港口皮带机系统负载节能运行分析及仿真研究

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港口皮带机系统作为-种重要的物资输送系统，在港口的散货码头已得到广泛的应用。皮带机系统主要是将电能转换为机械能，驱动皮带输送物资到指定目的地，其在-段时期内极大地提高了工作效率。然而近些年来，由于能源日益匮乏和典型皮带机系统的运行效率低下，皮带机系统的能源浪费问题变得日益突出。[1为了实现国家规划的节能要求，港口设备的节能工作变得十分重要。因此，通过研究港口皮带运输机的节能技术，分析皮带机负载运行特性，预测分析系统整体运行的状态，可以对负载及运行设备做出实时调整。本文在研究中根据实际工况要求设计了皮带运输机负载模拟系统，实现对皮带运输机负载运行实时控制节能技术的深入分析，为港口皮带机电机系统的节能研究提供基矗1 港口皮带机系统的简介港口皮带机系统主要分为电气控制系统、驱动系统、输送系统等。电气控制系统为PLC控制器为核心的逻辑控制系统；驱动系统采用交流异步电动机、变速箱等单元构成；输送系统则由输送带、传动滚筒、改向滚筒、托棍、拉紧装置、机架和取料机等组成。皮带传动作为机械传动中的-种，能够快捷、方便的输送物料，其输送系统则可以看作是带传动装置，因此皮带传动单元为皮带机系统的重要组成部分，起着承载和牵引作用。要实现对皮带输送系统的负载预测节能控制，首先要分析皮带运输系统负载运行时的基本特性。

2 港口皮带机系统的负载运行特性分析2.1 皮带传动的基本原理当皮带机拖动负载运行时，皮带滚筒和皮带之间存在-定的张紧力，这样才能有足够的摩擦力使带轮带动皮带转动起来。在皮带开始转动之前上下边的皮带张力相等，开始转动以后，两边张力将有-差值，这个差值就是皮带传输牵引拉力。皮带传输牵引拉力是由于电机带动皮带滚筒，使皮带和皮带滚筒间产生的静摩擦力产生的。如图1为皮带传动的基本原理图，根据皮带传动的基本规律具体张力的分析如下：图 1 皮带传动的基本原理示意图收稿 日期 ：2012-12-22基金项 目：南通航运职业技术学院科技课题港El皮带机系统节能控制技术研究”(项目编号：HYKJ/2012B06)。

作者简 介：张智华(1983- )，男，江苏如东人，南通航运职业技术学院交通工程系助教，硕士。

70 南通航运职业技术学院学报 2013年皮带牵引拉力的大小如式(1)所示：FF2-Fx (1)式中：F为皮带牵引拉力； 为皮带松边拉力； 为皮带紧边拉力。

2.2 皮带机负载特性的张力分析皮带张力的分析较为复杂，影响皮带动态特性的因素很多，要想建立满足所有条件的模型是不可能的，现以近似理想状态下对皮带机进行动态分析。假设以下条件：皮带与其输送的物料质量分布均匀，且在正常运输过程中没变化；皮带的弹性模量为常数；皮带的运行阻力系数只与单位载荷有关，且成线性关系等。[21(1)水平皮带正常工作时的张力分析。水平皮带机平稳工作时的张力分布是皮带传动过程中主要的分布形式。而水平皮带机平稳工作时张力分布的分析建立在分段基础上，把整个系统分为主动滚筒、从动滚筒、工作段过程等几部分进行分析。

主动和从动滚筒处的张力分析如图1所示。与带传动带轮部分的分析方法是很相似的。皮带对液压缸所拉紧的滑轮的压力就是皮带张力的合力。若想使传送机正常启动运行，要求起动拉紧力为正常运行拉紧力 1.4-1.5倍，即首先拉紧力要满足启动要求。当皮带机不工作的时候，主动滚筒上下两边的带拉力相等；工作时，两边拉力将有-差值，即有效拉力如式(2)所示：F： - ： (2)式中：P传动功率， 为皮带松边拉力；F2为皮带紧边拉力。

对于-定的张紧力来说，当其超过某-极限时，皮带将在带轮上打滑，打滑时则有计算公式如式(3)所示 ：鲁m e (3)式中： 0--皮带和主动辊的摩擦系数，-般选择0.3。

工作段皮带拉力受到托辊阻力、从动辊转动阻力、上层皮带底面运动阻力等诸多因素影响，如图2所示。按照均匀分布的托辊，每-个托辊为-个单元，将皮带上水平运载货物的工作段(紧边)分成n段(n为上托辊数)，就每-个单元进行分析计算，如式(4)所示。

图 2 工作段皮带张力分布示意图FiFi-1 Ni -1 (JD pgZ)tx'p (4)式中：JD-皮带单位长度质量的密度；p -货物在皮带单位长度内的密度； -皮带在皮带第i段内的总质量； -货物在皮带第 i段内的总质量； 皮带和托辊之间的摩擦系数； -皮带和物料之问的摩擦系数。

(2)不同工作阶段的张力分析，可以根据不同的工作状态来分析。首先分析皮带机的启动和停止。这两个过程均为加速过程，松边的张力变化与紧边正好相反。启动时，速度先减小，然后慢慢上升，最后达到稳态。这是由于启动的瞬间，紧边单元已经开始运动，相对松边的单元由于静阻力作用保持静止，此时紧边单元产生的位移全部被拉紧装置承受。拉紧装置受其固有特性的作用，位移增大时拉力减小，导致了松边张力下降，从而会造成了松边带段单元两端的张力差，即惯性力，也就是产生加速度的主要原因。该过程可认为是-个恒加速过程，速度分别从 0上升到v。启动时，首先要求使得拉紧皮带到设定的预紧力，再起动主动滚筒，由于为加速过程，因此需要要保证启动皮带张力大于正常工作时的张力。当达到所设定要求的速度时，张力会逐渐减小，直到匀速运行。由静止匀加速到v要克服各种摩擦，另外可以看出和正常工作时的张第 2期 张智华，季本山：港口皮带机系统负载节能运行分析及仿真研究 71力相比多出了-个惯性力 ，另外此时工作段没有物料。此时的力关系如式(5)所示。

T F1)-( )np 2 pLa (5)式中：右侧的第-项为皮带机正常工作时工作拉力；第二项是由于皮带上没有物料，要从中减去物料引起的摩擦；第三项就是使整个皮带加速的惯性力。停车时，皮带速度从v恒减速到静止，加速度a取负值即可 。

其次分析装载过程。该过程是指刚起动时，物料从前端输送到后端。这时，传送带工作段总运载货物质量逐渐增加，带上的料重随时变化，装载货物重量增加，而使托辊与皮带和皮带与货物之间产生的摩擦力发生变化，从而对后端主动滚筒处的皮带张力产生影响。若各托辊与皮带的摩擦系数都相等，落料均匀，则有式(6)、式(7)成立。

， tAFe ( )p g(nl- vdt) (6)T )△F (7)最后分析卸载过程。其变化过程与装载过程相似，只是与其相反，货物总重是逐渐减小的。同样来说，从主动滚筒张力是变化的，则有式(8)、式(9)成立。

- ， tAF ( )p g I vdt (8)T )△F (9)通过对皮带群的负载特性进行分析可以建立相应数学模型，实现对皮带机系统的预测节能分析，则可以在负载变化到来前对皮带机进行预测转速给定，结合皮带机的恒转矩控制，实现皮带群的平稳运行条件下的节能控制。[313 皮带机系统节能仿真研究为了更好的研究皮带机系统节能运行技术，在港口实验室原有皮带机系统的基础上，通过采用由变频电机拖动直流发电机模拟皮带机前后端滚筒负载进行仿真，而皮带机上下级系统之间的闭环节能控制则可以通过对电机转速和电流的检测结合负载特性方程的分析来预测出下级情况，从而有针对性地调整下级的电机转速及物料情况，从而达到整个系统的节能，原理示意框图如图3所示。

图 3 皮带机负载运行节能预测控制原理框 图3.1 系统模型分析由于实验条件等因素，通过采用变频电机拖动直流发电机模拟皮带机前后滚筒进行仿真分析。由直流发电机的转矩平衡方程式可知，直流发电机的输入转矩等于发电机的电磁转矩和损耗转矩的和，因此采用两个标定好空载转矩的直流电机，通过调节直流发电机的励磁电流和电枢电流的乘积值即可控制直流电机的输入转矩，实现皮带运输机负载转矩的模拟。

通过MD转换器直接读取直流电机的发电电流和励磁电流，通过计算机对发电机的空载损耗和输出电磁转矩的计算，调整励磁电流的大小，对直流发电机的输入转矩进行控制，达到模拟负载转矩的目标。其仿真过程按如图4所示的程序流程图进行操作，并得出相应模拟曲线图，具体如图5所示。

3.2 结果分析通过图5皮带机负载运行模拟曲线可知，该系统仿真分析是稳定可行的。在皮带机不同负载给定变化④ ④④ ；④72 南通航运职业技术学院学报图4 程序流程图 图5 皮带机负载运行模拟曲线的情况下，可以通过皮带机的基本参数和拖动电机的参数，计算出皮带运输机，不同负载情况的前后主动滚筒力，通过皮带机的传动比和主动滚筒半径等参数以及皮带机的损耗，可得到不同负载情况下的电机输出转矩。由于皮带运输机系统是属于机械传动系统，忽略其他因素的影响，可以认为皮带机的损耗转矩是恒定的，不随转速的变化而变化，从皮带运输机的转矩传输效率和额定运输能力即可得到皮带机的空载转矩值。

4 结束语仿真系统及其实验结果证实了该节能预测仿真研究的可行性和稳定性。通过对皮带机系统负载运行特性进行分析，建立预测控制方程，并在此基础上通过传感器和控制单元，形成闭环系统来预测皮带机系统的运行状态，对系统的整体节能具有指导意义，为实际工程中研究皮带机拖动电机的功率平衡技术以及皮带运输调速控制研究提供了良好的实验条件。