王 琦

（太原市明仕达煤炭设计有限公司， 山西 太原 030001）

引言

输送机永磁直驱系统是实现输送机机械运动的关键，其将电器信号转化为所需的机械运动保证设备的运行，永磁直驱系统是重要且复杂的机电系统。对于带式输送机的运行，永磁直驱系统通过变频器将电信号转化为机械信号，通过输送机的链轮带动输送机运行起到运输煤炭的作用。整个运行过程中的关键是信号的转化，永磁直驱系统将电子信号转化为机械信号的同时，也实现了能量间的转化，即将电能转化为机械能，通过转矩带动设备运行。因此，研究带式输送机永磁直驱系统就显得尤为重要。

1 耦合模型的建立

通过建立刮板输送机机电耦合模型，利用数值仿真模拟软件对设备在不同载荷运行情况下进行转速、张力以及输送机链条运行状况的动态响应分析。

带式输送机主要由机头、机尾以及驱动设备和链轮构成，其中，链条主要受拉力作用使设备运行，为更加全面的建立带式输送机永磁直驱系统机电耦合模型，需对设备进行以下假设：输送机在运煤过程中煤体在输送机上均匀分布；运行阻力均匀分布于运输槽且阻力大小不随输送机运行速度改变；链条和刮板均匀分布于运输槽的承载段；链条和刮板在水平方向不受振动影响，因此只需考虑二维层面受力模型。

对于输送机模型的建立，本文采用离散元模型，带式输送机的离散元模型根据运行过程中载荷的大小及零部件的不同可以分为机头机尾链轮、运输槽、空载荷运行时的刮板链、满载荷或超载荷刮板链等四种。由于运输槽刚度远远大于刮板链的刚度，所以运输槽与溜槽之间产生的动力学效应对运输机的动力学影响较小，如若考虑中部槽的力学效应，将大大增加工作量且输送机的力学方程会十分复杂，结果的准确性也得不到保证，因此在本文中，暂不考虑运输槽的力学特性，直接将其视为刚体处理。

运输机在运行过程中，刮板链、刮板等各个部件之间的力学特性非常复杂，具有典型的弹性和粘性特性，利用麦克斯韦（Maxwell）模型和伏格特（Kelvin-Voigt）模型解决粘弹性模型是最佳的选择。

对于带式输送机永磁直驱系统机电耦合模型的建立，既要体现输送机空间形态的动态特性，又要体现其状态变量。图1为带式输送机永磁直驱系统仿真模型原理图，系统将电信号转化为机械信号，输送机通过扭矩带动设备运行，利用输送机状态方程可以得到设备运行中的刚度、阻尼以及位移、速度参数，刚度、阻尼参数直接反映输送机状态变量，位移速度可以直接反映设备运行中的阻力系数，进而反映设备空间形态的动态特性，参数可以综合反映出设备在运煤过程中，机头部位和机尾部位在负载运行中的状况，其影响设备转矩效率，进而影响运煤效率。

图1 带式输送机永磁直驱系统仿真模型原理图

2 耦合模型的仿真分析

在上文带式输送机仿真模型的基础上，为了得到永磁直驱系统的实时动态特性，必须进行不同载荷条件下输送机的运行规律分析，从而改善永磁直驱系统在满载、空载、随机载荷下的运行状况，提高设备的适载能力和协调能力。

2.1 空载状态

输送机在空载状态下承载段第50 m、150 m、250 m处链条的速度及张力变化曲线如图2、图3所示，从图中可以看出：各段链条的速度、张力在设备启动的0～1 s波动较大，随后逐渐降低，1.5 s后趋于稳定；在电机启动后，第50 m处链条、第150 m处链条、第250 m处链条依次响应，这是因为刮板链的弹性作用，使得链条运动从机头到机尾逐渐传播而不是整个链条同时运动。从图2可以看出，第250 m处的链条速度比第50 m处、第150 m处的速度波动的要大，即靠近链条与链轮分离点的链条速度要比靠近链条与链轮齿合点的链条速度大。速度的大幅度波动主要是因为加速度不稳定造成的。从图3可以看出，链条在稳定运行时，在第50 m、第150 m、第250 m处链条张力分别为135 k N、80 kN、20 k N，其中第50 m处的链条最大张力达到275 kN，比稳定时的张力值140 kN高约96%左右。

2.2 满载状态

图2 空载状态下链条速度随时间变化曲线

图3 空载状态下链条张力随时间变化曲线

本次模拟满载状态的载荷为465 kg，得到图4、图5所示的满载状态下的速度及张力变化曲线，不同于空载状态下输送机在1.5 s的短暂过渡时间后达到稳定状态，因此，规定2 s后输送机满载运行。

图4 满载状态下链条速度随时间变化曲线

图5 满载状态下链条张力随时间变化曲线

为了更详细地得到满载状态下输送机不同位置的运行速度及张力状况，模拟了承载段第50m、150m、250 m、350 m、450 m、550 m处设备的运行状况，在载荷突变时，刮板链的速度表现为先降低的趋势，在空回段处速度增加，其中，250 m处的速度降幅最大，350 m处的速度增幅最大，这就说明在载荷突变时，机尾链轮处的波动所受载荷的影响要大于机头链轮处的刮板链，且受影响时间长。满载情况下，承载段的张力相差较大，空回段的张力相差较小，且空回段的响应要慢于承载段的刮板链。

2.3 随机状态

在带式输送机实际运用中，输送机很难保证完全的空载或满载状态，载荷一般都会有随机变化的情况，本次随机载荷模拟中，输送机负载率范围为75%～100%。因为单位刮板链负载煤炭质量具有随机性，因此速度与张力随时间的变化曲线也具有一定的随机性，如下页图6、图7所示，从图中可以看出，在0～8s之间速度波动明显，之后速度依旧存在波动但是波动幅度减小，张力在50 m处一直处于最大值，在250 m处最小，不同距离的张力有严格的大小区分。

综合上述仿真模拟分析，随机载荷严重影响控制的稳定性，张力和速度变化不规律将造成运煤的不稳定，在其它模拟状况下，永磁直驱系统突变载荷与突变量表现为正相关关系，动态响应明显，应当适当控制驱动系统的稳定性，提高直驱电动机的稳定性。

图6 随机载荷状态下链条速度随时间变化曲线

图7 随机载荷状态下链条张力随时间变化曲线

3 结论

1）利用麦克斯韦（Maxwell）模型和伏格特（Kelvin-Voigt）模型对带式输送机永磁直驱系统进行力学特征分析，暂不考虑运输槽的力学特性，直接将其视为刚体处理,可得到输送机刮板链等零件准确的力学参数。

2）通过对满载、空载及随机载荷状态下仿真分析可知，随机载荷下链条速度与张力呈现不规律的变化，系统稳定性最差。

3）针对永磁直驱系统的动态响应，应从驱动系统和驱动电机出发，减小系统的波动，提高运煤效率。