CST在带式输送机上的实用及分析_木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源

带式输送机是矿山、交通运输等部门广泛使用的运输设备，输送带是标准的弹性体设备，其负载是典型的恒转矩负载。该类设备要求有较小的启动和停车加速度，正常运行时要求有较均衡的张力和稳定的传动力矩。同时还需要对胶带的跑偏、断带、纵撕、烟雾、打滑、堆料、事故急停、温度等参数进行监控和保护：对多条输送机连续输送的系统，还要对各条输送机的起停顺序进行闭锁控制，以防止堆料：对多电机驱动的输送机，还需控制各电机的起停次序，以防止对电网的冲击及共振。带式输送机的张力在不同的运行阶段其控制值也不相同。同时，在输送带运行的过程中，许多保护功能要控制电源开关的动作，并根据电机功率来判断和控制各传动设备的输出功率，以保证各设备出力均衡，确保整个输送机良性运行。
    目前带式输送机的传动设备广泛采用CST(Controlled Start Transmissions)可控启动传输设备，该设备具有软启动、软联结、过载、白诊断、皮带打滑监控等控制和保护功能，是带式输送机的心脏。带式输送机的驱动装置一般由电动机、传动装置、联轴器及逆止器或制动器组成。
    由于带式输送机的负载是典型的恒转矩负载，而且带式输送机往往不可避免地要带负荷起动和制动。电动机的起动特性与负载的起动要求不相适应在带式输送机上比较突出。一方面为了保证必要的起动力矩，电动机起动电流要比额定运行电流大6~7倍，要保证电动机不因电流的冲击而过早损坏，电网不因大电流冲击使电网电压过分降低，这就要求电动机的起动过程要尽量快，即提高转子的加速度。另一方面，输送带是一种粘弹性体，大型带式输送机在起动的不稳定阶段，驱动装置施加到输送带上的牵引力及惯性力将以一定的波速在带内传播、叠加、反射，加上其他因素的影响，在输送带内引起复杂的应力变化，若其瞬时峰值应力超过允许值，将会严重损伤输送带，这就要求有尽量小的起动加速度以降低起动时的冲击。现代带式输送机的起动加速度要求控制在0.1~0.3m2/s之间。例如运行速度为3.1 5m/s的带式输送机，其起动时间将长达10～30s，而电动机起动时间过长将会因过热缩短其寿命。为了有效解决带式输送机与电机启动间的特性矛盾，可采用的调速驱动的方式，降低主电机的启动负荷，延长皮带机的启停时间。目前通常采用的主要有：
    变频调速：改变电机励磁频率进行调速，起动全程自控，效率高，调速范围广。但在低频起动时会降低电机输入电压，导致电机输出转矩降低，不适应大型带式输送机低速大转矩的起动要求。
    液力耦合器：可改善起动性能，降低电机与负载
起动的冲击。但是液力耦合器传递的扭矩与其转速的平方成正比，低速时传递的扭矩小，在低速阶段不能提供稳定平滑的加速度，传动特性是非线性的，控制特性不准确，效率低，稳定运行时需要滑差。
CST可控驱动系统：专用于重载带式输送机的驱动系统，集减速、离合、调速、电控、冷却、运行监视、白诊断于一体的液体粘性调速器与行星传动相结合的传动装置。具有软起动、软停车、过载保护，解决多点驱动的功率平衡、降低电机容量、延长使用寿命、效率高、节能等特点，全部采用PLC系统控制，适用于大型带式输送机。控制系统开放，易于实现数据共享和网络化，便于整体矿山自动化系统的集成。
1、CST原理
    可控起动传输(CST)是用于大惯性负载平滑起动的多级减速齿轮传动，其主要结构包括减速齿轮箱、冷却系统、润滑系统、液压系统和基于可编程控制器(PLC)的控制装置。图1描述了CST系统的主要结构和工作原理。
    CST减速齿轮箱由三部分组成：输入轴齿轮组，输出轴行星齿轮组和离合器部分。输入轴的斜齿轮将电机的旋转运动传递到太阳轮上，并通过太阳行星轮之间的啮合将运动传递到与行星轮一体的输出轴上，驱动输出轴运动。图中放大部分详细说明了机械式离合器的T作原理。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。静止板（静摩擦片）在内圈方向通过键槽固定在输出轴体上。内外两层摩擦片交叉布置，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，并导致摩擦片之间的间隙产生变化。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。实际应用中，在带式输送机起动初期输出轴由于负载力矩作用而处于静止状态。当逐渐增大外部液压控制作用时，环形活塞将逐渐压紧离合器。由于摩擦作用齿圈／制动盘旋转速度将减慢，根据作用与反作用原理，与输出轴固定的摩擦片将受到反向作用力。当施加的控制压力能提供足够的起动力矩时，皮带机就起动了。调节活塞上的液压压力，可精确控制输入轴电机传送到CST输出轴的力矩。齿圈与输出轴的速度呈线性反比例关系，当齿圈静止时，输出轴将达到满速运行。
    冷却系统用于带走由于动摩擦片和静摩擦片相对运动所带来的损耗热量。冷却系统可以采用油／空气或油／水热交换器方式，通过相等容量冷却泵的运行，促使冷却油在CST油箱、热交换器和离合器之间循环流动以保证CST的安全运行。
    CST主要是为在起动过程加速阶段降低张力作用对皮带机带来不利影响，通过控制起动上升曲线，可减小胶带机空载或满载起动时带来的瞬时尖峰张力，从而得到一个满意的动态结果。在一些超长的带式输送机应用中，通过在上升曲线中增加一段缓冲特性来提升起动性能。缓冲特性确保胶带机在起动初始阶段逐渐的张紧，胶带机各部分单元在正常加速之前处于低速低起动力矩的运行状态，这降低了胶带机的应力作用。
2、动力学问题一动态分析
    胶带本身是一弹性体，特别是带负载时有极大的惯性。起动时加速度越大，停车时减速度越大，胶带中储存的能量越大，释放这些能量会对输送机部件带来极大的应力。特别是当发生谐波共振时，会带来严重后果。
    (1)起动加速度过大将带来如下问题：
    增加了胶带强度：增加了电机功率：增大了结构件的载荷。CST的理想启动曲线可避免这些问题（见图2）。
    (2)紧急停车以及系统突然断电时张力波振荡对输送机系统的破坏：
    在系统未断电时，CST控制器可有效控制停车时间，避免停车过快，避免大事故发生。
3、CST控制算法和实际运行情况
    控制算法主要是：以胶带速度和电机功率为控制参数，以各CST的离合器压力为被控参数，在保证胶带实际运行速度跟踪理想给定速度曲线的前提下，保证各电机的输出功率尽可能平衡。其中速度控制采用串级调节，功率平衡控制采用PID调节。
    CST的起动曲线即速度控制采用PID串级控制，即内环为压力PID控制器，外环为速度PID控制器。其中，内环的给定值为外环PID输出值，反馈信号为主驱的压力，输出控制为主驱CST的比例阀开度。外环的给定值为S形曲线的实时计算值，反馈为主控速度信号，输出控制为内环PID的给定。功率平衡控制采用PID控制方式。一个驱动点上可以有多台CST构成，其中可任选一台且只能选一台CST作为主驱，其他CST均为从驱，主驱用以控制速度，从驱用于给主驱助力。因此要求在T作过程中，从驱PID控制器的给定为主驱的实时功率信号，其反馈信号为自身主电机的实时功率信号，输出控制为自身CST的比例阀开度。
    在CST的控制程序中，主要有三种PID控制回路：速度反馈PID、压力反馈PID以及功率反馈PID，在某些多点驱动的系统里还要加入张力反馈PID回路。各PID相互作用，保证了CST的精确控制。
3.1速度PID串级控制器
    CST的起动曲线即速度控制采用PID串级控制，即内环为压力PID控制器，外环为速度PID控制器。其中，内环的给定值为外环PID输出值，反馈信号为主驱的压力，输出控制为主驱CST的比例阀开度。外环的给定值为S形曲线的实时计算值，反馈为主控速度信号，输出控制为内环PID的给定。速度PID控制器的逻辑框图如图3：
    根据国内外专家多年的研究成果和实际运行经验可知，当胶带机起动的速度u和加速度aA，aB制动加速度满足下述条件时，皮带的弹性形变最小，且达到满速时或完全停车时，皮带储能也最小。
3.2功率PID控制器
    功率平衡控制采用PID控制方式。一个驱动点上可以有多台CST构成，其中可任选一台且只能选一台CST作为主驱，其他CST均为从驱，主驱用以控制速度，从驱用于给主驱助力。因此要求在工作过程中，从驱PID控制器的给定为主驱的实时功率信号，其反馈信号为自身主电机的实时功率信号，输出控制为自身CST的比例阀开度。功率PID控制器的逻辑框见图5。
3.3运行操作与控制过程
多数超长带式输送机采用了多级驱动系统方式，要求驱动装置之间的负载平衡分配以减小胶带机各个部分的负载和应力影响。对于那些多于一台CST驱动装置的皮带机系统中，控制系统必须保证电机负载平衡分配。通过在多级驱动系统中配置主驱和从驱的方式可实现负载的平衡分配。嵌套的PID控制，以下为一典型的4xCST驱动控制的例子，通过对此系统的分析可理解CST的控制方式。主驱和从驱的配置取决于齿轮减速比和滚筒的直径大小。为了达到良好的负载平衡控制特性，推荐使用从驱滚筒直径比主驱大任何情况下，从驱将跟随主驱自动调整状态，在不同的负荷下均能保持一致的输出功率。在典型的4xCST驱动控制中，处于尾部的操作员在确认胶带机安全白锁状态后向CST控制箱发出胶带机运行信号。
4 CST的应用
    CST在带式输送机中的应用基本上分为两种驱动方式，即：单点头部驱动和多点驱动。
4.1单点头部驱动
    传统带式输送机驱动一般为头部驱动，CST在神华宁煤集团灵武矿区单点头部驱动应用实例见表1。
4.2长距离胶带机多点驱
    众所周知，多点驱动可以减小皮带应力(见图6～8)各种驱动方式下皮带应力的变化。
5、CST与变频器的比较
    变频器用在提升机、风机和泵等负载的力矩和转速需要迅速变化时，是一种成熟的、节能的产品和最佳的选择。但是用在负载为恒速的带式输送机时，不是最佳的选择。
    变频调速是很好的产品，但是，在随输送机负载而随时可调速的智能输送机是不存在的。因为带速变化速度要大大低于负载变化速度（以保证输送带的安全系数）：下面就几种放面进行比较，说明CST在带式输送机上使用是最佳的选择。
5.1效率比较
    由图9和表2看出，变频器还变频电机在恒速中是一种低效率的产品，其效率比CST低13.7%，只有在负载变速时，才可能节能。
5.2应用比较
    变频器是用于变速的，但带式输送机要求的运行速度为衡速，随机（智能）改变带速是不可能的，因为带速变化不能赶上煤量的变化。
    在恒速控制中，变频器和变频电机是一种低效率的产品，其效率比CST低12%左右。
    带式输送机，特别是长距离、大运量的带式输送机最重要的是要求是可控制起动和停车
    对于相对长时间的运量减小，可以停开部分CST。
6、效果与效益
    神华宁煤集团灵新煤矿1996年10月、1997年1 1月分别在主斜井输送机和1 050大巷输送机安装了2x1120KV和2x630KS CST，安装使用到现在，已经10年，且灵新煤矿设计年产240万t;2004年生产原煤为320万f，2005年生产原煤358万t，2006年330万t/a：应用户要求，目前2x1120K主电机的过载值调整到1.2倍以上。
    2008年4月任家庄煤矿安装投用的4x750KCST，矿设计能力为240万t/a，计划任务为240万t/a。2008年当年实际生产145万t/a，2009年预计生产272万t/a，主运输系统的输送机4x750K CST从投入运行至今。
    可以看出，在超负荷生产时，大型带式输送机选用CST可控启动传输很有优越性。
7、结束语
CST对于重型及中型胶带运输机，不但可以解决潜在的动力学问题，而且可以降低胶带规格、点击功率和结构费用可补偿在驱动装置上的费用增加，从而确保整机的初期投资基本持平。
三门峡富通新能源生产销售的皮带输送机主要和秸秆压块机、颗粒机生产线配套使用，同时我们也可以根据用户的需求进行订做。

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