张雅俊, 乔铁柱
(太原理工大学 山西省测控技术与新型传感器工程技术研究中心， 山西 太原 030024)
摘要：为了提高带式输送机的节能效率，提出了一种沿物料运送分向顺序启动的多级带式输送机控制方法。在胶带上物料横截面积最大的前提下，该方法首先建立带速与负载的匹配模型，然后通过设计科学合理的加速曲线，实现带式输送机软启动后的速度与匹配带速之间的变频调节，最后计算各级带式输送机顺序启动的控制时间。仿真分析结果表明，该方法的节能效率为12%。
关键词：多级带式输送机； 速度控制； 顺序启动； 节能效率
带式输送机是运输散状物料的主要设备，随着它的广泛使用，节能降耗[1]成为一个重要的研究课题。速度控制[2-3]是减少带式输送机能量消耗方法中非常重要的一种。当前，多级带式输送机是按照逆序方式启动的，即从物料运送的反方向依次启动所有的带式输送机，全部启动完毕且稳定运行后，才给带式输送机上料[4]，这极大增加了带式输送机的空载运行时间，带来了大量能量的浪费，也造成了不必要的机械磨损。
现有的多级带式输送机顺序启动方法通过在各级带式输送机机头附近安装识别物料流动的传感器[5-6]来计算各级带式输送机的启动控制时间。这种方法存在以下局限性：① 受传感器精度和复杂环境的制约，很难准确检测到物料的流动；② 若胶带上留有间断的残余物料，极易发生误判操作，造成多级带式输送机提前启动，增加空载运行时间；③ 没有根据不同负载匹配得到相应的运行带速[7]。为此，本文从实用性和节能降耗角度出发，提出了基于速度控制的多级带式输送机顺序启动方法。
在第n-1级恒速运行的带式输送机机头安装检测物料横截面积的装置[8]，单位采样时间内检测到的负载大小为
(1)
式中：γ为物料的密度；tc为采样时间；A(t)为物料的横截面积；vn-1为第n-1级带式输送机的速度。
在保持胶带上物料横截面积最大的情况下，带速与负载为线性关系。带速v与负载T的匹配模型为
(2)
首先依据式(1)计算出带式输送机的负载，然后通过式(2)得到与该负载匹配的带速，当此带速不等于带式输送机软启动后的速度时，需要进行变频调速。由于带式输送系统具有非线性、复杂性的特点，设置速度v(t)和加速度a(t)的数学表达式为
(3)
式中：td为速度变化Δv所需要的加速时间；v0为初速度。
为了减少空载运行时间和防止溢料的发生，加速时间应该尽可能小，最大加速度amax和最小加速时间td,min分别为
(4)
通过检测第n-1级带式输送机的负载大小T1，计算得到匹配带速v1。经时间t1后，进行第n级带式输送机的软启动，并调节带速到v1；经时间t2后，进行第n+1级带式输送机的软启动，并调节带速到v1。整个顺序启动运行过程PLC程序流程如图1所示。其中，vs为带式输送机软启动后的速度；L0，L分别为恒定、可调速度的带式输送机的运输距离；ts为软启动过程的时间；t0为软启动完毕后调速之前的稳定运行时间。
图1 多级带式输送机顺序启动PLC程序流程
3.1 仿真分析
以某煤矿为研究对象，其最大负载为3 000 t/h，达到物料横截面积最大时的匹配带速为5.0 m/s。共3级带式输送机，运力相同，且各自首尾依次搭接，第1级带式输送机以恒速5.0 m/s运行，运输距离L0为700 m，其他参数与第2，3级带式输送机的参数相同，第2，3级带式输送机参数见表1。
表1 带式输送机参数
为防止溢料的发生，在胶带上物料横截面积最大的前提下，依据经验将与负载匹配得到的带速提高10%，结合式(2)建立带速与负载的匹配模型，如图2所示。
图2 带速与负载的匹配模型
带式输送机的软启动方程[6]为
(5)
式中：va为爬行带速，0.5 m/s；vs为软启动结束后的带速，3.3 m/s；ta为爬行加速阶段时间，22 s；tb为主加速阶段时间，50 s；τ为爬行阶段时间，18 s。
在瞬间加速过程中，张力过载和胶带打滑是带式输送机常见的2种故障。在这2种情况下，加速度最大值的计算公式[9]为
=
0.145
(6)
=
0.076
(7)
式中g为重力加速度。
amax为这2种情况下分别计算出的最大加速度中的最小值，即
(8)
当与负载匹配的带速为4.4 m/s时，按照式(4)计算出从软启动结束后的带速vs加速到此匹配带速的最小时间td,min为
(9)
各级带式输送机按照式(5)进行软启动，加速过程按照式(3)进行，各级带式输送机顺序启动的运行曲线如图3所示。其中，H-D，L-F分别为第2,3级带式输送机的软启动阶段，各历时90 s；D-E，F-G分别为第2,3级带式输送机软启动完毕后加速运行前的稳定运行阶段，根据经验各历时10 s；E-A，G-B分别为第2,3级带式输送机的加速阶段，各历时23 s；A-B为第2级带式输送机以4.4 m/s稳定运行阶段；B-C为第2,3级带式输送机以4.4 m/s稳定运行阶段。
图3 多级带式输送机的顺序启动
3.2 功耗计算
3.2.1 速度控制的功耗计算
带式输送机的能耗方程[10]为
(10)
式中：θ1,θ2,θ3,θ4是一个具体的带式输送机的4个常数，这里计算出Θ=[θ1θ2θ3θ4]T=[0.003 68 7000.003 150.390 2]T。
对式(10)进行一阶求导，求出Pav(v,T)的最小值Pmin=f(v,Tmax)。带式输送机功耗曲线如图4所示，其中标出了在物料横截面积取最大值Amax时的能耗值Pav=f(v,Amax)。若带式输送机不是按照匹配带速运行，那么功耗就会增加，否则会因为减速而产生溢料。
图4 带式输送机的功耗曲线
在负载为2 400 t/h时，匹配前各级带式输送机以5.0 m/s运行，匹配后带速为4.0 m/s，依据式(10)计算匹配前后的功耗P1，P2，则节能效率为
(11)
3.2.2 节省的空载时间计算
若多级带式输送机依据逆序方式启动运行，且以5.0 m/s恒速运行，每天启动3次，则第2级带式输送机每天空载运行时间为
(12)
第3级带式输送机每天空载运行时间为
(13)
第2,3级带式输送机每天空载运行总时间为
(14)
由于第2,3级带式输送机由2台功率为250 kW的电动机驱动，则采用顺序启动方式后，1 a(按300 d计算)理论节约的电能为
(15)
为了提高带式输送机的节能效率，提出基于速度控制的多级带式输送机顺序启动方法，实现了多级带式输送机间的“无缝”衔接。测试结果表明，该方法有效地缩短了带式输送机的空载运行时间，提高了带式输送机的节能效率，具有较高的应用价值。
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ZHANG Yajun, QIAO Tiezhu
(Engineering Research Center for Measuring and Controlling Technology and Advanced Transducers,Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)
Abstract：In order to increase energy-saving efficiency of belt conveyors, a control method of sequence start along the direction of material transport for multi-level belt conveyors was proposed. On the premise of maximum utilization of material cross section on the belt, firstly, matching model between belt speed and load was built. Then, frequency adjustment between belt speed after the soft start and the matching belt speed was implemented by designing scientific and available acceleration curve. Finally, the sequence start control time of multi-level belt conveyors was calculated. The simulation results show that the method increases energy-saving efficiency to 12%.
Key words：multi-level belt conveyors; speed control; sequence start; energy-saving efficiency
文章编号：1671-251X(2017)01-0052-04
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.01.013
收稿日期：2016-09-07；
修回日期：2016-12-03；责任编辑：胡娴。
基金项目：山西省自然科学基金项目(201601D011059)。
作者简介：张雅俊(1989-)，男，山西吕梁人，硕士研究生，主要研究方向为新型传感器与智能控制、测试计量技术与煤矿电气自动化等，E-mail:837310686@qq.com。
中图分类号：TD634.1
文献标志码：A
网络出版：时间：2016-12-30 10:28
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161230.1028.013.html
张雅俊, 乔铁柱.基于速度控制的多级带式输送机顺序启动方法[J].工矿自动化，2017,43(1)：52-55.