CN110271836B - 一种煤矿异构驱动刮板输送设备控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿开采技术领域，具体地说是一种煤矿异构驱动刮板输送设备控制系统及方法。现有的刮板输送设备的驱动方式多采用单电机驱动或采用同构多电机驱动，两种方式不能充分发挥电机的效率，造成电能浪费，影响使用寿命。本发明采用异构驱动方式，即刮板输送设备机头、机尾配套不同变频器、电机、减速器、链轮等驱动部件，根据刮板输送设备的工作原理和工况特性，结合电机的机械特性，应用变频技术、自动控制技术、计算机技术、微电子技术等技术手段，根据设备启动、运行的不同阶段、不同负载，合理分配各电机输出转速、转矩，形成刮板输送设备运行完整的控制策略，保证刮板输送设备正常运行的同时，最大程度的发挥电机的工作效率。

Description

一种煤矿异构驱动刮板输送设备控制系统及方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下开采运输过程中刮板输送设备驱动方式及其控制的技术领域，具体地说是一种异构驱动的刮板输送设备的控制系统和控制方法。

背景技术

煤矿井下综采工作面煤层开采时，刮板输送设备（即刮板输送机、转载机）通过刮板链运动将原煤运出工作面，传统的刮板输送设备驱动方式或采用单电机驱动（转载机），或采用同构多电机驱动（刮板输送机）。同构多电机驱动刮板输送机是指机头、机尾的变频器、电机、减速器的减速比、链轮结构均相同。从刮板输送设备的原理和工况特性来分析，单电机驱动和同构多机的驱动方式存在不足，不能依据刮板输送设备的工作原理充分发挥电机的效率，造成电能浪费，同时影响刮板输送设备机械部件的使用寿命。近年来，变频技术广泛应用于刮板输送设备，通过变频器控制电机运行频率以调整刮板输送设备的运行速度，对于同构驱动的刮板输送机，控制电机转速相同的同时，控制电机的输出转矩，以达到刮板输送机机头、机尾功率平衡。

发明内容

本发明的目的是发明一种异构驱动的刮板输送设备，并根据刮板输送设备的工作原理和运行工况，发明异构驱动刮板输送设备的控制理论和控制系统，充分利用电机的效率，提高设备机械部件的使用寿命，达到绿色节能的目的。

本发明采用的技术方案是：一种煤矿异构驱动刮板输送设备控制系统，包括主控制器1，机头变频器2，机头电机3，机头减速器4，机头链轮5，机尾变频器6，机尾电机7，机尾减速器8，机尾链轮9，刮板输送设备10，其中：机头变频器2与机尾变频器6额定功率不同；机头电机3与机尾电机7级对数、额定功率、额定频率不同；机头减速器4与机尾减速器8额定功率、减速比不同；机头链轮5与机尾链轮9齿数不同，但输出线速度相同。

主控制器1本发明的控制策略的执行者，由隔爆计算机和PLC控制模块组成，安装于设备列车处；计算机上运行专用软件，实现数据运算、显示和存储等功能，PLC作为逻辑控制的主体，实现对异构驱动刮板输送设备运行控制。

根据刮板输送设备机头、尾配套不同的变频器、电机、减速器、链轮的固有特性，构建合理的控制模型，使设备运行在设定的链速，并合理分配机头、机尾电机的输出转矩。

一种煤矿异构驱动刮板输送设备控制系统的控制方法，包括以下几个步骤：

1）根据刮板输送设备配套变频器、电机、减速器、链轮的固有参数，计算刮板输送设备运行在设定链速时所对应的变频器输出频率或电机转速；

2）根据对变频器输出频率的设定，计算刮板输送设备各电机启动过程的加速时间，使启动过程中链轮输出线速度相同；

3）根据对刮板输送设备负载情况调整各电机的输出转矩，保证刮板输送设备的安全运行；

4）综合以上条件构建异构驱动刮板输送设备的控制模型，并在主控制器1中控制刮板输送设备运行。

一种煤矿异构驱动刮板输送设备控制系统及方法，区别于传统的刮板输送设备驱动方式，采用异构的传动系统驱动刮板输送设备，根据刮板输送设备工作原理和工况特性，选择不同电机、减速器、链轮、变频器，通过控制算法，使设备运行在设定的链速，并合理分配机头、机尾电机的输出转矩。

刮板输送设备10中链条和负载变化是本发明的研究对象。刮板输送设备在运行过程中，要保证链条安全运行，必须要求机头链轮5和机尾链轮9的线速度相同，为满足此条件，需根据机头链轮5和机尾链轮9的齿数、机头减速器4和机尾减速器8的减速比、机头电机3和机尾电机7的固有特性等设置机头变频器2和机尾变频器6的运行频率。

有益效果：本发明设计合理，通过计算机技术和变频控制技术实现对异构驱动的刮板输送设备控制，根据负载情况实时调整各驱动电机的输出转矩，保证煤矿安全生产，提高刮板输送设备的使用寿命。

附图说明：

图1是本发明的系统图。

其中：1主控制器，2机头变频器，3机头电机，4机头减速器，5机头链轮，6机尾变频器，7机尾电机，8机尾减速器，9机尾链轮，10刮板输送设备。

图2是不同负载下刮板输送设备链轮的受力情况。

其中：图2-（1）为机头输出转矩在额定转矩以下链轮的受力情况；图2-（2）为机头输出转矩在额定转矩以上链轮的受力情况；S1：底链机尾受力点，S2：底链机头受力点，S3：上链机头受力点，S4：上链机尾受力点。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细说明：

如图1可知，一种煤矿异构驱动刮板输送设备控制系统及方法，所涉及的设备包括主控制器1，机头变频器2，机头电机3，机头减速器4，机头链轮5，机尾变频器6，机尾电机7，机尾减速器8，机尾链轮9，刮板输送设备10。主控制器1是一台隔爆计算机，安装在顺槽设备列车处。计算机上运行专用软件，完成较复杂的运算，采用PLC等控制模块加以配合，实现对刮板输送设备运行全过程的控制。

1、刮板输送设备转速控制

刮板输送设备在运行过程中，必须保证机头链轮5、机尾链轮9的线速度相同，避免刮板链因速度不同而被拉断，因为机头和机尾的电机、减速器、链轮、变频器各不相同，所以设定的变频器输出频率也不同。

根据变频器设定运行频率计算出电机输出转速为：

f——为变频器设定运行频率

P——为电机极对数

n——为电机转速

减速器输出转速为：

i——为减速器减速比

链条运行速度为：

p——链条节距

Z——为链轮齿数

因为刮板输送设备机头、机尾链轮运行的线速度必须相同，所以由以上公式推导：

由于机头、机尾处的链条节距相同，所以整理得机头、机尾变频器设定频率的比值为：

机头、机尾电机输出转速的比值为：

公式中下标1、2分别代表机头、机尾对应的参数。

2、刮板输送设备加速度控制

刮板输送设备加减速过程中，变频器的输出频率随时间上升的关系曲线，称为加减速方式。目前，煤矿刮板输送设备所使用的变频器的加减速方式全部是线性方式，即：变频器的输出频率随时间成正比地上升。

由于刮板输送设备在启动过程中，机头、机尾链轮线速度必须也保持相同，所以刮板输送设备的加速时间设定也需要根据机头、机尾的各零部件配置情况而定，使机头、机尾链轮线速度必须也保持相同。机头、机尾变频器设定的加速时间应为：

t——为变频器到达目标转速的时间

n——为变频器输出的目标转速

——为变频器的额定转速

——为变频器设定的加速时间

i——为减速器的减速比

Z——为链轮齿数

公式中下标1、2分别代表机头、机尾对应的参数。

3、刮板输送设备功率协同控制

在刮板输送设备运行过程中，链条在各点的受力是不均匀的，链条各点受力如下图2-（1）和图2-（2）所示。由图可见，刮板输送机运煤过程中，上链机头受力点S3的力最大。

由于链轮带动链条运转，机头链条S3点、机尾链条S1点受力会直接反映到机头、机尾链轮上，根据对刮板输送设备运行工况研究，不考虑过载的情况下，刮板输送设备机头电机只拉上链，机尾电机只拉下链，如图所示，即保持S2和S4受力为零。

由于刮板输送设备运送物料时物料直接接触上链，上链通过刮板将物料运送至机头卸料口，所以在理想情况下，下链的长度不变，运行过程中负载不变，机尾电机拉下链时的输出转矩应该保持恒定；机头的输出转矩按负载转矩变化而变化。当上链的物料过多，机头电机输出转矩大于额定转矩时，重新分配负载，机尾电机按额定转矩的比例增加输出转矩，分担机头电机的负载。

为机头电机输出转矩;

为机尾电机输出转矩;

为机头电机的额定转矩;

为机尾电机的额定转矩;

为机头电机的重新分配后转矩;

为机尾电机的重新分配后转矩。

Claims (1)

1.一种煤矿异构驱动刮板输送设备控制系统的控制方法，其特征在于：包括主控制器，机头变频器，机头电机，机头减速器，机头链轮，机尾变频器，机尾电机，机尾减速器，机尾链轮，刮板输送设备，其中：异构为所述机头变频器与机尾变频器额定功率不同；机头电机与机尾电机级对数、额定功率、额定频率不同；机头减速器与机尾减速器额定功率、减速比不同；所述机头链轮与机尾链轮齿数不同，输出线速度相同;

主控制器由隔爆计算机和PLC控制模块组成，安装于设备列车处；计算机上运行专用软件，实现数据运算、显示和存储功能，PLC作为逻辑控制的主体，实现对异构驱动刮板输送设备运行控制;

根据刮板输送设备机头、尾配套不同的变频器、电机、减速器、链轮的固有特性，构建合理的控制模型，使设备运行在设定的链速，并合理分配机头、机尾电机的输出转矩；

该控制方法为：

1）根据刮板输送设备配套变频器、电机、减速器、链轮的固有参数，计算刮板输送设备运行在设定链速时所对应的变频器输出频率或电机转速；

2）根据对变频器输出频率的设定，计算刮板输送设备各电机启动过程的加速时间，使启动过程中链轮输出线速度相同；

3）根据对刮板输送设备负载情况调整各电机的输出转矩，保证刮板输送设备的安全运行；

4）综合以上条件构建异构驱动刮板输送设备的控制模型，并在主控制器中控制刮板输送设备运行；

刮板输送设备在运行过程中，为保证机头链轮、机尾链轮的线速度相同，设定电机的输出转速应为：

设定变频器的输出频率为：

f——为变频器设定运行频率

i——为减速器减速比

p——链条节距

Z——为链轮齿数

n——为电机转速

下标1、2分别代表机头、机尾对应的参数；

刮板输送设备加减速过程中，机头、机尾链轮线速度必须也保持相同；变频器的输出频率随时间上升的关系曲线，称为加减速方式；目前，煤矿刮板输送设备所使用的变频器的加减速方式全部是线性方式，即：变频器的输出频率随时间成正比地上升；所以刮板输送设备的加速时间设定也需要根据机头、机尾的各零部件配置情况而定，使机头、机尾链轮线速度必须也保持相同；机头、机尾变频器设定的加速时间应为：

t——为变频器到达目标转速的时间；

n——为变频器输出的目标转速；

n_N——为变频器的额定转速；

t_r——为变频器设定的加速时间；

i——为减速器的减速比；

Z——为链轮齿数；

公式中下标1、2分别代表机头、机尾对应的参数；

刮板输送设备的负载不同，转矩分配也不相同；根据对刮板输送设备运行工况分析，制定刮板输送设备转矩分配方案；

具体分配方案：当负载较少时，机尾电机只输出刮板输送设备底链负载的转矩，机头电机输出拉上链和物料的负载转矩；当上链的物料过多，机头电机输出转矩大于额定转矩时，重新分配负载，机尾电机按额定转矩的比例增加输出转矩，分担机头电机的负载，即：

T₁为机头电机输出转矩；

T₂为机尾电机输出转矩；

T_1额为机头电机的额定转矩；

T_2额为机尾电机的额定转矩；

为机头电机的重新分配后转矩；

为机尾电机的重新分配后转矩。