新一代带式输送机软启动装置的研究应用

近几年来，随着长运距、大运量、大功率带式输送机的出现，国内外相继开发出了多种型式的软启动装置。兖州矿业（集团）有限责任公司及下属煤矿在这方面下大力气，积极应用当前已有的适用新技术，并与有关单位共同开展了科技攻关，在带式输送机软启动研究与应用方面取得了显著的成绩，对国内同行具有相当的参考价值。

    1 带式输送机软启动装置分析

    目前，常用的大型带式输送机软启动装置有液力调速装置、BOSS系统、调速型偶合器、CST（COntrolledStarTransmission）系统可控传动技术、交流电机软启动器、液体粘性传动装置和变频调速装置等。山东科技大学和兖州矿业（集团）公司南屯煤矿对这几种带式输送机软启动装置特点进行了对比分析。

    此项研究除了总结出这些常用的大型带式输送机软启动装置具有的显著优点以外，还对它们各自的缺陷进行了归纳分析，最后得出了如下结论：各种带式输送机的软启动器装置各有其特点。例如，BOSS系统软启动过程中发热量极大、传动效率低，不能实现无级调整，多驱动功率平衡须以摩擦片磨损为代价，油膜间隙有限致使无法实现真正空载启动；CST调速系统与减速器一体，体积大，安装不方便，在高速轴配置逆止器和制动器较困难；而且，BOSS系统和CST系统可控传动技术因为价格昂贵，备品备件要进口，所以应用不广泛，但是CST系统却是唯一能够保证在紧急停车或者突然断电的时候提供可控停车的驱动系统。液体粘性传动装置和变频调速装置由于其内部的液压控制系统复杂，制造和维护成本高，应用也不广泛。当带式输送机的单元功率小于500kW的时候，调速型液力偶合器是软启动的最佳选择，尽管其软启动性能比液粘方式差，有滑差，效率损失约2%，调速精度和传动效率不及变频调速和CST。交流电动机软启动因为不具备功率平衡和无级调速功能，而必须与限矩型偶合器配套使用，一般用于非重要的中小功率传动场合，但是其价格低廉、操作简单，在煤矿井下的顺槽可伸缩带式输送机上应用非常广泛。

    2 多点驱动带式机斩波软启动

    兖州矿业（集团）有限责任公司和煤炭科学研究总院上海分院合作，利用斩波降压软驱动原理，成功地研制出了多点驱动带式输送机的斩波降压软启动全数字控制技术和产品，达到了维护方便、控制精确、启动平稳等要求。
QJR1-300/1140型软启动器控制采用英国SSD591全数字传动控制器，内部有多个可重新组态的数字模块，通过合适的组合，形成速度闭环和电流截止负反馈环。闭环控制为PI调节方式。各种电量信号经过保护电路模块过滤和组态，从原来几十种保护中选了几种必要的保护。给定信号发生器是可编程的，通过对斜坡输入、斜坡加速时间和切换输入的设定，可以方便地控制胶带加速时间和切换时间。

    为了适合煤矿自动化管理的要求，该软启动器的操作方式既可以直接启动，也可以远端启动。同时还可以向上级控制系统回馈启动、运行和故障三组无源触点，供上级控制系统程控使用。目前国内煤矿所使用的带式输送机，大多数为多电机多点驱动方式，为了避开启动电流，采用直接启动方式控制时都使用延时顺序启动办法，使几台驱动电机分时启动。由于软启动器对启动电流进行了有效控制，因此启动时允许几台软启动器同时启动。为了使几台电机负载平衡，软启动器采用主从控制方式，定义一台软启动器为主机，其余为从机，软启动器的速度和加速度控制由主机完成，从机跟踪主机的状态，达到电流平衡的目的。在实际运用中，多点驱动的带式输送，2个驱动点之间的距离可达1km左右，为了保证电流平衡控制信号可靠传输，采用可靠的V/F和F/V转换技术，有效控制了干扰信号，并避免了长距离传输中的信号衰减问题。

    3  带式输送机液粘软启动装置研究

    迄今为止，兖州煤矿机械厂已经研制出了150kW、200kW、500kW三种液粘软启动装置，并在各大矿务局的大型带式输送机中成功地运用了近百台套，实现了带式机的慢速、满载、平稳启动和多台电机的负载平衡，降低一级带强度和减小电机容量30%～40%，具有明显的经济效益。液体粘性学是近十几年新发展起来的一门崭新学科。液粘软启动装置的传动机理是基于牛顿内摩擦定律。它位于异步电动机和减速器之间，接受电动机的动力，驱动负载旋转。通过控制液体压力的大小，控制剪切油膜厚度，进而实现对液粘软启动装置输出转矩的控制，达到带式输送机软启动的目的。

    他们曾考虑了两种方案：

    弹簧作用式。通过向活塞内注油，使其压力升高，压盘推动弹簧使摩擦片脱开。这时，电动机空载启动。通过用步进电机控制数字压力阀使油压逐渐降低，摩擦片之间的间隙（剪切的油膜厚度）逐渐减小，使输入、输出转速差慢慢变小，直至两端同步，达到对带式输送机软启动的目的。

    油压作用式。由液压油在活塞上产生的力使摩擦片结合，弹簧在这里起回位作用。不工作时，由于油缸无压力油，所以摩擦片处于脱离状态。当输送机需要启车时，先空启电动机，然后通过液压系统向油缸内注油。随着压力的逐渐升高，活塞克服弹簧的弹性力将摩擦片之间的间隙慢慢变小，输出轴转矩越来越大，最后摩擦片完全结合，无相对转动，软启动过程结束。

    油压作用式与弹簧作用式的最大区别在于使摩擦片结合的力来源不同，控制方式也大不相同。油压作用式的最大缺点是启车结束后液压油必须维持一定的压力值，否则将影响输送机的正常使用。

    4 带式输送机液体粘性软启动装置研制

    由兖州煤矿机械厂独立开发研制的一种“带式输送机液体粘性软启动装置”，比较好地解决了矿山、港口等处使用数量巨大的带式输送机平稳启动这一个长期困扰生产厂家和用户的难题，填补了国内的一项空白，同时还使带式输送机整机价格也因此而下降了30%左右。

    据了解，新研制的这种带式输送机液体粘性软启动装置是利用液体的粘性和油膜剪切的原理，实现了输出转速的无级调节，是一种适用于长运距、大运量带式输送机上的集机械、电气、液压于一体的设备，可以使带式输送机的启动加速度在很大的大范围内被调节和控制。

    生产现场的使用实践有力地表明：这种液体粘性软启动装置在大运量、长运距的带式输送机上，尤其是在满载货物启动的时候使用，可以使带式输送机按照小于0.3m/s2的加速度平稳地启动，最小加速度可以达到0.043m/s2，并且能够在0.01～0.10m/s的范围内任意调控速度，不仅减少了冲击、极大地降低了胶带所承受的张力，而且还能够大幅度地减少胶带撕裂、电动机烧坏等机电事故的发生，保证了整机运行的安全性、可靠性和最大限度地延长了零部件的使用寿命，取得了良好的实际效果，经济效益和社会效益非常显著。专家们认为：此项研究成果的技术性能居于国内同类产品的领先水平，有着比较高的推广应用价值。

    5 大型带式输送机调速型液力偶合器软启动好

    实现带式输送机机械软启动有多种形式，但是应用最广泛的要数调速型液力偶合器组成的软启动方式。兖州矿区近年来成套投资带宽1.2m、机长1000m和总功率3×200kW以上的井下固定式大型强力带式输送机17台，其中由兖州矿业（集团）公司机械制修厂研制的15台大功率、高带速、多电机、大运量带式输送机，均采用了由调速型液力偶合器组成的软启动系统，并且受到了各大煤矿使用现场的肯定。

    调速型液力偶合器主要是由旋转组件、供排组件、调速控制装置、箱体油箱和冷却器等部件组成的。实际上，液力偶合器相当于离心泵和涡轮泵的组合。当泵轮旋转时，排油腔内形成旋转油环，使得流道内的油位与排油腔内的油位相适应，供油泵向流道内供给一定量的油，勺管排出等量的油。当勺管向外移动时，油环加厚；反之，油环变薄。这样，通过调整装置操纵勺管的移动，用增加或减少油环的厚度来提高或降低转述，就可以达到手动或自动无级调速的目的。

    调速型液力偶合器的软启动具有以下特点：①改善带式输送机的启动性能。②实现多机驱动的功率平衡。③提高电动机和胶带的使用寿命。④减少对电网的冲击。⑤容易实现带式输送机的遥控及中央集控。⑥提高带式输送机运行的可靠性。⑦有着极高的性能价格比。专家们指出：由于调速型液力偶合器软启动方式在带式输送机上的诸多优点，如果能够代替限矩型偶合器应用到井下大功率伸缩带式输送机上也必定会有显著的效果，当前有关单位正在开展实验探索，调速型液力偶合器软启动将会有更加广阔的应用前景。

    6 变频技术在带式输送机驱动中应用的研究

    兖州矿业（集团）公司综机设备租赁站开展了变频调速技术在矿用带式输送机上应用的研究，总结出运用变频器和变频电机对带式输送机进行驱动的特点。

    ①真正实现带式输送机软起动。运用变频器软起动功能将电机软起动和带式输送机软起动合二为一，通过电机慢速起动带动带式输送机缓慢起动，将胶带内部贮存的能量缓慢释放，可将输送机起停时产生的冲击减至最小，几乎对胶带不造成损害。

    ②实现带式输送机多电机驱动时的功率平衡。应用变频器对带式输送机驱动时一般采用一拖一控制，多电机驱动时采用主从控制，实现功率破获。

    ③降低胶带带强。由于变频器起动时间在1～3600s可调，带式输送机起动时间通常在60～200s内根据现场情况设定。起动时间延长大大降低对带强的要求，减少设备初期投资。实际应用中，由于降低了起动冲击，机械系统的损耗也随之降低，尤其托辊及滚筒寿命呈几倍延长。

    ④验带功能。低速验带功能是带式输送机检修的主要要求。变频调速系统为无极调速的交流传动系统，在空载验带状态下可调整5%～100%额定带速范围内的任意带速。

    ⑤平稳的重载起动。变频器低频运转最大可输出1.5倍额定转速，最适于重载起动。

    ⑥自动调速。变频器配合煤流传感器可以根据负载轻重自动调节胶带速度，节电的同时还减少了胶带的磨损。

    ⑦节能。主要体现在系统功率因数和系统效率两个方面。通常情况下，煤矿用电机在设计中的裕量较大，工作时绝大部分不能满载运行，电机工作于满电压、满速度而负载经常很小，也有部分时间空载运行。电机轻载时定子电流有功分量很小，主要是励磁的无功分量，因此功率因数很低。采用变频器驱动后，在整个过程中功率因数达0.9以上，大大节省了无功功率。而且，电机与减速器间改为直接硬联接，减少了液力偶合器，系统总传递效率提高5%～10%。另外，由于矿井通常离变电站比较远，不同时段的电压波动亦比较大，利用变频器的自动稳压功能也有部分节能作用。在匹配煤流传感器以后还可以自动依据煤流的大小自动调速。

    7 变频器软启动在带式输送机中的应用

    兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿井下主煤流运输由7条带式输送机运输系统组成。其中，北部带式输送机共有4个驱动单元，每台电机的功率为31.5kW，额定电压1140V，原先一直采用电机+耦合器的方式驱动。自从投入ZJT型1140V矿用隔爆兼本质安全型智能变频器以后，实现了带式输送机的软启动运行，使用效果非常理想。

    使用变频器以后，驱动电机直连滚筒，通过设置变频器输出电流频率由0Hz到设定频率的变化时间，就可以设置带式输送机软启动的启动时间。为了尽量减少带式输送机启动时对电机及带式输送机各部件的冲击，启动时间可以设置成10s以上。变频器的启动力矩大，尤其适合重载启动，这对带式输送机是十分有利的。带式输送机在运行时，由于环境恶劣，经常发生各类紧急停车的故障，一旦重载停车，由于耦合器在软启动时启动速度过快，而且对多电机驱动的带式输送机无法做到各电机的功率平衡，容易造成电机过载停车，对滚筒和联轴器等设备的损害是十分大的。

    改用变频器以后可以通过调节变频器输出频率的大小来实现各电机的功率平衡，在启动过程中通过降低电机的频率可以实现在小电流下的大功率输出，最大程度的降低了对电机及带式输送机的损伤。变频器的另一个重要用途是验带功能。带式输送机的日常检修工作中一个很重要的任务就是在胶带运行时检修胶带的磨损情况。但是，如果在满速情况下很难清楚地看到胶带的破损部位。该矿北部带式输送机使用的4套变频调速装置可以设置两种频率启动。在现场的应用中，将第一个频率设置为40Hz（根据采区煤量的多少自行调节）、第二个频率设置为10Hz，对应4.5m/s的满速速度，能够实现接近0.9m/s的验带速度。与使用耦合器作为传动装置相比，空载时电耗仅为50%，重载时节省30%。

    8 矿用隔爆兼本质安全型带式输送机交流软启动器

    国内现有的几种煤矿用带式输送机的交流软启动器都是开环系统，虽然系统简单、便于安装维护，但是启动性能达不到要求，无法兼顾轻、重载下的启动性能。为此，兖州矿业（集团）有限责任公司研制出了矿用隔爆兼本质安全型带式输送机交流软启动器，采用电流内环和速度外环组成的双闭环控制系统，使得控制系统能够自动适应现场负载变化的要求。

    国内煤矿目前所使用的带式输送机大多为多电机多点驱动的方式，井下采取直接启动的方式时都使用延时顺序启动的方法，使几台驱动电机分时启动，以避开启动电流。由于软启动器可以对启动电流进行有效的控制，启动时允许几台软启动器同时启动。为了使几台电机的负载平衡，此项成果的软启动器采用主从控制方式。即定义其中一台软启动器为主机，其余为从机，软启动器的速度和加速度控制由主机完成，从机跟踪主机的状态，并达到平衡电流的目的。

    在实际的运用中，多点驱动的带式输送机2个驱动点之间的距离有可能达到1km左右。为了保证电流平衡控制信号的可靠传播，采用可靠的V/F和F/V转换技术，有效地抑制了干扰信号，并且避免了长距离传输中的信号衰减问题。由于选用了全数字控制系统，对电机的保护更加可靠。

    根据现场的调研结果，设计中选用了电源缺相、过电流、电机过载、电机过速、散热器过热、丢失脉冲、速度反馈故障、交流同步失败等多项保护功能。目前井下使用的带式输送机电压大多为1140V和660V，设计考虑了2种工作电压可以互换，使软启动器通用性强。他们采用抽屉式芯架连接方式，所有部件和元器件都安装于芯架之上，进出动力线、信号线与接线腔中的穿墙端子相连，解开连接后整个芯架可以整体抽出，便于井下维修与更换。

    9 可控启动功能的带式输送机驱动装置

    在现行标准中，带式输送机的起制动加速度应为0.1～0.3m/s2。但是，随着输送机的运输距离越来越长、启动设备的功率和额定电压越来越高以及设备控制技术的发展，这个数值已不适合现在带式输送机运行的需要。兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿通过动态的状态分析，认为长距离、路线复杂的带式输送机最好采用CST这样具有可控启动功能的驱动装置，使输送机按照或基本按照设定好的理想启动曲线进行启动，以减小输送带及承载部件的动态载荷。

    ①CST控制启动原理。胶带输送机的加速度启动时间可在40～300s范围内根据要求设定，PLC程序中的缺省时间设置为60s。不同的启动时间会产生不同的加速频率，但加速度曲线仍是正弦曲线。在CST控制中，不光有可变的时间，还能进行最终速度控制。最终速度可设定为正常速度10%～50%。这是为了进行检修和验带用的，长时间慢动会影响到CST的油温，超过温度会使CST停止运行。在带式输送机启动和运行阶段，CST都能使几个驱动之间达到负荷平衡，以便使带式输送机上所有部件负荷和应力最小，使各台驱动电机达到负荷均匀分配。这是通过PLC程序里多个PID控制回路来实现的。CST运行控制由软件中的速度控制、加速度控制、压力控制和功率控制4个PID回路组成。CST通过PLC对这4个PID的优化调控最终达到程序设定的启动曲线。

    ②CST控制启动优点。CST可用来对启动阶段加速度进行控制，使胶带动态涨紧力减至最小。在空胶带或满载胶带启动时，通过控制加速度斜率可得到满意结果，使峰值暂态涨紧力减到最小。在大型带式输送机运用中，加速度斜率中如加入一段缓冲，还能进一步改善启动瞬间峰值张力。在缓冲阶段可使原来松弛的胶带拉紧，所有元件在加速度和力矩增大之前以低力矩和低速度进入运行条件，这样可消除胶带过大的张力。CST控制启动的另一个优点是带式输送机的电机可在空载状态下启动，尽可能避免冲击电流，使电机冲击电流造成的损害减到最小。

    10 CST装置性能特点分析

    CST装置是一种新型的机电一体化软启动装置。山东科技大学和兖州矿业（集团）公司南屯煤矿根据使用实践对其技术性能特点进行了分析研究。

    输送带是具有粘弹性的弹性体，带式输送机系统可以认为是弹簧—质量系统。若运输系统的启动时间过短、启动加速度过大，胶带产生的动张力就越大，瞬间引起的冲击力也越大，就会加快托滚筒及其它部件的损坏，缩短胶带的使用寿命。可控启动就是对启动时间和启动加速度进行控制，把加速段、减速段的胶带张力及瞬间值减至最小，以延长带式输送机胶带及其它不见的使用寿命。

    此项研究认为，CST装置的主要优点是：可以降低输送带的张力、电动机的功率，减少了初期的投资；平衡精度达到±2%，反应时间为5～100ms，实现了功率平稳；保护功能齐全；传动系统的功率可以达到99%；降低了对胶带安全系数的要求，但安全度不变；离合片之间的流动为层流流动，粘制力和离合器片之间的距离关系为线性关系，可调带速为10%～99%，可以精确控制输送机的运行状态。其主要缺点是：调速系统与减速器合为一体，体积大、安装不便；控制系统复杂，维护量较大；在高速轴上配置逆止器和制动器比较困难；价格昂贵，备品备件要进口。此外，在使用中经常有CST控制箱的所有按钮都不起作用、CST系统的润滑压力上不来、CST的复位按钮不起作用、CST的冷却压力上不来、CST的输出轴速度不显示和CST高温等故障。

    11 CST装置在济二煤矿的应用

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿为南、北两翼生产，两翼均采用强力带式输送机进行原煤运输。北翼带式输送机设计参数为：运距1850m，运量2000t/h，带宽1200mm，带速4m/s，驱动功率为2：2配置的4×351kW。带式输送机采用了美国道奇公司生产的CST（controlled start transmission）装置，很好地实现了带式输送机的软启动。

    带式输送机使用多台CST的时候，驱动电动机在启动胶带之前空载启动，当电动机达到额定的转速以后，通过控制系统增加离合器的压力并缓慢地让输送带张紧、启动、加速至全速。通过对启动时候的调整，输送带的安全系数可以由原先的10降至6.5，节约了成本，特别是降低了胶带的耗损率，仅在带式输送机改造的时候才更换过一次胶带，节约胶带费用约600万元。由于电动机为空载启动，减小了启动对电动机的影响。该胶带的电动机多年来未更换过，运行状态一直良好。

    CST装置可以控制带式输送机的停机曲线，由于增加了停机时间，输送带在停机过程中的动态张力可以减至最小。此种特性极大地减轻了长距离、大运量带式输送机对带式输送机张紧装置的要求，使用普通的张紧装置就可以。通过该装置对带式输送机的保护作用，延长了带式输送机各种部件的使用寿命，保障了工作面的正常生产。另一方面，由于煤矿井下的煤尘比较多，在呼吸器和篮网过滤器等裸露部分，煤尘杂质比较容易进入，影响了压力油的性能和各过滤器、阀件的使用寿命。此外，该设备属于国际上在带式输送机软启动方面技术先进的设备，使用之前一定要进行职工培训，才能够提高日常维护的技能。

    12 CST可控启动系统在济三煤矿的应用

    兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿2台带式输送机采用CST作为软启动传输装置，配备美国罗克韦尔道奇公司CST减速器、天津天宁公司TK200监控系统和中国矿业大学YZL型液压自动张紧装置，整个系统由PLC控制。

    TK200监控系统与CST系统配合可完成带式输送机的软启动和软停车。带式输送机启动过程为：按下TK200控制系统启动按钮，带式输送机开始预警，经过2s后胶带张紧；系统收到张紧返回信号后，间隔3s依次启动3台主电动机；如果没有故障信号，则发出CST运行信号，带式输送机开始启动直至满速4.5m/s。正常停车时，控制系统可实现胶带停止而主电机不停，减少了主电机频繁启动。

    CST可控启动传输系统是用于大惯性负载平滑启动的多级减速齿轮装置，主要结构包括减速齿轮箱、润滑系统、冷却系统和基于可编程控制器（PLC）的控制系统。输入轴的斜齿轮将电机旋转运动传递到太阳轮上，并通过太阳行星轮的啮合将运动传递到与行星轮一体的输出轴上。旋转板（动摩擦片）在外圈方向上通过键槽固定在齿圈/制动盘上，并随齿圈/制动盘同步旋转。静摩擦片在内圈方向上通过键槽固定在输出轴体上。内外两层摩擦片交叉分布，相互隔离。调整环形活塞上的液压，可控制摩擦片之间的压力，并导致摩擦片的间隙产生变化。当环形活塞上未施加控制压力时，齿圈/制动盘处于自由运动状态，CST不传递运动；若环形活塞上施加的压力能提供足够的启动力矩时，带式输送机直接启动。该矿带式输送机有多种软启动方式，相比而言，CST有以下优点：在传动稳定阶段与液力偶合器不同，其反应盘象液压制动器一样安全锁住，不会产生滑差，没有效率损失；系统运行稳定。