CN103420095A

CN103420095A - 一种变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统及方法

Info

Publication number: CN103420095A
Application number: CN2013102928871A
Authority: CN
Inventors: 张宏伟; 王新环; 王得胜; 高庆华; 张伟; 刘巍; 史祥翠; 张玉均; 王帅
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明公开了一种变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统及方法，包括多个电动机、机械传动系统、数据采集模块和PLC控制系统，所述的多个电动机的输出轴分别通过机械传动系统联接对应的滚筒；所述的数据采集模块的输出端连接PLC控制系统输入端。本发明通过可控动力源采用液压电机和液压驱动系统通过蜗轮蜗杆机构实现对行星齿轮机构的输出转速进行控制；通过齿轮减速机构起到降速和初步扩大力矩的作用，进一步通过2K-H行星传动机构扩大力矩、降低转速，实现运动合成以及过载保护功能。通过PLC控制系统采用“主-从结构，速度-功率双闭环控制”多机功率平衡方法，调节液压马达的供油量控制机械系统输出轴的转速，实现多机驱动功率平衡。

Description

一种变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统及方法

技术领域

本发明涉及一种多机功率平衡系统及方法，尤其涉及一种变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统及方法。

背景技术

带式输送机因其系统构造简单、输送量大、运行距离长、可连续运转、运行稳定性高等特点，在煤炭、冶金、水泥、电力、港口、化工等行业担负着输送散状物料的作用，其发展的一个重要方面就是大运量、长距离、高带速。对于长距离、大运量、高强度大型胶带输送机目前均采用多滚筒、多电机、多点驱动，即在输送机头部、中间和尾部分别设置多台电动机，形成多台电机拖动同一皮带运行距离达数公里的多电机拖动系统。多滚筒、多电机、多点驱动的输送机优点是降低了输送带的工作张力，对驱动装置的功率和机械强度要求降低，适用面广。

长距离、大运量带式输送机，由于使用中经常满载启动或停车，使得输送带承受很大的动张力；此外，驱动电机的功率很大，满载直接启动时会对电网产生很大的冲击，不仅会影响其他设备的正常运行，而且会造成很大的能源浪费。对于多电机驱动的带式输送机，由于电动机的外特性的差异、设备的制造和安装的误差、胶带弹性伸长率的不同以及载荷变化等因素的影响，造成电动机负载功率的失衡，从而引起带式输送机的功率不平衡。多点驱动存在着可控软起动以及功率平衡问题，协调好各台电动机的运行状态，是输送机能否正常运行的关键。

目前大功率带式输送机采用的驱动装置主要有交流变频器、调速型液力耦合器、液粘传动装置等。

对于使用交流变频器的大功率带式输送机，当电动机容量较大时，大功率变频器的输入谐波对电网的影响以及输出谐波对电动机的影响成为交流变频系统中突出的问题,极大地影响了运行效率。

而使用调速型液力耦合器、液粘传动装置时，在正常工作时效率低，传动特性是非线性的，可控制精度低。

现在也有将液粘传动和行星齿轮传动相结合实现可控变速，其液粘传动部分的零件加工精度要求高，启动过程或低速运转时，对冷却系统的冷却能力要求高，整个系统结构复杂，成本高昂。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、成本低的变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统及方法，且无谐波、可控起动性能好，能大大提高运行可靠性和效率。

本发明采用下述技术方案：

一种变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统，包括多个电动机和机械传动系统，所述的多个电动机的输出轴分别通过机械传动系统联接对应的滚筒，所述的机械传动系统包括齿轮减速机构和行星传动机构，所述的齿轮减速机构的输出轴连接行星传动机构的输入轴；所述的行星传动机构的内齿圈通过蜗轮、蜗杆连接可控动力源，所述的可控动力源包括液压马达和液压驱动机构；还包括用于对多个电动机和机械传动系统进行数据监测和采样的数据采集模块和对以上各个模块、系统进行数据采集、处理、控制的PLC控制系统，所述的数据采集模块的输出端连接PLC控制系统输入端，所述的液压驱动机构与PLC控制系统相连接。

所述的液压驱动机构包括液压泵、电液比例节流阀、电液比例溢流阀、第一单向阀和第二单向阀，所述的液压泵的出油端通过第一单向阀联通液压马达的进油端，液压马达的出油端通过电液比例节流阀联通油箱，所述的液压泵的出油端通过电液比例溢流阀联通油箱，所述的液压马达的进油端通过第二单向阀联通电液比例节流阀的出油端。

所述的行星传动机构为2K-H型行星变速齿轮。

所述的数据采集模块包括用于检测机械传动系统输出轴速度的电感式接近开关、用于检测油箱油温的温度传感器和多个分别用于检测第一电动机、第二电动机、第三电动机、第四电动机的电流传感器。

所述的温度传感器为RTD型温度传感器。

一种变速装置驱动带式输送机多机功率平衡方法：包括以下几个步骤；

A：通过数据采集模块实时发送采集到的各个带动滚筒转动的输出轴的转速、油箱的油温以及主电动机的功率信号到PLC控制系统，PLC控制系统根据接收到的信号通过液压驱动机构对机械传动系统输出轴进行速度闭环控制；

B：PLC控制系统以主电动机的功率值作为辅助电动机功率给定值，对各个辅助电动机通过通过液压驱动机构对机械传动系统输出轴进行功率闭环控制，为防止飞车现象，同时对辅助电动机进行速度限制。

所述的机械传动系统包括齿轮减速机构和行星传动机构，所述的齿轮减速机构的输出轴连接行星传动机构的输入轴，所述的行星传动机构的行星齿轮通过蜗轮、蜗杆连接可控动力源。

所述的可控动力源包括液压马达和液压驱动机构，所述的液压驱动机构由PLC系统进行控制。

所述的数据采集模块包括用于检测机械传动系统输出轴速度的电感式接近开关、用于检测油箱油温的温度传感器和多个分别用于检测多个电动机功率的电流传感器。

本发明结构简单，通过可控动力源采用液压电机和液压驱动系统通过蜗轮蜗杆机构实现对行星齿轮机构的输出转速进行控制；通过齿轮减速机构起到降速和初步扩大力矩的作用，进一步通过2K-H行星传动机构扩大力矩、降低转速，实现运动合成以及过载保护功能。电气控制中通过PLC控制系统采用“主-从结构，速度-功率双闭环控制”多机功率平衡方法，调节液压马达的供油量控制机械系统输出轴的转速，实现多机驱动功率平衡。本系统无谐波、可控起动性能好、运行可靠、效率高，多点驱动功率平衡调节性能好，控制容易，控制系统开放，易于实现数据共享和网络化，便于整体矿山自动化系统的集成。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明所述的机械传动系统结构示意图；

图3为本发明所述可控动力源的结构示意图；

图4为本发明所述的速度传感器安装结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统，包括多个电动机、机械传动系统、用于对多个电动机和机械传动系统进行数据监测和采样的数据采集模块和对以上各个模块、系统进行数据采集、处理、控制的PLC控制系统，所述的多个电动机的输出轴分别通过机械传动系统联接对应的滚筒；所述的数据采集模块的输出端连接PLC控制系统输入端。所述的PLC控制系统采用西门子S7-300PLC平台，具备Ethernet、Profibus、Modbus、RS485多种通信接口，组网方便，便于整体矿山自动化系统的集成。

对于现有的多电机驱动的带式输送机，由于电动机的外特性的差异、设备的制造和安装的误差、胶带弹性伸长率的不同以及载荷变化等因素的影响，造成电动机负载功率的失衡，从而引起带式输送机的功率不平衡。本发明通过以上部件使用“主-从结构，速度-功率双闭环控制”方案，实现可控动力源多机驱动功率平衡。本发明所述的主从控制结构，需以某一台电机作为主驱动，其余电机作为从驱动。本实施例中以四个电动机第一电动机、第二电动机、第三电动机、第四电动机为例说明控制原理，并以第一电动机为主驱动电动机（主电动机1），第二电动机、第三电动机、第四电动机为从属驱动电动机（辅助电动机）。

所述的机械传动系统包括齿轮减速机构和行星传动机构，所述的齿轮减速机构的输出轴连接行星传动机构的输入轴。所述的行星传动机构的内齿圈13通过蜗轮蜗杆连接可控动力源。如图2所示，安装时主电动机1、液压马达9、行星传动机构输出轴17安装在机箱的外部，主电动机1通过联轴器与输入轴5相连接，主动齿轮6固定装配在输入轴5上并与从动齿轮8相啮合，从动齿轮8固定装配在从动轴7上，从动轴7通过套筒联轴器与中心轮15装配在一起，内齿圈13、行星齿轮14、中心轮15及行星架构16成行星传动机构，行星架16与行星传动机构输出轴17固定连接在一起，液压马达9通过变速机构联轴器10与蜗杆11连接在一起，蜗杆11与蜗轮12相啮合，蜗轮12与内齿圈轮13固定装配在一起，套筒、行星架16以及行星传动机构输出轴17固定装配成一个整体，在输出轴上设置有前轴承，在套筒上设置有后轴承，形成简支梁结构，具有效率高、传递扭矩大、调速方便的特点。所述的套筒、前轴承、后轴承未示出，本发明所述的机械传动系统可以分为两个传动链：

一是从主电动机1到行星传动机构输出轴17的主传动链，其传动路线为：主电动机1→ 联轴器 → 输入轴5→ 主动齿轮6→ 从动齿轮8→ 从动轴7→ 联轴器→ 中心轮15→ 行星齿轮14→ 行星传动机构输出轴17→ 驱动滚筒；

二是从液压马达9到内齿圈13的控制传动链，其传动路线是：液压马达9→ 套筒联轴器10→ 蜗杆11→ 蜗轮12→ 内齿圈13。所述的两个传动链分别对应以下两种情况；

1，额定运行状态。主电动机1通过联轴器将运动和力矩传给输入轴5，再通过主动齿轮6和从动齿轮8传给2K-H行星传动机构的中心轮15，在额定运行状态（也可称为正常运行状态），内齿圈13不转动，故行星轮14在自转的同时通过行星架16带动行星传动机构输出轴17转动，从而输出运动和力矩。可见，在额定运行状态，机械传动系统本质上是一级齿轮减速加一级行星传动，运转中没有转速损失，所以效率高。

2，调速运行状态。由于行星传动机构可以作为一个运动合成机构来使用，因此当液压马达9通过蜗轮12蜗杆11带动内齿圈13以不同转速转动时，可以使行星传动机构输出轴17的转速随之变化。

如图3所示。本实施例中所述的可控动力源包括液压马达9和液压驱动机构，所述的液压马达9为蜗轮12蜗杆11提供动力源。所述的液压驱动机构与PLC控制系统相连接。所述的液压驱动机构包括液压泵19、电液比例节流阀22、电液比例溢流阀24、第一单向阀20和第二单向阀21，所述的液压泵19的出油端通过第一单向阀20联通液压马达9的进油端，液压马达9的出油端通过电液比例节流阀22以及溢流阀23联通油箱25，溢流阀23使液压控制更加精确。所述的液压泵19的进油端通过吸油滤清器18连接油箱25；所述的液压泵19的出油端通过电液比例溢流阀24联通油箱25，所述的液压马达9的进油端通过第二单向阀联21通电液比例节流阀22的出油端。本发明工作时通过电液比例节流阀22调节液压马达9的流量，从而使皮带输送机的转速实现无级变化。电液比例溢流阀24用来调整可控动力源的工作压力，通过PLC控制系统对可控动力源不同工作状态下压力的设定，使可控动力源始终工作在最优状态，从而实现效率最高、油温最低的设计目标。电液比例溢流阀24的压力调整量与输入的电信号成正比，选用此阀作为系统的工作压力控制阀，用于调节电液比例节流阀22的最大工作压力，当可控动力源过载或电子放大器信号错误出现过高压力时，此阀动作泄压，起到安全保护作用。可以方便地实现可控动力源在额定压力或泄荷状态下运行。电液比例节流阀用于流量调节，PLC系统通过放大器向各个比例阀提供适当的驱动电流，即根据输入信号大小进行流量控制。

本发明所述的电液比例溢流阀24的驱动采用E-ME-AC型电子放大器，该放大器对电磁铁提供一个切换电流，阀口的大小与输入电流信号成正比，通过改变阀口的大小可以控制回路的压力。电液比例节流阀22的驱动采用E-ME-T型电子放大器，该类放大器用于带阀芯位置反馈的比例阀，放大器按输入信号的变化，成比例地控制阀芯位置，通过对电磁铁提供适当的电流调整液压马达的流量，从而使其转速实现无级变化。

所述的数据采集模块包括用于检测机械传动系统输出轴速度的电感式接近开关、用于检测油箱油温的温度传感器和多个分别用于检测第一电动机、第二电动机、第三电动机、第四电动机功率的电流传感器。所述的温度传感器为RTD型温度传感器，具有精度高、分辨率好，安全可靠、使用方便等优点，可以直接测量各种生产过程中的液体的温度。

如图4所示，本发明的输出轴17速度采用电感式接近开关26检测，在输出轴17安装一个测速齿轮27，随着测速齿轮27的转动，接近开关26输出矩形方波信号，用于检测可控变速装置输出轴17速度。在安装和调试期间，应调整传感器探头与测速齿轮27之间的空气间隙，以保证能正确检测到速度信号。防爆型驱动带式输送机需采用NAMUR电感式接近开关，为两线制连接方式，必须与隔离栅配合使用。图4为M5×0.5螺纹安装形式，且必须通过一个螺纹适配器进行安装。该接近开关26的可靠作用距离为0~3mm。安装方式如下：

1，松开螺母28，顺时针旋进速度探头，直到探头接触到齿圈平面；

2，轻轻地将探头退回（逆时针方向）约1/2圈，再拧紧螺母28。螺纹适配器每圈的行程约为1.27mm。

A：数据采集模块实时发送采集到的各个带动滚筒转动的输出轴17的转速、油箱的油温以及第一电动机的功率信号到PLC控制系统，PLC控制系统根据接收到的信号对第一电动机通过液压驱动机构进行速度闭环控制并进行功率限幅。具体为PLC控制系统通过控制电液比例节流阀的开口量，控制液压马达的供油量，使液压马达带动内齿圈转动，从而控制机械系统的输出轴转速和滚筒转速，调节电动机的载荷，实现功率限幅控制；

B：PLC控制系统以主电动机的功率值作为第二电动机、第三电动机、第四电动机功率给定值，对第二电动机、第三电动机、第四电动机进行功率闭环控制，控制原理同上；同时对第二电动机、第三电动机、第四电动机进行速度限制可以防止飞车现象。

所述的数据采集模块包括用于检测机械传动系统输出轴速度的电感式接近开关、用于检测油箱油温的温度传感器和多个分别用于检测第一电动机、第二电动机、第三电动机、第四电动机功率的电流传感器。

PLC控制系统采用西门子S7-300PLC平台，具备Ethernet、Profibus、Modbus、RS485多种通信接口，组网方便。

本发明采用“主-从结构，速度-功率双闭环控制”多机功率平衡方法，通过调节液压马达的供油量控制机械系统输出轴的转速，实现多机驱动功率平衡。本系统无谐波、可控起动性能好、运行可靠、效率高，多点驱动功率平衡调节性能好，控制容易，控制系统开放，易于实现数据共享和网络化，便于整体矿山自动化系统的集成。

当带式输送机启动时，如果先使液压马达9带动内齿圈13转动，且其转速达到一定的数值，根据行星传动机构的工作原理可知，行星传动机构输出轴17和从动轴7都有可能转动。但是由于行星传动机构输出轴17与滚筒联接，其阻力矩很大，而从动轴7的阻力矩较小，因此，主电动机1的转子就会随从动轴7转动，适当调整液压系统，使从动轴7转动的转向与主电动机1工作时的转向一致，然后再启动主电动机1，从而实现主电动机1空载启动的目的。当主电动机1转速达到额定转速后，液压马达9就成为主电动机1的一个负载，使液压马达9按照一定规律降速，可使行星传动机构输出轴17按照相应规律升速启动，从而实现主电动机1先空载启动、再使滚筒均匀、平稳升速到额定转速的软启动的目的。

Claims

1.一种变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统，包括多个电动机和机械传动系统，所述的多个电动机的输出轴分别通过机械传动系统联接对应的滚筒，其特征在于：所述的机械传动系统包括齿轮减速机构和行星传动机构，所述的齿轮减速机构的输出轴连接行星传动机构的输入轴；所述的行星传动机构的内齿圈通过蜗轮、蜗杆连接可控动力源，所述的可控动力源包括液压马达和液压驱动机构；还包括用于对多个电动机和机械传动系统进行数据监测和采样的数据采集模块和对以上各个模块、系统进行数据采集、处理、控制的PLC控制系统，所述的数据采集模块的输出端连接PLC控制系统输入端，所述的液压驱动机构与PLC控制系统相连接。

2.根据权利要求1所述的变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统，其特征在于：所述的液压驱动机构包括液压泵、电液比例节流阀、电液比例溢流阀、第一单向阀和第二单向阀，所述的液压泵的出油端通过第一单向阀联通液压马达的进油端，液压马达的出油端通过电液比例节流阀联通油箱，所述的液压泵的出油端通过电液比例溢流阀联通油箱，所述的液压马达的进油端通过第二单向阀联通电液比例节流阀的出油端。

3.根据权利要求2所述的变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统，其特征在于：所述的行星传动机构为2K-H型行星变速齿轮。

4.根据权利要求3所述的变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统，其特征在于：所述的数据采集模块包括用于检测机械传动系统输出轴速度的电感式接近开关、用于检测油箱油温的温度传感器和多个分别用于检测第一电动机、第二电动机、第三电动机、第四电动机的电流传感器。

5.根据权利要求4所述的变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统，其特征在于：所述的温度传感器为RTD型温度传感器。

6.一种变速装置驱动带式输送机多机功率平衡方法：其特征在于：包括以下几个步骤；

7.根据权利要求6所述的变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统，其特征在于：所述的机械传动系统包括齿轮减速机构和行星传动机构，所述的齿轮减速机构的输出轴连接行星传动机构的输入轴，所述的行星传动机构的行星齿轮通过蜗轮、蜗杆连接可控动力源。

8.根据权利要求7所述的变速装置驱动带式输送机多机功率平衡系统，其特征在于：所述的可控动力源包括液压马达和液压驱动机构，所述的液压驱动机构由PLC系统进行控制。

9.根据权利要求8所述的变速装置驱动带式输送机多机功率平衡方法，其特征在于：所述的液压驱动机构包括液压泵、电液比例节流阀、电液比例溢流阀、第一单向阀和第二单向阀，所述的液压泵的出油端通过第一单向阀联通液压马达的进油端，液压马达的出油端通过电液比例节流阀联通油箱，所述的液压泵的出油端通过电液比例溢流阀联通油箱，所述的液压马达的进油端通过第二单向阀联通电液比例节流阀的出油端。

10.根据权利要求9所述的变速装置驱动带式输送机多机功率平衡方法，其特征在于：所述的数据采集模块包括用于检测机械传动系统输出轴速度的电感式接近开关、用于检测油箱油温的温度传感器和多个分别用于检测多个电动机功率的电流传感器。