帶式輸送機(jī)是礦山、交通運(yùn)輸?shù)炔块T廣泛使用的運(yùn)輸設(shè)備，輸送帶是標(biāo)準(zhǔn)的彈性體設(shè)備，其負(fù)載是典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。該類設(shè)備要求有較小的啟動(dòng)和停車加速度，正常運(yùn)行時(shí)要求有較均衡的張力和穩(wěn)定的傳動(dòng)力矩。同時(shí)還需要對(duì)膠帶的跑偏、斷帶、縱撕、煙霧、打滑、堆料、事故急停、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)：對(duì)多條輸送機(jī)連續(xù)輸送的系統(tǒng)，還要對(duì)各條輸送機(jī)的起停順序進(jìn)行閉鎖控制，以防止堆料：對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸送機(jī)，還需控制各電機(jī)的起停次序，以防止對(duì)電網(wǎng)的沖擊及共振。帶式輸送機(jī)的張力在不同的運(yùn)行階段其控制值也不相同。同時(shí)，在輸送帶運(yùn)行的過(guò)程中，許多保護(hù)功能要控制電源開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，并根據(jù)電機(jī)功率來(lái)判斷和控制各傳動(dòng)設(shè)備的輸出功率，以保證各設(shè)備出力均衡，確保整個(gè)輸送機(jī)良性運(yùn)行。
    目前帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)設(shè)備廣泛采用CST(Controlled Start Transmissions)可控啟動(dòng)傳輸設(shè)備，該設(shè)備具有軟啟動(dòng)、軟聯(lián)結(jié)、過(guò)載、白診斷、皮帶打滑監(jiān)控等控制和保護(hù)功能，是帶式輸送機(jī)的心臟。帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置一般由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、聯(lián)軸器及逆止器或制動(dòng)器組成。
    由于帶式輸送機(jī)的負(fù)載是典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，而且?guī)�式輸送機(jī)往往不可避免地要帶負(fù)荷起動(dòng)和制動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性與負(fù)載的起動(dòng)要求不相適應(yīng)在帶式輸送機(jī)上比較突出。一方面為了保證必要的起動(dòng)力矩，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流要比額定運(yùn)行電流大6~7倍，要保證電動(dòng)機(jī)不因電流的沖擊而過(guò)早損壞，電網(wǎng)不因大電流沖擊使電網(wǎng)電壓過(guò)分降低，這就要求電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程要盡量快，即提高轉(zhuǎn)子的加速度。另一方面，輸送帶是一種粘彈性體，大型帶式輸送機(jī)在起動(dòng)的不穩(wěn)定階段，驅(qū)動(dòng)裝置施加到輸送帶上的牽引力及慣性力將以一定的波速在帶內(nèi)傳播、疊加、反射，加上其他因素的影響，在輸送帶內(nèi)引起復(fù)雜的應(yīng)力變化，若其瞬時(shí)峰值應(yīng)力超過(guò)允許值，將會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷輸送帶，這就要求有盡量小的起動(dòng)加速度以降低起動(dòng)時(shí)的沖擊。現(xiàn)代帶式輸送機(jī)的起動(dòng)加速度要求控制在0.1~0.3m2/s之間。例如運(yùn)行速度為3.1 5m/s的帶式輸送機(jī)，其起動(dòng)時(shí)間將長(zhǎng)達(dá)10～30s，而電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將會(huì)因過(guò)熱縮短其壽命。為了有效解決帶式輸送機(jī)與電機(jī)啟動(dòng)間的特性矛盾，可采用的調(diào)速驅(qū)動(dòng)的方式，降低主電機(jī)的啟動(dòng)負(fù)荷，延長(zhǎng)皮帶機(jī)的啟停時(shí)間。目前通常采用的主要有：
    變頻調(diào)速：改變電機(jī)勵(lì)磁頻率進(jìn)行調(diào)速，起動(dòng)全程自控，效率高，調(diào)速范圍廣。但在低頻起動(dòng)時(shí)會(huì)降低電機(jī)輸入電壓，導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降低，不適應(yīng)大型帶式輸送機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)要求。
    液力耦合器：可改善起動(dòng)性能，降低電機(jī)與負(fù)載
起動(dòng)的沖擊。但是液力耦合器傳遞的扭矩與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，低速時(shí)傳遞的扭矩小，在低速階段不能提供穩(wěn)定平滑的加速度，傳動(dòng)特性是非線性的，控制特性不準(zhǔn)確，效率低，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)需要滑差。
CST可控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：專用于重載帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，集減速、離合、調(diào)速、電控、冷卻、運(yùn)行監(jiān)視、白診斷于一體的液體粘性調(diào)速器與行星傳動(dòng)相結(jié)合的傳動(dòng)裝置。具有軟起動(dòng)、軟停車、過(guò)載保護(hù)，解決多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的功率平衡、降低電機(jī)容量、延長(zhǎng)使用壽命、效率高、節(jié)能等特點(diǎn)，全部采用PLC系統(tǒng)控制，適用于大型帶式輸送機(jī)�？刂葡到y(tǒng)開(kāi)放，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和網(wǎng)絡(luò)化，便于整體礦山自動(dòng)化系統(tǒng)的集成。
1、CST原理
    可控起動(dòng)傳輸(CST)是用于大慣性負(fù)載平滑起動(dòng)的多級(jí)減速齒輪傳動(dòng)，其主要結(jié)構(gòu)包括減速齒輪箱、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和基于可編程控制器(PLC)的控制裝置。圖1描述了CST系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理。
    CST減速齒輪箱由三部分組成：輸入軸齒輪組，輸出軸行星齒輪組和離合器部分。輸入軸的斜齒輪將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到太陽(yáng)輪上，并通過(guò)太陽(yáng)行星輪之間的嚙合將運(yùn)動(dòng)傳遞到與行星輪一體的輸出軸上，驅(qū)動(dòng)輸出軸運(yùn)動(dòng)。圖中放大部分詳細(xì)說(shuō)明了機(jī)械式離合器的T作原理。旋轉(zhuǎn)板（動(dòng)摩擦片）在外圈方向上通過(guò)鍵槽固定在齒圈／制動(dòng)盤上，并隨齒圈／制動(dòng)盤同步旋轉(zhuǎn)。靜止板（靜摩擦片）在內(nèi)圈方向通過(guò)鍵槽固定在輸出軸體上。內(nèi)外兩層摩擦片交叉布置，相互隔離。調(diào)整環(huán)形活塞上的液壓，可控制摩擦片之間的壓力，并導(dǎo)致摩擦片之間的間隙產(chǎn)生變化。環(huán)形活塞上未施加控制壓力時(shí)，齒圈制動(dòng)盤處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，CST不傳遞運(yùn)動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用中，在帶式輸送機(jī)起動(dòng)初期輸出軸由于負(fù)載力矩作用而處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)逐漸增大外部液壓控制作用時(shí)，環(huán)形活塞將逐漸壓緊離合器。由于摩擦作用齒圈／制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)速度將減慢，根據(jù)作用與反作用原理，與輸出軸固定的摩擦片將受到反向作用力。當(dāng)施加的控制壓力能提供足夠的起動(dòng)力矩時(shí)，皮帶機(jī)就起動(dòng)了。調(diào)節(jié)活塞上的液壓壓力，可精確控制輸入軸電機(jī)傳送到CST輸出軸的力矩。齒圈與輸出軸的速度呈線性反比例關(guān)系，當(dāng)齒圈靜止時(shí)，輸出軸將達(dá)到滿速運(yùn)行。
    冷卻系統(tǒng)用于帶走由于動(dòng)摩擦片和靜摩擦片相對(duì)運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的損耗熱量。冷卻系統(tǒng)可以采用油／空氣或油／水熱交換器方式，通過(guò)相等容量冷卻泵的運(yùn)行，促使冷卻油在CST油箱、熱交換器和離合器之間循環(huán)流動(dòng)以保證CST的安全運(yùn)行。
    CST主要是為在起動(dòng)過(guò)程加速階段降低張力作用對(duì)皮帶機(jī)帶來(lái)不利影響，通過(guò)控制起動(dòng)上升曲線，可減小膠帶機(jī)空載或滿載起動(dòng)時(shí)帶來(lái)的瞬時(shí)尖峰張力，從而得到一個(gè)滿意的動(dòng)態(tài)結(jié)果。在一些超長(zhǎng)的帶式輸送機(jī)應(yīng)用中，通過(guò)在上升曲線中增加一段緩沖特性來(lái)提升起動(dòng)性能。緩沖特性確保膠帶機(jī)在起動(dòng)初始階段逐漸的張緊，膠帶機(jī)各部分單元在正常加速之前處于低速低起動(dòng)力矩的運(yùn)行狀態(tài)，這降低了膠帶機(jī)的應(yīng)力作用。
2、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題一動(dòng)態(tài)分析
    膠帶本身是一彈性體，特別是帶負(fù)載時(shí)有極大的慣性。起動(dòng)時(shí)加速度越大，停車時(shí)減速度越大，膠帶中儲(chǔ)存的能量越大，釋放這些能量會(huì)對(duì)輸送機(jī)部件帶來(lái)極大的應(yīng)力。特別是當(dāng)發(fā)生諧波共振時(shí)，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果。
    (1)起動(dòng)加速度過(guò)大將帶來(lái)如下問(wèn)題：
    增加了膠帶強(qiáng)度：增加了電機(jī)功率：增大了結(jié)構(gòu)件的載荷。CST的理想啟動(dòng)曲線可避免這些問(wèn)題（見(jiàn)圖2）。
    (2)緊急停車以及系統(tǒng)突然斷電時(shí)張力波振蕩對(duì)輸送機(jī)系統(tǒng)的破壞：
    在系統(tǒng)未斷電時(shí)，CST控制器可有效控制停車時(shí)間，避免停車過(guò)快，避免大事故發(fā)生。
3、CST控制算法和實(shí)際運(yùn)行情況
    控制算法主要是：以膠帶速度和電機(jī)功率為控制參數(shù)，以各CST的離合器壓力為被控參數(shù)，在保證膠帶實(shí)際運(yùn)行速度跟蹤理想給定速度曲線的前提下，保證各電機(jī)的輸出功率盡可能平衡。其中速度控制采用串級(jí)調(diào)節(jié)，功率平衡控制采用PID調(diào)節(jié)。
    CST的起動(dòng)曲線即速度控制采用PID串級(jí)控制，即內(nèi)環(huán)為壓力PID控制器，外環(huán)為速度PID控制器。其中，內(nèi)環(huán)的給定值為外環(huán)PID輸出值，反饋信號(hào)為主驅(qū)的壓力，輸出控制為主驅(qū)CST的比例閥開(kāi)度。外環(huán)的給定值為S形曲線的實(shí)時(shí)計(jì)算值，反饋為主控速度信號(hào)，輸出控制為內(nèi)環(huán)PID的給定。功率平衡控制采用PID控制方式。一個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)上可以有多臺(tái)CST構(gòu)成，其中可任選一臺(tái)且只能選一臺(tái)CST作為主驅(qū)，其他CST均為從驅(qū)，主驅(qū)用以控制速度，從驅(qū)用于給主驅(qū)助力。因此要求在T作過(guò)程中，從驅(qū)PID控制器的給定為主驅(qū)的實(shí)時(shí)功率信號(hào)，其反饋信號(hào)為自身主電機(jī)的實(shí)時(shí)功率信號(hào)，輸出控制為自身CST的比例閥開(kāi)度。
    在CST的控制程序中，主要有三種PID控制回路：速度反饋PID、壓力反饋PID以及功率反饋PID，在某些多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)里還要加入張力反饋PID回路。各PID相互作用，保證了CST的精確控制。
3.1速度PID串級(jí)控制器
    CST的起動(dòng)曲線即速度控制采用PID串級(jí)控制，即內(nèi)環(huán)為壓力PID控制器，外環(huán)為速度PID控制器。其中，內(nèi)環(huán)的給定值為外環(huán)PID輸出值，反饋信號(hào)為主驅(qū)的壓力，輸出控制為主驅(qū)CST的比例閥開(kāi)度。外環(huán)的給定值為S形曲線的實(shí)時(shí)計(jì)算值，反饋為主控速度信號(hào)，輸出控制為內(nèi)環(huán)PID的給定。速度PID控制器的邏輯框圖如圖3：
    根據(jù)國(guó)內(nèi)外專家多年的研究成果和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)膠帶機(jī)起動(dòng)的速度u和加速度aA，aB制動(dòng)加速度滿足下述條件時(shí)，皮帶的彈性形變最小，且達(dá)到滿速時(shí)或完全停車時(shí)，皮帶儲(chǔ)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。一個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)上可以有多臺(tái)CST構(gòu)成，其中可任選一臺(tái)且只能選一臺(tái)CST作為主驅(qū)，其他CST均為從驅(qū)，主驅(qū)用以控制速度，從驅(qū)用于給主驅(qū)助力。因此要求在工作過(guò)程中，從驅(qū)PID控制器的給定為主驅(qū)的實(shí)時(shí)功率信號(hào)，其反饋信號(hào)為自身主電機(jī)的實(shí)時(shí)功率信號(hào)，輸出控制為自身CST的比例閥開(kāi)度。功率PID控制器的邏輯框見(jiàn)圖5。
3.3運(yùn)行操作與控制過(guò)程
  多數(shù)超長(zhǎng)帶式輸送機(jī)采用了多級(jí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方式，要求驅(qū)動(dòng)裝置之間的負(fù)載平衡分配以減小膠帶機(jī)各個(gè)部分的負(fù)載和應(yīng)力影響。對(duì)于那些多于一臺(tái)CST驅(qū)動(dòng)裝置的皮帶機(jī)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)必須保證電機(jī)負(fù)載平衡分配。通過(guò)在多級(jí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中配置主驅(qū)和從驅(qū)的方式可實(shí)現(xiàn)負(fù)載的平衡分配。嵌套的PID控制，以下為一典型的4xCST驅(qū)動(dòng)控制的例子，通過(guò)對(duì)此系統(tǒng)的分析可理解CST的控制方式。主驅(qū)和從驅(qū)的配置取決于齒輪減速比和滾筒的直徑大小。為了達(dá)到良好的負(fù)載平衡控制特性，推薦使用從驅(qū)滾筒直徑比主驅(qū)大任何情況下，從驅(qū)將跟隨主驅(qū)自動(dòng)調(diào)整狀態(tài)，在不同的負(fù)荷下均能保持一致的輸出功率。在典型的4xCST驅(qū)動(dòng)控制中，處于尾部的操作員在確認(rèn)膠帶機(jī)安全白鎖狀態(tài)后向CST控制箱發(fā)出膠帶機(jī)運(yùn)行信號(hào)。
4 CST的應(yīng)用
    CST在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用基本上分為兩種驅(qū)動(dòng)方式，即：?jiǎn)吸c(diǎn)頭部驅(qū)動(dòng)和多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)。
4.1單點(diǎn)頭部驅(qū)動(dòng)
    傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)一般為頭部驅(qū)動(dòng)，CST在神華寧煤集團(tuán)靈武礦區(qū)單點(diǎn)頭部驅(qū)動(dòng)應(yīng)用實(shí)例見(jiàn)表1。
4.2長(zhǎng)距離膠帶機(jī)多點(diǎn)驅(qū)
    眾所周知，多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)可以減小皮帶應(yīng)力(見(jiàn)圖6～8)各種驅(qū)動(dòng)方式下皮帶應(yīng)力的變化。
5、CST與變頻器的比較
    變頻器用在提升機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵等負(fù)載的力矩和轉(zhuǎn)速需要迅速變化時(shí)，是一種成熟的、節(jié)能的產(chǎn)品和最佳的選擇。但是用在負(fù)載為恒速的帶式輸送機(jī)時(shí)，不是最佳的選擇。
    變頻調(diào)速是很好的產(chǎn)品，但是，在隨輸送機(jī)負(fù)載而隨時(shí)可調(diào)速的智能輸送機(jī)是不存在的。因?yàn)閹�速變化速度要大大低于�?fù)載變化速度（以保證輸送帶的安全系數(shù)）：下面就幾種放面進(jìn)行比較，說(shuō)明CST在帶式輸送機(jī)上使用是最佳的選擇。
5.1效率比較
    由圖9和表2看出，變頻器還變頻電機(jī)在恒速中是一種低效率的產(chǎn)品，其效率比CST低13.7%，只有在負(fù)載變速時(shí)，才可能節(jié)能。
5.2應(yīng)用比較
    變頻器是用于變速的，但帶式輸送機(jī)要求的運(yùn)行速度為衡速，隨機(jī)（智能）改變帶速是不可能的，因?yàn)閹�速變化不能趕上煤量的變化。
    在恒速控制中，變頻器和變頻電機(jī)是一種低效率的產(chǎn)品，其效率比CST低12%左右。
    帶式輸送機(jī)，特別是長(zhǎng)距離、大運(yùn)量的帶式輸送機(jī)最重要的是要求是可控制起動(dòng)和停車
    對(duì)于相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)量減小，可以停開(kāi)部分CST。
6、效果與效益
    神華寧煤集團(tuán)靈新煤礦1996年10月、1997年1 1月分別在主斜井輸送機(jī)和1 050大巷輸送機(jī)安裝了2x1120KV和2x630KS CST，安裝使用到現(xiàn)在，已經(jīng)10年，且靈新煤礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)240萬(wàn)t;2004年生產(chǎn)原煤為320萬(wàn)f，2005年生產(chǎn)原煤358萬(wàn)t，2006年330萬(wàn)t/a：應(yīng)用戶要求，目前2x1120K主電機(jī)的過(guò)載值調(diào)整到1.2倍以上。
    2008年4月任家莊煤礦安裝投用的4x750KCST，礦設(shè)計(jì)能力為240萬(wàn)t/a，計(jì)劃任務(wù)為240萬(wàn)t/a。2008年當(dāng)年實(shí)際生產(chǎn)145萬(wàn)t/a，2009年預(yù)計(jì)生產(chǎn)272萬(wàn)t/a，主運(yùn)輸系統(tǒng)的輸送機(jī)4x750K CST從投入運(yùn)行至今。
    可以看出，在超負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，大型帶式輸送機(jī)選用CST可控啟動(dòng)傳輸很有優(yōu)越性。
7、結(jié)束語(yǔ)
    CST對(duì)于重型及中型膠帶運(yùn)輸機(jī)，不但可以解決潛在的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，而且可以降低膠帶規(guī)格、點(diǎn)擊功率和結(jié)構(gòu)費(fèi)用可補(bǔ)償在驅(qū)動(dòng)裝置上的費(fèi)用增加，從而確保整機(jī)的初期投資基本持平。
    三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售的皮帶輸送機(jī)主要和秸稈壓塊機(jī)、顆粒機(jī)生產(chǎn)線配套使用，同時(shí)我們也可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行訂做。