基于磁流变液的刮板输送机软启动技术研究

邓建飞

(大同煤矿集团 晋华宫矿，山西　大同　037016)



基于磁流变液的刮板输送机软启动技术研究

邓建飞

(大同煤矿集团 晋华宫矿，山西大同037016)

摘要为了解决煤矿刮板输送机的软启动问题，分析了大量关于刮板输送机的软启动方法及技术的优缺点，利用磁流变液在感应磁场中能够产生固化的特性，提出了一种基于磁流变液的刮板机软启动控制装置；介绍了磁流变液装备在刮板输送机中的安装原理，并设计了一种基于磁流变液的刮板机软启动监控系统，为煤矿的高产高效与综采设备的维护提供了理论基础。

关键词刮板机；磁流变液；软启动；监控系统

综采自动化的主要“三机”设备包括采煤机、刮板输送机以及液压支架，其中刮板输送机既是运煤的关键设备，也是采煤机赖以运行的支持轨道，同时也是液压支架推溜移架的支点[1,2].刮板输送机作为综采工作面中不可或缺的机电关键设备，能否持续正常运转是连续高效作业的重要保障。由于刮板输送机需要长时间作业，而且工况复杂且恶劣，若无法及时处理出现的故障，将直接影响煤矿的生产效率。

煤矿生产吨位及制造水平的不断提升，对刮板机装机功率的要求越来越高，随之对刮板输送机的控制技术、保护和多电机驱动的功率平衡等问题也提出了更高的要求。而且大功率刮板输送机负载量大、运距长、启动频繁且多为带载启动，为了解决此问题，许多刮板机厂商采用多机驱动方式，然而这种多机驱动启动困难，对刮板输送机冲击大；同时，由于载荷的变化，导致多机驱动系统中各电机负载分配失衡，从而产生震荡，造成刮板输送机传动系统和链条组件中应力过大，甚至有可能会烧毁电机。因此，要求刮板输送机的软启动控制具有如下特点：保证电机启动时轻载甚至无负载，在多电机驱动模式下，要求顺序启动电机；同时，要求能够自动进行电机的负载平衡；要求刮板机承载过程中平稳、迅速和防爆，且具有一定的适应性。

本文针对上述的技术难点，将磁流变液的磁流体通电，产生固化现象的物理特性，引入到刮板机的软启动控制系统中，以解决刮板输送机软件启动的问题，通过对磁流变液的加载控制部分的设计，实现了基于磁流变液的刮板输送机软启动控制系统。

1磁流变液及刮板机软件启动技术概况

1.1磁流变液

磁流变液是一种极具发展前景的智能型材料，通常由母液(不导磁)和磁性微粒组成，磁流变液能够随外加磁场强度的增加，由液体逐渐转变为半固体，当外加磁场消失时，磁流变液又会恢复到液体的状态[3].其独特的磁流变效应和连续、高效、安全、可靠等优点，近几年引起人们的广泛重视，被认为是材料科学领域最具有发展潜力的新型智能材料[4].

当磁场强度达到一定值时，磁流变液会产生明显的磁流变效应，即液体的性质由液态转变为固态，转变的时间极短，可控制在微妙级以内，并且可逆。国内学者华文林，针对我国目前汽车制动器的制造水平普遍较低的现状，提出了设计基于磁流变液的制动器新方法[5].张春光等针对当前纯机械类的软启动控制装备存在的一些问题，提出并设计了一种基于磁流变液的软启动控制装置，建立了一种盘型磁流变传动机构的力矩理论模型；设计了磁流变液软启动装置的机械组合结构，详细地说明了其工作原理、散热结构和磁路结构[6].正是由于磁流变液诸多的材料特性，塑造了其在软启动控制领域的应用潜力。

1.2刮板机的软启动控制技术

刮板输送机的软启动控制系统作为刮板机与电机之间的接通桥梁，对于保护电机，避免刮板机链的过载及冲击，实现刮板输送机的平衡启动与可靠运行具有重要的意义。

为实现矿用刮板输送机平稳启动及可靠运行，邢方方等学者提出了基于双速电机的软启动装置,分析了其软启动控制机理,研究了其软启动控制策略的软硬件架构，实现了对于刮板输送机的漏电保护、过电压保护、过电流保护、过载保护及断相保护[7].陆文程等学者从启动性能和适用功率范围等方面，综合分析了调压调频软启动、双速电机软启动、液体黏性软启动装置和液力偶合器软启动等刮板输送机常用的软启动技术原理和技术特点，提出阀控充液型液力偶合器[8].经过多年工程实践与应用，李洪分析了矿用刮板输送机软启动存在的问题以及目前国内外几种软启动方式的优缺点，介绍了调压调频软启动方式在矿用刮板输送机上的应用效果[9].为了进一步深入研究刮板输送机的软启动控制，张庚云等学者建立了刮板输送机传动系统的动力学模型，并在MATLAB/Simulink软件平台上构建其仿真模型，并以具体类型的刮板输送机为例，对其软启动过程进行了数值模拟仿真，分析了偶合器液流量、电机转速、链条阻尼以及链轮半径等因素，对刮板机软启动过程的影响，对于理论研究与工程应用具有极为重要的指导作用[10].

然而，以上的研究虽然具有十分重要的理论研究意义与工程实践指导作用，但在软启动的创新性方面不强，本文将磁流变液技术应用到刮板输送机中，提出基于磁流变液的刮板输送机的软启动控制系统。

2基于磁流变液的刮板机软启动控制系统设计

基于磁流变液的软启动控制装备示意图见图1. 由图1可知，其与常规刮板输送机的不同之处是在刮板机头与机尾电机减速器与刮板机之间，增加一个矿用磁流变液的离合装置(如图1中MRF连接器所示)，由于磁流变液在未工作时，表现为可流动的液态，而在通过电流之后，就会在微秒级内迅速固化，从而达到可以传递扭矩的作用。因此，在刮板机启动之后，通过磁流变液的加载控制，将其通过电流设置为0，产生的磁通量也为0，电机表现为启动时无任何负载(除了磁流变液的液态阻尼)。在启动的过程，通过不断增加磁变液的电液，不断地增加了磁通量，使得磁流变液的固化强度不断增强，不断增加电机负载，达到刮板机软启动的目的。

图1　 磁流变液软启动装置示意图

为了对基于磁流变液的刮板输送机进行软启动，本文提出一种基于磁流变液的刮板输送机的软启动控制系统，其系统的结构图见图2. 该系统主要由地面监控中心、运输巷监控中心、下位机3个主体部分组成。

1) 地面监控中心。

地面监控系统通过有线以太网与井下的运输巷控制中心相连接，在地面监控中心，主要运行是基于WinCC的监控系统。此监控系统将刮板输送机的机头电机电流、机尾电机电流、机头电机减速器温度、机尾电机减速器温度、磁流变液加载控制器电流、磁流变液温度等参数，以及其数据处理的中间过程数据进行参数化显示，供地面监控中心的管理人员对刮板输送机进行实时监测与控制。

2) 运输巷监控中心。

运输巷监控中心主要是基于PLC的监控主机，其主要包括逻辑判断模块、数据传输模块、数据存储模块以及网络通讯模块，同时为了增加人机交互，在运输巷监控中心也同样运行着一套基于磁流变液的软件启动控制WinCC监控系统。运输巷控制器通过无线以太网与下位机相连接，将传上来的数据进行嵌入式存储，以供数据处理与通信传输，同时，由于运输巷处可以人为进行远程控制操作，需要提供相应的逻辑判断，以避免远程控制危险事故的发生。

3) 下位机。

下位机是该系统的核心部分，它由网络通讯模

图2基于磁流变液的刮板机的软启动监控系统图

块、输入模块、输出模块、采集数据模块、数据处理模块以及状态显示模块组成。

输入模块利用传感器将刮板输送机的机头电机电流、机尾电机电流、机头电机减速器温度、机尾电机减速器温度、磁流变液加载控制器电流、磁流变液温度等参数进行数据模块采集；采集数据模块通过小波神经网络等相应的智能去噪算法，将采集得到的数据进行噪声处理，然后递交给数据处理模块；数据处理模块完成主要的逻辑处理操作，同时将数据的中间处理过程数据以及最终的判断数据通过人机交互界面进行状态显示。

在控制过程中，通过采集得到的参数可以判断当前刮板输送机的负载状况。在开始启动时，刮板输送机带较大的负载。此时，输出模块通过控制磁流变液加载控制器产生较小的电流输出，表现为磁流变液较低的固化强度，其可带动的扭矩的能力也较小；而当电流不断增加时，所产生的磁流变液固化强度不断增加，其可带动的所知的能力也较大。如此，即实现了刮板输送机的软启动控制。

3结束语

考虑到磁流变液在不通过电流时，表现为可流动的液体，而在通电时产生电流，能够瞬间使磁流变液固化的特性，本文将磁流变液技术应用于刮板机的启动控制中，解决了刮板输送机软启动控制的难题，提出了基于磁流变液的控制装置基本原理，设计了基于磁流变液的刮板机软启动监控系统，为煤矿综采的高产高效生产提供了理论基础，具有一定的实践指导作用。

参考文献

[1]杨秀芳.刮板输送机的动态研究与仿真[D].太原：太原理工大学,2004.

[2]毛君，师建国,张东升,等.重型刮板输送机动力建模与仿真[J].煤炭学报，2008(01):103-106.

[3]王慧，杨臻,韩世俊.磁流变液技术及其应用[J].机械工程与自动化，2010(04):207-208，211.

[4]郑祥盘,郭源帆,陈淑梅.磁流变液技术及其工程应用研究综述[J].工程机械，2011(12):49-52.

[5]华文林.磁流变液制动器的设计与研究[D].武汉：武汉理工大学，2002.

[6]张春光,苗运江.磁流变液软启动装置的设计[J].机械传动，2012(08):54-56.

[7]邢方方,许少毅.刮板输送机软启动控制策略[J].河南科技大学学报(自然科学版)，2012(04):14-18.

[8]陆文程,赵继云,张德生,等.大功率刮板输送机软启动技术分析[J].煤炭科学术，2009(10):68-69，73.

[9]李洪.矿用刮板输送机软启动方式的选择与应用[J].中州煤炭，2005(03):42-43.

[10]张庚云,刘伟,王腾.大功率刮板输送机软启动过程仿真研究[J].煤炭科学技术，2013(04):71-74.

·技术经验·

(E-mail)tgcorej@163.com

Research on the Soft Start Technology of Scraper

Conveyor Based on Magnetorheological Fluid

DENG Jianfei

AbstractIn order to solve the problem of scraper conveyor soft start in coal mine, analyzes the merits and demerits of vast methods and technologies in soft start about scraper conveyor, utilizes the solidification characteristic of MRF in magnetic field, puts forward a scraper conveyor soft start control device base on MRF. Introduces the installation principle of magnetorheological fluid equipment in scraper conveyor, designed a soft start monitoring system based on MRF, and designs a scraper conveyor soft start monitoring system base on MRF. It provides a theoretical basis for high yield, high efficiency and the maintenance of fully mechanized mining equipment in coal mine.

Key wordsScraper conveyor; Magnetorheological fluid; Soft start; Monitoring system

中图分类号：TD63+4.2

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)05-0023-03

作者简介：邓建飞(1977—)，男，山西大同人，2014年毕业于太原理工大学，助理工程师，主要从事矿井建设方面的研究与管理工作

收稿日期：2015-04-02