矿井带式输送机调速系统变频改造研究_张建.pdf

矿井带式输送机调速系统变频改造研究张建（汾西矿业两渡煤业，山西灵石031302）摘要：针对矿井带式输送机存在的启动冲击性大、重载启动困难以及运行能耗高等问题，提出采用变频系统进行改造，并依据现场情况给出变频改造方案及节能调速控制方案。带式输送机经变频改造后，不仅可提高带式输送机启动性能，而且可降低运行能耗及维护费用，取得显著成果。该研究成果可为其他矿井带式输送机变频改造提供经验借鉴。关键词：带式输送机原煤运输变频改造启动控制变频调速中图分类号：TD63文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0148-02引言带式输送机担负着煤矿井下运输任务，是井下主要生产设备之一1-2。现阶段井下机电设备普遍采用变频控制，但受矿井建井时间长、设备投入时间早等因素影响，部分带式输送机仍采用工频控制，不能依据负荷变化进行调整，导致带式输送机驱动系统工作效率低下、能耗偏高3-6。为提高带式输送机驱动系统整体效率、降低设备运行能耗，文中提出采用变频系统对带式输送机原有工频控制进行改造，并采用调速系统降低设备运行能耗，取得较好应用效果。1带式输送机运输系统概况及存在问题1.1运输系统概况矿井带式输送机运输系统包括 10 部带式输送机，其中地面 1 部，主斜井 2 部，东翼及北翼采区分别为 5 部、2 部。在东翼采区布置的 5 部带式输送机输送带宽度均为 1 200 mm、运行速度 4.0 m/s、额定运量1 000 t/h，搭接运输长度共计 6 895 m。在东翼采区集中运输巷、运输石门布置的 2 部带式输送机采用工频控制，带式输送机机头布置的电机为 YBS-160BL（2 160 kW），配 套 使 用 型 号SSX200/250-25B（i=25）减速机、规格 630 mm1 400 mm滚筒、制动器规格 BED-50/6、DYL-02-6/5综合保护器，张紧装置保护器型号为 KYBJ-Z。1.2工频控制带式输送机运行存在问题分析东翼采区布置的 2 台工频控制带式输送机顺序启动，存在重载启动困难、启动性能差以及运行速度单一等问题；同时驱动电机功率大，全速启动面会产生较大的启动电流、启动力，给供电电网及带式输送机附属零部件等都带来较大冲击。对带式输送机运行情况进行调查，发现存在一定程度能耗高的问题，总结归纳导致能耗高的原因为：带式输送机铺设路线长、驱动装置功率转换效率不高；带式输送机运输系统采用逆煤流启动方式，空转时间长；工频控制带式输送机始终处于恒速运行方式，且驱动电机功率大；带式输送机无自动化管理设备，通过长时间空载或者轻载方式来满足运输需要。为提高带式输送机启动安全性并降低运行能耗，在充分利用现有设备基础上提出采用 BPBT-315/600隔爆变频调速装置对 2 部工频控制带式输送机进行控制。2改造技术方案2.1变频改造方案采用工频控制时带式输送机启停控制通过移动变电站负载侧启动开关实现，对供电电网及附属设备产生较大冲击7。在现有的供电系统基础上，采用 2台隔爆变频调速装置对带式输送机运行进行控制，同时配备使用集中控制台对变频器进行集中控制。具体变频改造如图 1 所示。经过变频改造后东翼采区 5 部带式输送机均实现变频控制，可通过 PLC 系统实现集中控制，从而为后续的节能运行创造良好基础。采用的变频器输出电流频率可在 060 Hz调整，驱动装置软启动时间可在0180 s 范围内调整。2.2调速改造方案在保持东翼采区 5 部带式输送机保护功能不变情况下，若实现带式输送机节能运行，需要在原有的集中控制箱中增设 PLC 控制系统、就地控制箱、隔爆电源，并在带式输送机沿线增加速度传感器、设备启收稿日期：2022-02-07作者简介：张建（1987），女，山西灵石人，本科，毕业于中国矿业大学矿物加工工程专业，助理工程师。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.057图 1变频改造示意图MY3550+116-6m/660VMY3550+116-6m/660V移动变电站变频装置 1变频装置 26 kV高压电源来自滤波电抗器MY3550+I16-6m/660VBPBT-315/660BPBT-315/660MY3550+I16-6m/660VMY3550+I16-6m/660V采区变电所DKB1-340/660MY3550+I16-6m/660VMY3550+I16-6m/660VMYJV22-350-600 m/6 kVZXB-4/127照明综保KBSGZY-500kVAMY3550+116-25m/660VMY3550+116-20m/660V集中控制台1 号电机160 kW2 号电机160 kWMKVVP71.0-30m/127V优化改造2023 年第 2 期停传感器、监测电缆以及料流传感器等。具体沿线设备布置情况如图 2 所示。在带式输送机运行过程中，通过输送带沿线布置的料流传感器实现煤流量监测，并将监测结果实时传输给 PLC 控制系统；PLC 依据煤流量监测结果对带式输送机运行状态进行分析，具体带式输送机状态类型包括有重载、轻载及空载。PLC 系统依据带式输送机运行状态判定结果向变频器发出调速指令，以便降低设备运行能耗及磨损量，具体重载、轻载以及空载运行速度分别调整至 2.5 m/s、2.0 m/s 以及 1.5 m/s。3现场应用效果分析对矿井带式输送机进行变频改造完成后，井下带式输送机运行均采用变频控制，可实现带式输送机软启动以及变频调速，在启动、运行能耗以及集中控制等方面均表现出较好应用成果。3.1启动效果优越采用变频装置控制带式输送机后，带式输送机在启动、停止等过程中加速度、减速度可根据需要进行调节，同时可自动实现“S”型加减速，使得带式输送机在启动、停止过程中产生的冲击力较小。由于带式输送机在运行过程中难以避免需要重载启动或者重载停车，通过变频控制后带式输送机低速运行时驱动电机可输出 1.52.0 倍额定转矩，可满足重载启动、重载停车需求。以往采用工频控制时，由于重载启动电流大、启动力矩不足等问题，曾多次出现带式输送机无法启动问题，累积影响生产时间达到 80 h 以上。采用变频控制后，未再出现重载无法启动问题。3.2节能效果明显对带式输送机进行变频改造后，可充分发挥变频器重载软启动、节能降耗等功能。变频器与 PLC 控制系统、料流传感器等相结合，可依据负载情况对运行速度进行调节，从而降低带式输送机运行整体能耗。对变频改造前后东翼集中运输巷、运输石门 2 部带式输送机电机输入电流情况进行统计，具体结果如表 1 所示。经过变频调速改造后驱动电机能耗得以明显降低。3.3维护保养费用降低采用工频控制时，带式输送机电控系统故障发生率较高，年配件投入费用可达到 20 万元以上。采用变频改造后，采用的 PLC、传感器以及变频器等设备技术成熟，且质量可靠性较强，同时采用的变频器与其他的几部带式输送机型号一致，从而后续维护、保养费用明显降低。4结语变频调速技术凭借其优异的启动、制动以及调速等功能优势在煤矿井下机电设备控制中不断广泛应用，可在一定程度上提升机电设备运行效率，降低设备能耗。文中提出采用变频系统对矿井带式输送机原有的工频控制系统进行改造，并结合使用监测传感器、PLC等设备实现多条带式输送机集中控制，并依据负载调整运行速度，降低带式输送机运行整体能耗。对变频改造以及调速技术方案进行设计，并分析现场应用效果。现场应用后，井下带式输送机均可实现软启动，同时可依据负载调整运行速度，带式输送机运输能耗、设备维护及保养费用等均有所降低，现场应用取得较好效果。参考文献1任晓峰.带式输送机自动变频调速系统的改造及应用J.山东煤炭科技，2021，39（11）：144-145；148.2石元铎.煤矿用带式输送机变频调速控制技术改造及其效果J.机械管理开发，2021，36（10）：222-223.3张嘉.带式输送机变频智能驱动控制系统的设计应用J.机械研究与应用，2021，34（3）：185-186；193.4闫顺礼，宋玉斌，于忠厚.井下主运带式输送机智能煤流系统的研究J.煤矿机械，2019，40（9）：180-183.5王正国，刘涛涛，史光辉.矿用长距离多驱带式输送机负荷平衡控制应用研究J.矿山机械，2018，46（10）：18-21.6杜政委.煤矿带式输送机变频调速系统的改造与应用J.机械管理开发，2018，33（6）：154-155.7张豪，陶建松.煤矿带式输送机变频调速系统的改造与应用J.煤炭工程，2015，47（10）：74-76.（编辑：贾娟）图 2沿线设备布置示意图项目东翼集中运输巷输送机（2500 kW电机）电机电流/A东翼运输石门输送机（2355kW电机）电机电流/A重载轻载空载重载轻载空载工频恒速运行250250250140140140变频调速运行250150501409035表 1变频改造前后驱动电机输入电流对比情况巷道顶料流传感器胶带机料流传感器南区二部胶带运行信号1 号变频器2 号变频器胶带防爆电源箱去集控保护装置来自馈电开关胶带速度传感器M1M21 000（下转第 152 页）张建：矿井带式输送机调速系统变频改造研究149机械管理开发第 38 卷间距减小为 10 mm。滑块凸起上端面积扩大，两滑轨间距为 10 mm，将优化后的滑块 2 和相关导轨的三维模型导入有限元分析软件 Ansys Workbench 中分析。其他条件与前文一样。基于 Ansys Workbench 对滑块 2 再次进行求解，得到的变形云图如图 7 所示，应力云图如图 8 所示。通过对比优化之前的变形云图和应力云图可知，优化之后最大变形为 4.740 910-9，减小 42.3%；最大应力为 0.059 975 MPa，减小 36.8%。从有限元分析的结果可知，优化后滑块的受力改观是很明显的，有利于提高其使用寿命与工作稳定性。4结语本文为了解决人工擦拭黑板效率低下以及会产生粉尘这一问题，设计了一款自动擦拭无尘黑板。考虑到滑块部件对黑板工作有及其重要的作用，从静力学受力分析与材料力学相关强度条件，提出优化结构的方案，通过 AnsysWorkbench 分析软件对优化前后的滑块2 进行有限元分析计算求解，根据两组计算结果的对比可知，优化后的结构在变形、应力、应变三个方面都大幅降低，使得滑块 2 的受力更加合理，达到优化目的。参考文献1任志刚，张亚增，程海明，等.粉笔尘对教师健康危害的研究J.中国学校卫生，2002（2）：189.2V.K.Ceemakurthy，V.S.Bogyam.International Journal of AdvanceResearchJ.Idea and Innovation in Technology，2017（3）：426-429.3蔡国庆，钱新惠，侯玉秋，等.一种自动吸尘黑板擦的设计与研究J.机械工程与自动化，2020（3）：82-83；88.4彭亚洲，刘庆，王亚茹，等.自动清理无尘黑板的设计研究J.中小企业管理与科技（下旬刊），2016（7）：172-173.5唐小文，江林志，王杨洋，等.一种“无尘”环保智能黑板设计J.现代经济信息，2015（23）：334.6闫乙伟，李淑青，左赟，等.除尘黑板擦的设计与应用J.河北农机，2020（2）：48-49.7孙靖民，梁迎春.机械优化设计：4 版M.北京：机械工业出版社，2009.8贺贤贵，徐振华.机构最优化设计M.北京：高等教育出版社，1984.9刘鸿文.材料力学（）M.北京：高等教育出版社，2011.10侯作富，胡述龙，张新红.材料力学M.武汉：武汉理工大学出版社，2010.（编辑：李俊慧）图 7优化后的滑块构件变形云图图 8优化后的滑块构件应力（Pa）云图Structure Optimization Analysis of Automatic Cleaning Dust Free