展更为迅速。澳大 利亚、德国、前苏联、加拿大、波兰等，都对带式输送机的动态特性进行过大量的理论 分析与试验研究。5 1 早在1 9 6 2 年，德国的p v i e r li n g 和a m a t li n g 就对胶带粘弹性特性进行了研究， 他们首次将材料的力学性质在考虑到胶带的动力学分析当中，在研究中将输送带从传统 的刚体模型转化为粘弹性模型。这也是最早提出输送带具有粘弹性特性的研究。11 9 6 7 年，前苏联研究人员对应力波在输送带中的传播特性进行了理论研究，并且考虑了托辊 对应力波传播的干扰作用。1 9 7 4 年，德国汉诺威工业：大学的f u n k e 等人对带式输送机 的动力学模型进行了一系列研究，并在其博士论文中对输送带的动态特性进行了深入的 研究，首次提出了符合实际的带式输送机动力学方程。”1 2 0 世纪8 0 年代，加拿大的t s g o l o s i n s k i 和澳大利亚的a h a r r i s o n 也都分别 对带式输送机的动态特性进行了研究，并将计算机离散模型的计算引入到其研究当中。 波兰的l k n o r d e l l 和z p c i o z d a 于1 9 8 4 年在v o g i t 模型基础上又提出了输送带的四 参数模型，该模型考虑了胶带的粘弹性特性以及每段胶带外部粘性阻力和库仑摩擦阻 力，使输送带模型实用精度又得到了进一步的提高。1 9 8 6 年波兰的t w z u r 等人又从 实用性的角度探论了当时所流行的三种粘弹性输送带模型，并深入分析了这三种输送带 简化模型对带式输送机模拟过程所产生的影响。钉0 1 1 9 9 4 年，荷兰的g l o d e w ij k s 把有限元分析方法引入到带式输送机动力学模型中 来，利用有限元方法把四参数输送带模型应用到输送带的梁单元有限元模型中，取得了 比较理想的效果。同年，澳大利亚的a h a r r i s o n 也把槽型输送带当做板单元进行了有 限元建模并进行了纵向拉伸特性的分析。之后在1 9 9 5 年荷兰的g l o d e w i j k 发表了论文 “高带速带式输送机的设计”，对输送带运行过程中托辊的所产生阻力进行了试验研究， 分析了胶带作为粘弹性体在托辊支撑力和物料重力共同作用下的变形特征。订n 1 们 在国内，对于带式输送机动力学的研究起步比较晚，从上个世纪8 0 年代中期才逐 渐开始。到了上个世纪9 0 年代，随着我国煤炭工业的蓬勃发展，矿井运输量日益增大， 推动了国内带式输送机的发展，致使许多高等院校以及科研机构的研究人员都投入到带 式输送机的动力学设计研究上来。“朝 早在1 9 9 9 年，中煤国际工程公司的李玉瑾就开始着手从事带式输送机的动态特性 研究，给给出了带式输送机的粘弹性振动微分方程及其输送带动张力的计算方法。研究 太原理工大学硕士研究生学位论文 了几中不同加速度启动工况下输送带的动张力特性。 2 0 0 1 年，中国矿业大学的侯友夫在其博士论文“带式输送机动态特性及其控制策 略研究”对影响带式输送机动态特性的各种边界条件进行了分析研究，建立了带式输送 机的物理模型与动力学模型，并根据模型编制了可用于带式输送机动态分析的计算机软 件。7 1 2 0 0 3 年，东北大学机械工程学院的宋伟刚提出了采用了功率跟踪控制策略的带式 输送机动态设计方法，研发了带式输送机动态设计软件b c d 2 0 ，通过对大型带式输送 机实际工况的仿真，验证动态设计软件的正确性。 2 0 0 7 年，上海师范大学的李光布等人用输送带的离散单元模型建立了基于输送带 悬垂度的输送机的非线性动力学微分方程，分析了非线性特性对动力学微分方程的影 响。并建立了液力偶合器和三台电动机所组成驱动系统的数学模型，设计了带式输送机 动态仿真软件b d s 。利用设计的仿真软件对带式输送机的动态特性进行了数值仿真模拟， 将其结果和国外专家计算结果进行了比较，两者比较接近。8 1 1 2 2 带式输送机张紧装置的国内研究现状 张紧装置伴随着带式输送机的产生而产生，经过一个世纪的发展，逐步由早期的纯 机械张紧装置发展为现在自动化张紧装置。张紧装置在带式输送机的部件中具有不可替 代的重要作用，我们可以将其发展过程大致分为三个阶段：”1 第一阶段：纯机械固定式张紧阶段。纯机械固定式的张紧产品主要有重锤张紧、以 及螺旋拉紧装置，螺旋拉紧装置如图卜1 所示。这一阶段的张紧主要是依靠人工手动来 操作的，需要耗费大量的劳动力，而且带式输送机经常会因为人工的操作和判断失误而 出现故障。在输送带因为各种原因伸长而张紧力下降时，纯机械固定式张紧装置只能通 过人工的观察来重新张紧。阳2 2 3 1 第二阶段：动张力可调阶段。这个阶段最主要的产品是固定绞车，固定绞车如图 卜2 所示。其又可以分为机械绞车和液压绞车2 种张紧装置。这类装置只能实现在稳定 运行状态下，或者匀速运行时的自动张紧，保持输送带在运行阶段有的恒定的动张力， 而在带式输送机的起动、制动、突然断电等不稳定运行工况下使用方法基本上与机械固 式张紧装置相同。固定绞车得主要结构特征为带有制动闸，绞车松闸时为张紧状态，而 绞车紧闸时为停止状态。在整个工作过程中绞车运行的时间非常短，而其中大部分时间 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 1 螺旋拉紧装置 f i g 1 1 t h es k e t c ho fs p i r a lt e n s i o nd e v i c e 是停车待命状态。液压绞车张紧装置在英国、德国等国得到了广泛的应用，其原理是利 用压缩空气来做动力源驱动油泵通过给张紧油缸提供一定量的压力油来产生张力张紧 输送带。这种张紧系统结构紧凑、工作稳定可靠，占地比较面积小。n 们2 剿萨 图1 2 固定绞车 f i g 1 - 2 h a n d w i n c ht a k e u p 第三阶段：自动变频张紧阶段。该阶段最主要的产品是自动变频张紧装置，如图 卜3 所示。自动变频张紧装置主要是在张紧绞车的基础上，集机电液于一体的，通过张 力传感器测量驱动滚筒处张紧力的大小，来根据实际工况来自动调节张紧力，可以节省 大量的劳动力。与其同时期的产品还有液压缸自动张紧装置和液压绞车自动张紧装置， 这个时期典型有代表性的产品有太原矿机电液技术有限公司研制的z j - 1 2 0 4 5 d 型变频 调速自动张紧装置，法国a 型带式输送机液压缸自动张紧系统以及中国矿业大学研发的 a 太原理工大学硕士研究生学位论文 d y l 液压缸型张紧系统，这几种自动张紧系统所共有的特点都可以通过张力传感器和张 图1 3自动变频张紧装置 f i g 1 - 3t e n s i o n i n gd e v i c ea u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n v e r s i o n 力控制系统直接的相互作用，给输送带提供合适大小的张紧力，尤其能在起动阶段、制 动运行阶段、紧急停车等特殊工况下提供相应的张紧力，具有反应快，自动化程度等优 点。目前，在我国的神东煤炭集团等现代化年产千万吨级大型矿井的大型输送机已经普 遍采用这种第三代自动张紧装置。除此之外，国内矿井使用的输送距离最长的6 k m 顺槽 输送机和6 7 6 2 k m 固定输送机的张紧系统也都采用了该类型张紧装置。这种第三代新型 自动化张紧装置不仅在高产高效矿井长壁工作面的可伸缩带式输送机上得到了普遍应 用，而且在超长距离、大运量、高速度的固定带式输送机上使用量也在逐年增加。 1 - 3 选题的目的与意义 随着我国煤炭企业同新月异的发展，在“十一五”期间开工建设的千万吨级矿井 已有1 2 座，我国计划在“十二五”千万吨矿井将超过2 0 座。带式输送机式作为现代千 万吨矿井的主要运输和提升装置，为了满足现代化大型矿井生产的需求，也正朝着超长 距离、高带速、大运量的方向发展。在带式输送机设计过程中，传统的静态设计比较注 重静特性计算，而对动特性考虑的比较少。为保证大型带式输送机安全可靠地运行，其 结构系统必须兼备很好的静、动态特性。张紧装置保证带输送机正常运行必须部件之一， 太原理工大学硕士研究生学位论文 其动态特性直接影响着带式输送机的动态特性。张紧装置动态特性对带式输送机影响包 括：( 1 ) 、输送带在启动过程的动张力峰值；( 2 ) 输送机系统的可靠运行；( 3 ) 驱动滚 筒和输送带在奋力点处动张力的变化情况。因此，对带式输送机自动变频张紧装置的动 态特性研究具有非常深远的意义。 1 4 本课题研究内容 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 建立带式输送机自动变频张紧装置机械系统、液压系统的数学模型，并将各个 系统数学模型进行拉氏变换，得出了各个系统部件的传递函数。根据这些传递函数得出 了自动变频张紧装置整个系统的控制方块图。 ( 2 ) 利用a m e s i m 强大的模型库，以晋兴煤矿5 9 公里带式输送机为原型，建立自 动变频张紧装置和带式输送机的动力学仿真模型。 ( 3 ) 通过建立的自动变频张紧装置和带式输送机仿真模型，得出了带式输送机满载 启动工况下的动态特性并对其进行了分析。 ( 4 ) 分析了输送带弹性模量、启动方式对自动变频张紧装置动态特性的影响；将两 种张紧装置在带式输送机应用进行了对比研究。 1 。5 本章小结 本章首先对带书输送机研究进展进行了概述，总结了国内外在带式输送机动态分析 方面以及带式输送机张紧装置方面的研究现状，然后论述了论文选题的目的与意义，提 出了本课题的研究目标和研究内容。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第2 章自动变频张紧装置数学模型的建立和分析 带式输送机变频调速自动张紧装置集机、电、液于一体，可以为矿用长距离带式输 送机提供必要的张紧力，可根据带式输送机主控系统的动作指令及传感器的张力信号， 对大型带式输送机在启动、制动、运转等不同工况下胶带张力的进行自动调节。 2 1 变频调速自动张紧装置的介绍 2 1 1 结构组成 带式输送机变频调速自动张紧装置主要由防爆电动机、张紧绞车、减速器、变频控 制系统、制动器液压系统、液压缓冲装置、张力传感器等部件组成，如图2 l 所示。该 装置用于煤矿长运距、大运量、高速度的可伸缩带式输送机取得理想的效果。 图2 - 1变频调速自动张紧装置系统组成 f i g 2 - 1t h es t r u c t u r eo fv a r i a b l e 仃e q u e n c ys p e e da u t o m a t i ct e n s i o n i n gd e v i c e 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 2 工作原理 变频调速自动张紧装置的启动和停机主要是由带式输送机电液控系统来控制：当 带式输送机的主控系统发出输送机启动信号后，该张紧装置首先开始工作，当张紧力满 足启动所需要的张力后，输送机才开始启动运行；当带式输送机的主控系统发出输送机 停机信号后，张紧装置开始工作，并延时一段时间后自动停机。在输送机执行启动命令 后，先由p l c 监测张力传感器测定的输送带张力值，并与张力设定值进行比较运算，计 算获得二者的差值。p l c 根据测定的差值控制决定变频器的输出频率大小与方向。变频 器通过给张紧绞车的电机输出不同方向和频率的电源，实现绞车正转或反转和速度的调 节，从而实现不同速度下紧带与松带。张力设定值是一个范围，张力在此范围之内变化， 装置不执行任何动作，高于设定的上限或低于下限，装置开始工作。张力设定值在输送 机启动、运转、停机等不同运行工况下是不同的。变频调速自动张紧装置的工作示意图 如图2 2 所示。 变额自动甓紧装置工作示意图 卜主电机2 一单向制动器3 一减速嚣4 一滚筒 6 一自移机尾7 一缓冲油缸8 一张力传感器 图2 - 2 变频调速自动张紧装置工作示意图 f i g 2 2t h ew o r ks c h e m e so i lt e n s i o n i n gd e v i c ea u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n v e r s i o n 2 2 机械传动系统数学模型的建立 机械传动系统主要是指张紧装置中的张紧绞车，如图2 3 所示，其主要由驱动电机、 联轴器、单向制动器、减速器、滚筒、钢丝绳、滑轮等零部件组成，张紧绞车是张紧装 太原理工大学硕士研究生学位论文 置的执行机构。单向制动器是张紧绞车的主要部件之一，它一般安装在电动机和减速器 之间，其主要作用是当张紧绞车不动时，将张紧绞车制动住，当自动张紧装置紧绳启动 的时，电动机自动可以转动，当松绳时，打开制动器，张紧绞车可以反向转动。 卜防爆电机2 一联轴器3 一制动器4 一大支架5 一减速器， 6 一护罩7 一滚筒8 一小支架 图2 - 3 张紧绞车的组成图 f i g 2 3t h ec o m p o s i t i o no ft h et e n s i o n i n gw i n c h ( 1 ) 变频器的数学模型 带式输送机自动变频张紧装置中所使用的变频器的型号是a c s 8 0 0 1 4 0 7 ( 四象 限) ，变频器的原理图，如图2 - 4 所示。 图2 - 4 变频器原理图 f i g 2 _ 4t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f i n v e r t e r 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 该变频器的正常工作所要的电源是由供电开关提供的a c ( 6 6 0 ) 1 1 4 0 v ，5 0 h z 电源， 电源接入快速熔断器，然后再通过l c l 滤波，最后送给变频器。电流在经过变频器整流 回馈部分变成直流，再经电容滤波后变成稳定的直流电压，当主控面板收到控制中心送 来的控制信号后，由微机控制的集成i g b t 逆变模块输出频率和电压可变的交流电压， 作为张紧电机的驱动电源。 变频器的逆变部分控制电源来自变频器直流母线，直流母线电压通过变频器的电源 板转变成直流2 4 v ，作为变频器主控板的控制电源，变频器整流回馈单元的控制电源来 自内部的a c 6 6 0 v d c 2 4 v 开关电源。变频器具体参数，如表2 一l 所示。 表2 - 1 变频器的具体参数 t a b l e 2 1t h es p e c i f i cp a r a m e t e r so fi n v e r t 盯 变频器型号a c s 8 0 0 - 1 4 0 - 7 ( 四象限) 额定容量 1 4 0 k r a 额定功率 9 0 k w 输入电压 a c ( 6 6 0 ) 1 1 4 0 5 0 h z 输出频率 3 - 8 0 h z 输出额定电流 9 5 a 短时过载电流 1 5 i e 适配电机功率 5 5 k w 最高运行温度 8 5 过流跳闸 2 7 5 i e 过压跳闸1 3 u e 欠压跳闸 0 6 5 u e 冷却方式i g b t 底板水套冷却 随着近些年来电子电工技术的疾速发展，三相异步电动机在实现了矢量控制后， 电动机在变频调速、转差率调速以及变极调速方面有了很大进步，变频器对交流电机的 调速现在可以做到同直流调速一样方便，尤其对于煤矿井下带式输送机、刮板输送机、 大功率的风机、水泵能彻底的消除电气和机械冲击，延长设备的寿命。根据变频器的结 构原理图可以建立变频器通用的数学模型，变频器的传递函数框图，如图2 - 5 所示。 1 0 太原理：f 大学硕士研究生学位论文 图2 - 5变频器传递函数框图 f i g 2 5i n v e r t e rt r a n s f e rf u n c t i o nd i a g r a m 在变频器的传递函数框图中，k ，为变频器的放大系数，其取值为k ， 1 0 0 ；圪为 正反方向限幅器的限幅值，一般取值等于给变频器输入的最大变量m a x ；t o 是积分器 的时问常数，一般为了计算和分析方便取相同的加速度时间；k 2 为比例器的放大系数， 其中k z2 毒，尸为变频器输出的最大设定频率。 ( 2 ) 张紧电机的数学模型 在机械传动系统中，电流需要经过变频器整流回馈部分，再经电容滤波后，由微机 控制的集成i g b t 逆变模块输出频率和电压可变的交流电压，最后再提供给张紧电机， 作为张紧电机的驱动电源。在整个过程中，我们可以适当的提升变频器的设置电压，则 能够保证在频率较低时，异步电动机的磁通量不变，这时建立其等效数学模型，如图 2 - 6 所示。 在张紧电机传递函数框图中， 尼，= 一6 0 ( 2 - 1 ) 厶= 篇3 稿22 羲2 e 2 ， 式中 p 电动机的极对数： k 】电动机的启动电流倍数； u 1 电动机的额定电压v ； 太原理工大学硕士研究生学位论文 i l e 电动机的额定电流a ； g ! 电动机的额定转速； 电源的频率； k 。电动机启动转矩倍数； 电动机的额定功率。 ( 3 ) 减速器的数学模型 图2 - 6 张紧电机传递函数框图 f i g 2 6t e n s i o nm o t o tt r a n s f e rf u n c t i o nd i a g r a m 在张紧电机输出转矩后，经过双级行星伞齿轮减速器，将转矩传递给张紧绞车的滚 筒。整个传动过程的工作原理是从小锥齿轮将动力输入，经过一级锥齿轮和两级行星齿 轮减速，最后把动力传给滚筒。 减速器的传递函数为： n ( s ) = u 。刀l ( s )( 2 3 ) 式中 n ( s ) 减速器的输入转速； 力。( s ) 减速器的输入转速。 减速器的传递函数的框图，如图2 7 所示。 奎堕望王查兰堡堕茎生堂丝笙奎 图2 7 减速器传动框图 f i g 2 7r e d u c e rd r i v eb l o c kd i a g r a m ( 4 ) 绞车滚筒的数学模型 绞车滚筒的受力情况如图2 - 8 所示： 图2 - 8绞车滚筒的受力情况 f i g 2 8t h ef o r c eo ft h er o l l e r 滚筒的半径为r ，其受力平衡方程为： t ( f ) 一f e ( t ) r = j o ( f ) + b o ( f ) + g o ( t ) 由于滚筒为刚性负载，则g = 0 ，经过拉式变换得： t ( j ) 一f e ( 5 ) r = 如万g ) + b 又因为乇= 术k 一术刃( s ) ，代入可得： 鼬) = 竿删 其传递函数框图，如图2 - 9 所示： ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 n 1t s ) f e ( j ) k 。，+ ，s 月 图2 - 9 绞车滚筒传递函数框图 f i g 2 9w i n c hr o l l e rt r a n s f e rf u n c t i o nd i a g r a m ( 5 ) 滑轮组的数学模型 滑轮组是自动变频张紧机构的重要组成部分，主要由两个定滑轮和三个动滑轮组 成，其结构原理图如图2 1 0 所示。变频器控制张紧电机开始工作，将转矩经过联轴器、 制动器、减速器传递给滚筒，钢丝绳缠绕在滚筒，滚筒收放钢丝绳来正控制游动小车的 张紧行程和所受的张紧力。 l 奎 2 1 0 滑轮组结构原理图 f i g 2 1 0b l o c ka n dt a c k l es t r u c t u r a lc h a r t 从图2 一1 0 中可以得出滑轮组的传动函数： t ( 川1 而一百 心1 式中 疋( j ) 钢丝绳的牵引力； t ( s ) 张紧力； u 1 为滑轮组的 太原理：【大学硕士研究生学位论文 其方框图如图2 1 】所示： ( j )f z ( s ) - u 图2 1 1 滑轮纽传递函数框图 f i g 2 11b l o c ka n dt a c k l et h et r a n s f e rf u n c t i o nd i a g r a m 2 3 液压系统的介绍 卜低压过滤器2 一油泵3 一电机4 - 高压过滤器 5 一卸荷阀 6 一单向制动器7 一压力表8 一防暴电磁阀9 一压力表 1 0 一蓄能器1 卜传感器 图2 - 12液压泵站工作原理图 f i g 2 12h y d r a u l i cp u m ps t a t i o nw o r kp r i n c i p l ed i a g r a m 液压泵站其主要作用是为打开制动器和缓冲装置提供动力。液压泵站主要由齿轮 泵、泵站防暴电机、过滤器、高压过滤器、齿轮泵、电磁球阀、卸荷阀、电磁球阀、压 力表、压力传感器、缓冲油缸等部件组成。如图2 1 2 所示。 1 气 太原理工大学硕士研究生学位论文 液压泵站中压力传感器的主要作用是对蓄能器的压力实时监测和监控，将传感器 测到的压力转变成为电流信号，控制电动机的启动以及制动。在工作过程中，当蓄能器 的达到设定压力值的时候，油泵电机会停止工作；如果蓄能器的压力低于设定压力值的 时候，防暴电机即刻启动，带动油泵开始工作，蓄能器开始蓄能，等蓄能器的压力达到 设定值得时候，电动机便停止工作。在工作过程中，溢流阀的作用是控制液压系统的压 力值。当整个液压系统的压力超过设定的压力值得时候，溢流阀便打开始溢流，当整个 系统的压力低于设定的压力值得时候，溢流阀即会关闭。 缓冲油缸的工作示意图如图2 1 3 所示。我们可以得出缓冲油缸连续方程如下： v 一 f 图2 13 缓冲油缸工作示意图 f i g 2 - 13b u f f e rc y l i n d e r sw o r ks c h e m e s q = a l v + 2 c 舅+ i v c 百a p , ( 2 - 8 ) 式中，v 活塞杆移动速度： z 。液压缸泄漏系数； 圪进油管路油液体积； k 油液体积弹性模量； 4 油缸的活塞面积； 鼻缓冲油缸流入液体的压力； q 液体的流量； 缓冲油缸活塞杆的受力平衡方程： 太原理一大学硕士研究生学位论文 式中 a ，油缸的活塞面积； m = 脚罟协+ ， 9 ) 只缓冲油缸流入液体的压力； m 一活塞杆运动部分的质量； f 缓冲压力； b 粘性阻尼系数； 对式子( 2 - 9 ) 进行拉氏变换，可得： q ( s ) = a j 痧。+ 铷胛) p , a ) ( s ) = ( m s + b ) v ( s ) + f ( s ) 我们可以得出油缸方框图如下： ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 图2 - 1 4 缓冲油缸传递函数框图 f i g 2 - 1 4 t h et r a n s f e rf u n c t i o nb l o c kd i a g r a mo f b u f f e ro i lc y l i n d e r 2 4 电气控制系统的介绍 电气控制部分是由隔爆操作箱、隔爆兼本质安全型变频调速控制箱、张力传感器、 位置开关和压力传感器等组成。电气控制部分作用是用来随时控制和调节分离点张力， 使可伸缩带式输送机时刻处于最佳运行状态。它通过可编程控制器( p l c ) 来精确控制 张紧电机的运行转矩，对应给出胶带张紧的最大拉力，对张力传感器采集的数据进行比