矿用刮板输送机在外部动态载荷作用下的分析与研究_聂仕义.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 0引言 众所周知， 煤炭行业在我国国民经济中占有很重 要的位置[1]。 而煤矿开采过程中涉及的机械系统， 由于 其长期处于高负荷运行状态， 其受到的外部载荷往往 对设备使用寿命有很大的影响[2]。刮板输送机是煤矿 开采系统中最常见的基本机械之一[3]。输送机的长度 和安装方式 （水平或倾斜） 取决于矿区具体的地质条 件， 包括煤层的位置等等[4]。它们在工作过程中， 载荷 是不断变化的， 而在实际过程中这种载荷的变化很难 预测， 且影响载荷的主要因素是由运输材料的体积决 定的[1]。输送机驱动电机之间的链条张力和配合对动 态载荷也有一定影响[5]。作者所工作过的绝大多数矿 区的大多数输送机在启动阶段后以恒定速度运行。 然而， 最先进的传送带有可能配备频率传感器[3]。频 率传感器的使用可以控制输送机的运动速度，即控 制其输出功率。本文给出了在输送机载荷变化的情 况下， 驱动电机载荷变化的仿真分析结果。 分析了电 机 （变频器设置的变化） 频率变化对输送机运行动力 学的影响。 1SGD320 型号的矿用刮板输送机仿真模型 本文研究的是 SGD320 型号的矿用刮板输送机 （如图 1 所示） ， 其性能指标见表 1， 由刮板输送机的 物理模型和驱动电机模型组成 （见图 1 ） 。 物理模型由 刚性固体、 几何约束、 弹性衰减元件建立。模型是在 MSC 中开发的 Adams 计算机程序，用于多体系统的 运动学和动力学分析。在 MatLab/Simulink 软件环境 下建立了电机模型。 在定义了两种模型的输出 / 输入 信号后， 将用于控制输送机速度的频率传感器与电机 模型相连接。 然后使用联合仿真技术对输送机的运行 进行仿真[3]， 并且对煤矿中实际运行的 SGD320 型号 的矿用刮板输送机进行了工程验证。 表 1SGD320 型矿用刮板输送机主要性能指标 矿用刮板输送机在外部动态载荷作用下的分析与研究 聂 仕 义 （同煤国电同忻煤矿有限公司 ， 大同 山西 037001 ） 摘要 刮板输送机外部动态载荷的变化直接影响其使用寿命。本文主要研究了增加刮板外载荷对 电机运行的影响。 结合工程实际， 建立某型刮板输送机的数值模型， 并在 MatLab/Simulink 软件环境下 建立了电机模型， 给出了负载值以及电压频率变化对电机电流变化的影响规律和经验关系， 并在实际 的煤矿中进行了验证和应用，最终给出了刮板输送机的动态载荷预测以及不同载荷状态下的调节方 案。 关键词 煤矿机械 ； 刮板输送机； 动态载荷 ； 模型搭建 ； 工程应用 中图分类号 TD528文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0141-04 Analysis and Research of Scraper Conveyer for Mining under External Load NIE Shiyi Tongmei Guodian Tongyu Coal Mine Co., Ltd., Datong 037001 ， China Abstract During the coal mining process, the changes in the external dynamic load of the scraper conveyor directly affect the service life of the equipment. This paper mainly studies the effect of increasing the external load of the scraper on the motor operation. The author combined the engineering practice to establish a numerical model of a certain type of scraper conveyor, and established a motor model in the MatLab/Simulink software environment. The influence rules and empirical relationships of the changes in load value and voltage and frequency on the motor current were given. It was verified and applied in an actual coal mine, and the dynamic load prediction of the scraper conveyor and the adjustment scheme under different load conditions were finally given. Key words coal mine machinery ; scraper conveyor ; dynamic load ; model construction ; application. 输送量 （t/h ）40电机型号YBS- 17- 4 设计长度 （m ）80电机功率 kW17 机头高度 （mm ）480电机转速可调节 刮板链速度 （m/s ）0.59减速器传动比24.95 中部槽尺寸 （mmmmmm ）1200320156整机质量 （kg ）6230 141 ChaoXing （a ） SGD320 型矿用刮板输送机系统实物图 （b） 矿用刮板输送机的系统物理模型及驱动电机模型 图 1刮板输送机仿真物理模型及系统 刮板链负荷的估算是一项艰巨的任务， 甚至是不 可能的， 因为这种荷载具有随机性。刮板输送机在输 送时， 物料受到刮板链条在运动方向的压力及物料自 身重量的作用， 在物料间产生了内摩擦力。这种摩擦 力保证了料层之间的稳定状态， 并足以克服物料在机 槽中移动而产生的外摩擦力， 使物料形成连续整体的 料流而被输送， 使物料形成了连续整体的料流， 对于 数值试验， 定义了连接到所选刮板中心的力 F 的矢量 （图 1 ） 。 然后将链条上部的载荷简化为运输的物料所 产生的摩擦力。 2仿真结果与讨论 在恒定长度的输送带上进行了数值模拟 （在卸料 端和回料端驱动滚筒中心之间的距离没有改变 ） 。通 过改变电机模型中频率传感器的设置来模拟电机主 频率的变化。 分别对 25Hz、 35Hz和 50Hz频率进行了 仿真。在每个频率下，输送机通过力矢量由 0 变为 400kN， 并跳跃式加载 50kN。 （a ） 电机平均电流与随负载值的变化 （b） 400kN， 频率 25Hz （c ） 400kN， 频率 35Hz （d） 400kN， 频率 50Hz 图 2电压频率变化对电机电流变化的影响以及 极高负载条件下应力数值分析结果 图 2 （a ） 给出了在不同加载频率下电机的平均电 流随负载值的变化情况， 从图中可以看出， 电机中的 电流与其负载成正比， 这意味着电机产生的转矩是平 衡设定负载所不可缺少的。如图 2 （a ） 所示， 研究还发 现， 在负载值较低时， 提升频率似乎可以有效的降低 平均电流， 但是到负载值非常高时， 例如负载值达到 400kN时， 虽然频率的提升依然可以微弱的降低电机 平均电流， 但是频率对电流的影响已经不显著， 我们 对比了负载为 400kN 时，三种频率对应的刮板输送 机的数值结果， 如图 2 （bd ） 所示， 可以看到， A、 B、 C、 D表示刮板输送机出现较高应力的部位， 这些部位在 高负载值条件下， 位置区别并不大， 这也印证了图 2 （a ） 所显示频率对电流的影响已经不显著， 也就是说， 在工程实际中， 在高负载情况下， 调节电机的频率对 改善刮板输送机链条张力的作用不显著。 （A ）卸料端（B ）回料端 图 3电机内的电流随负荷值的变化规律 此外， 以电压评论为 50Hz为例， 加载力矢量从 0 增加到 400kN， 每次增加 50kN， 来改变外载荷。在模 拟过程中， 记录了驱动滚筒和转矩的电机电流。在图 3 中， 给出了输送机卸料端 （A ） 和回料端 （B ） 处电机的 最小、最大电流对输送机链条上部负荷的函数关系。 可以看出， 最大出料端和回料端的最大最小电流变化 趋势具有一致性， 且随着负荷值的增加， 其与电流成 线性关系， 根据数据可以拟合出电流随符合变化的经 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 142 ChaoXing 验函数 最小电流 I81.81.89F（1 ） 最小电流 I85.92.17F（2 ） 3实际应用及效果 实际应用中， 刮板链是刮板输送机的最核心部件 之一， 其在工作中承受的载荷往往是不稳定的 （动载 荷部分 ） ， 基于上述研究规律， 笔者在同煤国电同忻煤 矿进行了相关的工程应用。 3.1应用 1实现了对刮板输送机载荷的预测 通过检测在同煤国电同忻煤矿中 SGD320 型号 的矿用刮板输送机电机电流， 实现了刮板输送机刮板 链所承受的物料重量 （载荷 ） 的直接预测。即， 基于上 述经验公式， 本文笔者对实际运行中的刮板输送机在 不同载荷时的电机电流进行了统计， 具体的预测结果 如下表 2 所示。 表 2不同工程与模拟负载值对电机电流变化的影响对比 （以卸料端为例） 从表 2 可以看出， 工程实际过程中的电机电流和 公式预测出的结果具有极高的一直性。 动态载荷对于 电机电流的影响确实是线性的，本文得到的经验公 式， 对于 SGD320 型矿用刮板输送机的负荷以及电流 的预测效果良好。 本文所提出的经验公式被直接编程 输入到电气控制柜中， 也就是说， 控制人员通过控制 电脑可以远程的了解当下刮板输送机输送链的载荷 状态， 为专家诊断系统和后续维修提供依据。 3.2应用 2动态载荷作用下的刮板链保护方法 此外， 我们在煤矿的实际工程应用中， 我们发现， 电机产生的转矩之和 （包括减速机的传动比） 等于输 送机运动阻力之和。 首先，对于 SGD320 型矿用刮板输送机来说， 负 载值相同时， 频率越高， 电机的平均电流越低。 电机电 压频率的降低 （转速的降低） 导致了输送装置在相同 负载下电流的增加。例如， 在控制 SGD320 型矿用刮 板输送机安全工作时（电流约为 265A ） ，主频率为 25Hz， 其最大只能负载 100kN， 主频率为 35Hz， 其最 大只能负载 150kN， 主频率为 50Hz， 其最大只能负载 250kN。 也就是说， 在工程实际操作环境中， 当负载值在 较低范围内时， 控制主频率可以有效的保障刮板输送 机的设备安全， 但是当负载达到极高值时， 控制主频 率不能有效的保证刮板输送机的设备安全， 需要考虑 其他方案， 例如， 笔者在工作中， 提出了过高负载的监 测和保护方案。 图 4动态载荷作用下的刮板链保护方案 如图 4 所示， 电机柜监测刮板输送机的电流信号， 并对其负载进行预测，当预测的负载值没有达到极高 值时，此时启动输送机速度的频率传感器对电机的转 速进行调整， 以在适应刮板链载荷的情况下， 保护刮板 链。 当刮板链载荷预测值达到极高值时， 要启动刮板链 的保护装置，同煤国电同忻煤矿中 SGD320 型号的矿 用刮板输送机新型链保护装置的结构如图 3 所示。靠 近电机两侧的开关通过红外信号进行刮板链链条张力 信号采集， 并通过反馈信号对比刮板链是否发生断裂， 若未发生断裂， 此时需要降低刮板输送机目前的载荷， 若发生断裂， 需要立即停机发出报警， 并随机启动应急 预案。所以本文工作为刮板输送机的动态载荷预测以 及不同载荷状态下的调节提供了切实可行的方案。 4结论 在煤矿中作业的刮板输送机的寿命常常会受到 随机载荷的影响， 本文研究成果为刮板输送机的动态 载荷预测以及不同载荷状态下的调节提供了切实可 行的方案。 参考文献 [1] 孙建平, 朱东岳, 陈炳耀. 刮板输送机链条在线检测技术 100kN下的电流值 （A ）300kN下的电流值 （A ） 最小 预测值 最小 实验值 最大 预测值 最大 实验值 最小 预测值 最小 实验值 最大 预测值 最大 实验值 10099.7107.6107138136151150 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 143 ChaoXing 研究 [J].内蒙古煤炭经济,2019 （09） 152- 154. [2] 任威, 卢明立,杨志明,闵令江,杨善国.重型刮板输送机张 力检测系统设计 [J].工矿自动化,2017,43 （03） 6- 9. [3] 高爱红.短距重载刮板输送机链传动啮合特性分析 [J].煤 炭工程,2016,48 （04） 135- 138. [4] 周书颖,曾羿博,周娟,于月森,左官芳.刮板输送机功率协 调与载荷均衡控制研究[J]. 煤矿安全,2016,47 （05） 77- 80. [5] 祝贺, 高新.后部刮板输送机载荷监视预警系统的设计与 应用 [J].中国煤炭,2015,41 （09） 74- 77. 作者简介 聂仕义， 男， 工程师， 1967 年 11 月， 1990 年 7 月毕业于 阜新矿业学院机械制造工艺与设备专业， 本科， 目前主要从 事煤矿运输设备和大型煤矿综采设备技术管理方面的工作。 （收稿日期 2019- 12- 6） 大角度旋转综放工作面开采技术研究 周 芳 ，魏永启 （东华建设地矿公司 ，山东 邹城 273500 ） 摘要 通过优化工作面设计和生产工艺优化，鲍店煤矿 7302 综放工作面实施 36大角度旋转， 多 回收煤炭资源 28.6 万 t， 社会经济效益显著。 关键词 综放工作面 ； 旋转开采 中图分类号 TD823文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 06- 0144- 03 Research on mining technology of large-angle rotating fully-mechanized caving face ZHOUFang , WEI Yongqi （Donghua Construction Geologyand Mineral Company, Zoucheng 273500 , China ） Abstract By optimizing the design of the working face and the optimization of the production process, the 7302 fully mechanized face in Baodian Coal Mine implemented a large- angle rotation of 36 , which recovered 286,000 tons of coal resources, which has significant social and economic benefits. Keywords Fullymechanized cavingface ; Rotarymining 0引言 兖州矿区经过长时间开采，煤炭资源日益减 少， 如何实现不规则块段的安全高效开采， 已成为 各矿面临一大难题。本文通过研究大角度综放工作 面旋转开采技术， 可有效解决工作面大角度旋转带 来的设备上窜下滑、 支架管理等诸多难题， 为类似 条件矿井开采提供了有力借鉴。本文以鲍店煤矿 7302 工作面旋转开采为工程背景， 对大角度综放工 作面开采技术进行了深入研究， 为矿井的安全高效 开采奠定了基础。 1工作面概况 鲍店煤矿 7302 综放工作面位于矿井七采区北 部， 是七采区西翼 3 煤层第一个工作面。北西起工 作面切眼， 距七采区边界线 10m， 距 5310 （N ） 工作面 采空区 119～138m； 南东至工作面设计停采线， 距待 掘的七采新回风巷 100m； 北东紧靠矿井边界保护煤 柱线， 距兴隆庄 3 煤采空区 50m； 南西邻尚未回采 的 7304 工作面。工作面煤层底板标高 - 350m～ - 521m/- 435m。 工作面煤层总体趋势为西北高东南低， 煤层产 状为走向 33～105～175，倾向 123～ 15～85， 煤层倾角 2～14， 平均 8。工作 面东南部煤层倾向变化较大； 工作面中部煤层倾角 较大， 最大 14。 由于七采区西部以“铺子断层”为采区边界， 7302 工作面切眼附近为不规则区域，按照常规布 置， 煤炭损失量大。采用 “旋转” 布置方案比 “常规” 布置可多回收煤炭资源 28.6 万 t。工作面辅运顺槽 超前胶带顺槽 168m， 旋转旋转弧长累计 232m； 旋转 段两巷高差最大 8m， 最小 1m； 切眼与胶带顺槽最大 夹角 126。7302 工作面旋转开采区域详见图 1。 7302 工作面自西北向东南推进， 其北顺槽作为 工作面辅运顺槽， 紧靠矿井边界煤柱线， 顺槽内布 置移动电站； 南顺槽作为工作面胶带顺槽， 靠工作 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 144 ChaoXing