戴金昊，张 磊，鲍久圣，杨小林，阴 妍，郝建伟

1中国矿业大学机电工程学院 江苏徐州 221116

2北京百正创源科技有限公司 北京 100081

随着我国矿山智能化建设进程的不断推进，智能化将成为煤炭企业发展的必由之路和生产方式变革的必然方向。作为煤矿井下主煤流运输设备，带式输送机正朝着重型化、智能化的方向发展[1]，从而对其驱动系统和张紧装置提出了更高的要求。传统异步电动机驱动系统和液压张紧装置存在电动机工作效率低、能耗高、维护困难、液压缸易泄漏和张紧滞后等问题[2]，难以满足矿用重型带式输送机高效、智能、可靠驱动的技术要求。

永磁同步电动机作为一种新兴、高效的驱动电动机，不仅功率因数高于异步电动机，而且具有低转速、大转矩的机械特性[3]，特别适用于矿山运输装备低速重载的驱动需求，通过永磁电动机变频直驱可省去 CST 或减速器等机械传动装置，具有维护频率低、传动效率高等优点[4-5]。近年来，永磁变频直驱技术在风力发电[6-7]、交通[8-9]等领域已取得广泛的应用，但在矿山装备领域的应用相对较少。M.Masoudinejad[10]提出了一种通过实时监测运输负载、调节永磁驱动系统转速来降低能耗的方法；王洋洋等人[11]研究刮板输送机永磁直驱系统机-电耦合行为，采用永磁直驱系统无减速装置，对负载响应更快、更准确。而将永磁同步电动机作为带式输送机张紧装置的动力源在国内外仅有少量研究，如太原理工大学研制了基于乳化液介质的液压张紧绞车和变频自动张紧系统[12-13]，通过反馈信号控制变频器的输出频率和电压，来调节张紧绞车驱动电动机的转向和转速，实现对输送带张力的实时调整；北京百正创源公司研发了永磁电动机变频驱动张紧绞车[14]，实现了输送带的智能张紧与高效控制。

针对矿山装备永磁驱动技术需求，笔者以内蒙古某矿顺槽 3 km 长重型带式输送机为改造对象，设计了带式输送机永磁变频驱动系统和永磁电张紧装置，并通过在煤矿现场进行设备改造安装与实践应用，来验证改造后永磁带式输送机运行系统的合理性和可行性。研究结果对于推动先进永磁驱动技术在矿山装备领域的应用和推进煤矿智能化发展具有重要意义。

1 带式输送机概况

改造前，该矿顺槽带式输送机采用三相交流异步电动机、CST 装置和驱动滚筒配合的驱动系统以及液压缸、张紧绞车和钢丝绳配合的液压张紧装置，如图1 所示[15]。该驱动系统不仅存在交流异步电动机效率低、能耗高等缺陷，而且 CST 装置还存在重载启动困难、维护成本高等不足[16-17]，无法满足现代煤矿企业矿用重型带式输送机的生产需求。此外，原有的张紧装置与驱动系统是相互独立的工作单元，系统间协调可控性差，液压张紧过程也存在张紧滞后、动态性能差和系统结构复杂等缺陷。

图1 改造前驱动系统Fig.1 Drive system before modification

带式输送机基本参数如表 1 所列[18]11。

表1 带式输送机基本参数Tab.1 Basic parameters of belt conveyor

2 永磁直驱-张紧一体化系统设计

针对带式输送机原异步驱动系统和液压张紧装置存在的不足，以及永磁驱动技术在煤矿领域的大力推广，提出基于永磁直驱系统与永磁张紧绞车的带式输送机永磁改造设计方案。如图 2 所示[18]13，永磁驱动系统主要由 3 台永磁同步电动机、3 台隔爆低压变频器和驱动系统综合控制器组成，张紧装置则由集永磁同步电动机和张紧绞车于一体的永磁张紧绞车和变频器组成。

图2 改造后驱动系统Fig.2 Drive system after modification

改造后将原带式输送机的交流异步电动机全部替换成永磁同步电动机，并省去原有的 CST 装置，在驱动系统位置还安装了改向滚筒，增加带式输送机的围包角，以提高摩擦牵引力且利于改向。在满足改造前后该矿生产能力不变的前提下，如何提高生产效率、降低生产成本，成为了此次改造设计的关键。张紧装置采用永磁张紧绞车不仅可以减小其体积，减少响应迟滞现象，还可以极大地延长其张紧行程。但是永磁张紧绞车的结构较为复杂，如何合理地设计永磁张紧绞车结构，实现带式输送机动态张紧成为改造设计的难点和重点。

2.1 永磁直驱系统设计及选型

为改善原有带式输送机驱动系统的缺陷，现将其改造成“变频器+永磁同步电动机+驱动滚筒”的驱动方式，省去原有的减速装置。改造后的永磁直驱系统结构如图 3 所示[18]16，设计改造过程如下。

图3 永磁直驱系统结构Fig.3 Structure of permanent magnet direct drive system

2.1.1 带式输送机运行阻力计算

带式输送机的总运行阻力FU包括主要运行阻力FH、附加阻力FN、提升阻力FSt及特种阻力FS[19]，其中特种阻力FS包括主要特种阻力FS1和附加特种阻力FS2。

总运行阻力

带式输送机在运行过程中附加阻力FN占比较小，不用考虑其惯性及摩擦阻力，其与主要阻力FH之间的关系为：

通过式 (1)～ (4) 计算得FH=225.82 kN，FN=11.2 kN。带式输送机的特种阻力为托辊前倾、输送机增加导料槽等装置而产生的阻力，计算过程与以上两种阻力相同，计算得FS=7.32 kN，其中FS1和FS2分别为1.58、5.74 kN。

通过以上计算得到如图 4 所示[18]14的带式输送机阻力分布情况，水平运输带式输送机在运行过程中无提升阻力，主要运行阻力占比较大，为 92.39%，主要来源于运输物料与输送带的自重、输送带和托辊组之间的摩擦力，在设计改造过程中需首先考虑。而带式输送机安装的清扫器和导料槽等装置所产生的附加阻力和附加特种阻力占比较小，分别为 4.62% 和2.35%，在计算过程中也需考虑。

图4 带式输送机阻力分布Fig.4 Resistance distribution of belt conveyor

2.1.2 驱动功率计算

带式输送机永磁直驱系统的主要参数由运行阻力来确定，永磁直驱系统总装机功率

式中：FTr为带式输送机稳定运转时传动滚筒的总圆周力；Kd为功率储备系数，取Kd=1.15；η1为驱动系统传动效率，取η1= 0.95。

经式 (5)、(6) 可计算出装机功率为 1 183 kW，适合采用多台相同型号和功率的永磁同步电动机。为此，本研究选用 3×400 kW 的 TBYC4-400-32 型永磁同步电动机进行驱动，如图 5 所示[18]82，并且机头的 2 个驱动功率配比与原系统配比相同，均为 2∶1，其电动机的主要参数如表 2 所列。

图5 TBYC4-400-32 型永磁同步电动机Fig.5 TBYC4-400-32 permanent magnet synchronous motor

表2 永磁同步电动机主要参数Tab.2 Main parameters of permanent magnet synchronous motor

2.2 永磁张紧装置设计及选型

改造后的永磁张紧装置主要由永磁张紧绞车、变频器、张力传感器与滑轮组等组成，如图 6 所示[18]21，其中永磁张紧绞车如图 7 所示[20]。将永磁张紧电动机与减速器集成于一体，不仅可以实现低速收放钢丝绳的目的，还能够在满足动态张紧带式输送机的同时，缩小张紧装置的体积。

图6 永磁张紧装置Fig.6 Sketch of permanent magnet tensioning device

图7 永磁张紧绞车结构示意Fig.7 Structure of permanent magnet tensioning winch

张紧结构具体设计过程如下：

采用逐点计算的方法且裕量系数取 1.1 时，可得游动小车所受拉力为 430 kN，因张紧装置的滑轮组采用 3 组动滑轮形式，可得

式中：Fwr为钢丝绳拉力，kN；nwr为钢丝绳股数，因采用 3 组动滑轮，故nwr=3。则永磁张紧装置所需负载转矩

式中：Dt为绞车滚筒直径，Dt=1 000 mm。

永磁张紧装置负载功率

式中：vt为钢丝绳速度，取vt=0.5 m/s。

永磁张紧电动机功率

式中：ηc为联轴器传动效率，取ηc=0.98；ηr为减速器传动效率，取ηr=0.98；ηm为永磁张紧电动机传递效率，取ηm=0.98。

由式 (7)～ (10) 计算得到永磁张紧电动机功率Pmt=53.3 kW，钢丝绳拉力Fwr=71.7 kN。为满足以上选型参数，最终选用 JZB-10 型永磁张紧绞车，如图 8所示[18]82，其参数如表 3 所列。

图8 JZB-10 型永磁张紧绞车Fig.8 JZB-10 permanent magnet tensioning winch

表3 JZB-10 型永磁张紧绞车基本参数Tab.3 Basic parameters of JZB-10 tensioning winch

2.3 永磁直驱-张紧综合控制系统设计

改造后的永磁驱动带式输送机系统主要由驱动系统控制器、永磁直驱系统和永磁张紧装置 3 部分组成。驱动系统综合控制器根据永磁同步电动机 1、2、3 的变频器和永磁张紧绞车的张力传感器、变频器实时采集的系统数据，实现对系统运行状态的监控，且驱动滚筒 1 由永磁同步电动机 1 和 2 驱动，驱动滚筒 2 由永磁同步电动机 3 控制。

2.3.1 永磁驱动和永磁张紧变频器选型

在带式输送机的运行系统中，为能够同时满足矿用带式输送机低转速、大转矩的需求，采用低频隔爆型变频器来实现永磁直驱系统的变频调速和零速启动，其选型过程如下。

变频器的容量

式中：Ums为永磁同步电动机额定电压；Ims为永磁同步电动机额定电流。

变频器额定电流

式中：kcf为电流波形修正系数，取kcf=1.1。

经计算，选择北京百正创源公司生产的 BPJ-1140 型隔爆低压变频器，如图 9 所示[18]16，其具体参数如表 4 所列。

图9 BPJ-1140 型隔爆低压变频器Fig.9 BPJ-1140 flameproof low-voltage converter

表4 BPJ-1140 型隔爆型低压变频器参数Tab.4 Parameters of BPJ-1140 flameproof low-voltage converter

为实现带式输送机永磁驱动系统的一体化控制，永磁张紧绞车选用与永磁驱动同型号的隔爆型变频器。

2.3.2 驱动系统综合控制器选型

带式输送机智能驱动单元主要由智能驱动控制箱、永磁直驱系统和永磁张紧驱动系统组成，其中硬件均采用北京百正创源公司研发的 1 140 V 低电压成套化产品，所以综合控制器选择 KXJ-025 型驱动系统综合控制器，如图 10 所示[18]83。

图10 KXJ-025 型驱动系统综合控制器Fig.10 Integrated controller of KXJ-025 drive system

同时为满足井下复杂的工况环境，带式输送机系统采用可靠性更高的内置式旋转变压器，安装在电动机轴上。根据采集的永磁同步电动机转子位置信号，通过驱动控制器内的 DSP 计算获得实时的转速与电磁转矩，将采集到的信息传输到上位机中，从而对永磁带式输送机进行更好的协同控制，其永磁驱动-张紧一体化带式输送机控制系统方案如图 11 所示。

图11 永磁直驱-张紧一体化带式输送机控制系统方案Fig.11 Scheme of control system of permanent magnet drive and tensioning integrated belt conveyor

3 煤矿井下应用及经济效益分析

为了验证改造后带式输送机的运行是否能达到目标效果，在内蒙古某矿进行了现场安装调试与应用效益分析，改造设备的参数同表 1～ 4。

3.1 带式输送机永磁改造安装

在不改变原有带式输送机整体框架的前提下，先拆除原有的异步驱动系统和液压张紧装置，重新安装地脚螺栓，将电动机安装定位并保证其平稳工作。在此基础上将改造的永磁同步电动机安装在煤矿运输顺槽内，将低压隔爆型变频器和驱动系统综合控制器安装于供电硐室，并由井下防爆电缆串入主控制系统与供电系统内，如图 12 所示。

图12 永磁驱动系统现场安装Fig.12 Site installation of permanent magnet drive system

3.2 经济效益分析

根据矿方提供的统计数据，对改造后的带式输送机在 2020 年度的经济效益进行分析。如图 13(a)所示[18]90，永磁改造后，因舍去了原故障率较高的CST 驱动系统和液压张紧装置，减少了带式输送机停机检修时间，提高了煤矿生产效率，年产量由原500 万 t 提高到 530 万 t，产值增加约 1.35 亿元；如图13(b) 所示，因永磁驱动系统工作效率较高，永磁改造后带式输送机年耗电量由原来的 691 万 kW·h 减少到 521 万 kW·h，节省电费约 119 万元；如图 13(c) 所示，因永磁驱动和永磁张紧装置简化了传动链，几乎不需换件维修，维护费用由 17 万元降至 1.5 万元。

图13 经济效益对比分析Fig.13 Comparative analysis of economic benefits

由此可见，采用永磁直驱-张紧一体化系统的全永磁驱动带式输送机，可以很好地实现增产增效与节能的生产目标，每年可为企业带来上亿元的经济效益，极具推广价值。

4 结论

对内蒙古某矿原系统驱动方式与张紧结构进行改造设计，通过现场设备安装及实际应用，得到如下结论：

(1) 利用永磁同步电动机替换原采用的异步交流电动机，可实现对系统的低转速、大转矩负载的直接驱动，具有高效、稳定等优点；利用永磁张紧装置替换原有的液压张紧装置，可增加张紧系统的动态响应性能，减少滞后时间；在现场安装运行中，永磁带式输送机运行稳定，达到了改造要求。

(2) 现场应用结果表明，采用永磁电动机直驱和永磁张紧的带式输送机，不仅可以节省系统设备的安装空间，而且经济效益显著。永磁电动机的转子上无绕组结构，不需要励磁绕组，不存在线圈的绕组铜损，且在系统中加入了多种智能矢量控制策略，能提高系统电动机的效率，可节约 25% 的电能消耗；采用永磁电动机直驱的方式还具有较高的传动效率，可提高 6% 的煤炭产量，同时可节省 90% 以上的设备维护费用。