目前帶式輸送機的傳動設(shè)備廣泛采用CST(Controlled Start Transmissions)可控啟動傳輸設(shè)備，該設(shè)備具有軟啟動、軟聯(lián)結(jié)、過載、白診斷、皮帶打滑監(jiān)控等控制和保護功能，是帶式輸送機的心臟。帶式輸送機的驅(qū)動裝置一般由電動機、傳動裝置、聯(lián)軸器及逆止器或制動器組成。
由于帶式輸送機的負載是典型的恒轉(zhuǎn)矩負載，而且?guī)捷斔蜋C往往不可避免地要帶負荷起動和制動。電動機的起動特性與負載的起動要求不相適應(yīng)在帶式輸送機上比較突出。一方面為了保證必要的起動力矩，電動機起動電流要比額定運行電流大6~7倍，要保證電動機不因電流的沖擊而過早損壞，電網(wǎng)不因大電流沖擊使電網(wǎng)電壓過分降低，這就要求電動機的起動過程要盡量快，即提高轉(zhuǎn)子的加速度。另一方面，輸送帶是一種粘彈性體，大型帶式輸送機在起動的不穩(wěn)定階段，驅(qū)動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)引起復雜的應(yīng)力變化，若其瞬時峰值應(yīng)力超過允許值，將會嚴重損傷輸送帶，這就要求有盡量小的起動加速度以降低起動時的沖擊�，F(xiàn)代帶式輸送機的起動加速度要求控制在0.1~0.3m2/s之間。例如運行速度為3.1 5m/s的帶式輸送機，其起動時間將長達10～30s，而電動機起動時間過長將會因過熱縮短其壽命。為了有效解決帶式輸送機與電機啟動間的特性矛盾，可采用的調(diào)速驅(qū)動的方式，降低主電機的啟動負荷，延長皮帶機的啟停時間。目前通常采用的主要有：
變頻調(diào)速：改變電機勵磁頻率進行調(diào)速，起動全程自控，效率高，調(diào)速范圍廣。但在低頻起動時會降低電機輸入電壓，導致電機輸出轉(zhuǎn)矩降低，不適應(yīng)大型帶式輸送機低速大轉(zhuǎn)矩的起動要求。
液力耦合器：可改善起動性能，降低電機與負載
起動的沖擊。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，傳動特性是非線性的，控制特性不準確，效率低，穩(wěn)定運行時需要滑差。
CST可控驅(qū)動系統(tǒng)：專用于重載帶式輸送機的驅(qū)動系統(tǒng)，集減速、離合、調(diào)速、電控、冷卻、運行監(jiān)視、白診斷于一體的液體粘性調(diào)速器與行星傳動相結(jié)合的傳動裝置。具有軟起動、軟停車、過載保護，解決多點驅(qū)動的功率平衡、降低電機容量、延長使用壽命、效率高、節(jié)能等特點，全部采用PLC系統(tǒng)控制，適用于大型帶式輸送機�？刂葡到y(tǒng)開放，易于實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和網(wǎng)絡(luò)化，便于整體礦山自動化系統(tǒng)的集成。
1、CST原理
可控起動傳輸(CST)是用于大慣性負載平滑起動的多級減速齒輪傳動，其主要結(jié)構(gòu)包括減速齒輪箱、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(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的旋轉(zhuǎn)運動傳遞到太陽輪上，并通過太陽行星輪之間的嚙合將運動傳遞到與行星輪一體的輸出軸上，驅(qū)動輸出軸運動。圖中放大部分詳細說明了機械式離合器的T作原理。旋轉(zhuǎn)板（動摩擦片）在外圈方向上通過鍵槽固定在齒圈／制動盤上，并隨齒圈／制動盤同步旋轉(zhuǎn)。靜止板（靜摩擦片）在內(nèi)圈方向通過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，齒圈制動盤處于自由運動狀態(tài)，CST不傳遞運動。實際應(yīng)用中，在帶式輸送機起動初期輸出軸由于負載力矩作用而處于靜止狀態(tài)。當逐漸增大外部液壓控制作用時，環(huán)形活塞將逐漸壓緊離合器。由于摩擦作用齒圈／制動盤旋轉(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。當施加的控制壓力能提供足夠的起動力矩時，皮帶機就起動了。調(diào)節(jié)活塞上的液壓壓力，可精確控制輸入軸電機傳送到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，當齒圈靜止時，輸出軸將達到滿速運行。
冷卻系統(tǒng)用于帶走由于動摩擦片和靜摩擦片相對運動所帶來的損耗熱量。冷卻系統(tǒng)可以采用油／空氣或油／水熱交換器方式，通過相等容量冷卻泵的運行，促使冷卻油在CST油箱、熱交換器和離合器之間循環(huán)流動以保證CST的安全運行。
CST主要是為在起動過程加速階段降低張力作用對皮帶機帶來不利影響，通過控制起動上升曲線，可減小膠帶機空載或滿載起動時帶來的瞬時尖峰張力，從而得到一個滿意的動態(tài)結(jié)果。在一些超長的帶式輸送機應(yīng)用中，通過在上升曲線中增加一段緩沖特性來提升起動性能。緩沖特性確保膠帶機在起動初始階段逐漸的張緊，膠帶機各部分單元在正常加速之前處于低速低起動力矩的運行狀態(tài)，這降低了膠帶機的應(yīng)力作用。
2、動力學問題一動態(tài)分析
膠帶本身是一彈性體，特別是帶負載時有極大的慣性。起動時加速度越大，停車時減速度越大，膠帶中儲存的能量越大，釋放這些能量會對輸送機部件帶來極大的應(yīng)力。特別是當發(fā)生諧波共振時，會帶來嚴重后果。
(1)起動加速度過大將帶來如下問題：
增加了膠帶強度：增加了電機功率：增大了結(jié)構(gòu)件的載荷。CST的理想啟動曲線可避免這些問題（見圖2）。
(2)緊急停車以及系統(tǒng)突然斷電時張力波振蕩對輸送機系統(tǒng)的破壞：
在系統(tǒng)未斷電時，CST控制器可有效控制停車時間，避免停車過快，避免大事故發(fā)生。
3、CST控制算法和實際運行情況
控制算法主要是：以膠帶速度和電機功率為控制參數(shù)，以各CST的離合器壓力為被控參數(shù)，在保證膠帶實際運行速度跟蹤理想給定速度曲線的前提下，保證各電機的輸出功率盡可能平衡。其中速度控制采用串級調(diào)節(jié)，功率平衡控制采用PID調(diào)節(jié)。
CST的起動曲線即速度控制采用PID串級控制，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，反饋信號為主驅(qū)的壓力，輸出控制為主驅(qū)CST的比例閥開度。外環(huán)的給定值為S形曲線的實時計算值，反饋為主控速度信號，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。一個驅(qū)動點上可以有多臺CST構(gòu)成，其中可任選一臺且只能選一臺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作過程中，從驅(qū)PID控制器的給定為主驅(qū)的實時功率信號，其反饋信號為自身主電機的實時功率信號，輸出控制為自身CST的比例閥開度。
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，在某些多點驅(qū)動的系統(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串級控制器
CST的起動曲線即速度控制采用PID串級控制，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，反饋信號為主驅(qū)的壓力，輸出控制為主驅(qū)CST的比例閥開度。外環(huán)的給定值為S形曲線的實時計算值，反饋為主控速度信號，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)國內(nèi)外專家多年的研究成果和實際運行經(jīng)驗可知，當膠帶機起動的速度u和加速度aA，aB制動加速度滿足下述條件時，皮帶的彈性形變最小，且達到滿速時或完全停車時，皮帶儲能也最小。
3.2功率PID控制器
功率平衡控制采用PID控制方式。一個驅(qū)動點上可以有多臺CST構(gòu)成，其中可任選一臺且只能選一臺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。因此要求在工作過程中，從驅(qū)PID控制器的給定為主驅(qū)的實時功率信號，其反饋信號為自身主電機的實時功率信號，輸出控制為自身CST的比例閥開度。功率PID控制器的邏輯框見圖5。
3.3運行操作與控制過程
多數(shù)超長帶式輸送機采用了多級驅(qū)動系統(tǒng)方式，要求驅(qū)動裝置之間的負載平衡分配以減小膠帶機各個部分的負載和應(yīng)力影響。對于那些多于一臺CST驅(qū)動裝置的皮帶機系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)必須保證電機負載平衡分配。通過在多級驅(qū)動系統(tǒng)中配置主驅(qū)和從驅(qū)的方式可實現(xiàn)負載的平衡分配。嵌套的PID控制，以下為一典型的4xCST驅(qū)動控制的例子，通過對此系統(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。為了達到良好的負載平衡控制特性，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)自動調(diào)整狀態(tài)，在不同的負荷下均能保持一致的輸出功率。在典型的4xCST驅(qū)動控制中，處于尾部的操作員在確認膠帶機安全白鎖狀態(tài)后向CST控制箱發(fā)出膠帶機運行信號。
4 CST的應(yīng)用
CST在帶式輸送機中的應(yīng)用基本上分為兩種驅(qū)動方式，即：單點頭部驅(qū)動和多點驅(qū)動。
4.1單點頭部驅(qū)動
傳統(tǒng)帶式輸送機驅(qū)動一般為頭部驅(qū)動，CST在神華寧煤集團靈武礦區(qū)單點頭部驅(qū)動應(yīng)用實例見表1。
4.2長距離膠帶機多點驅(qū)
眾所周知，多點驅(qū)動可以減小皮帶應(yīng)力(見圖6～8)各種驅(qū)動方式下皮帶應(yīng)力的變化。
5、CST與變頻器的比較
變頻器用在提升機、風機和泵等負載的力矩和轉(zhuǎn)速需要迅速變化時，是一種成熟的、節(jié)能的產(chǎn)品和最佳的選擇。但是用在負載為恒速的帶式輸送機時，不是最佳的選擇。
變頻調(diào)速是很好的產(chǎn)品，但是，在隨輸送機負載而隨時可調(diào)速的智能輸送機是不存在的。因為帶速變化速度要大大低于負載變化速度（以保證輸送帶的安全系數(shù)）：下面就幾種放面進行比較，說明CST在帶式輸送機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%，只有在負載變速時，才可能節(jié)能。
5.2應(yīng)用比較
變頻器是用于變速的，但帶式輸送機要求的運行速度為衡速，隨機（智能）改變帶速是不可能的，因為帶速變化不能趕上煤量的變化。
在恒速控制中，變頻器和變頻電機是一種低效率的產(chǎn)品，其效率比CST低12%左右。
帶式輸送機，特別是長距離、大運量的帶式輸送機最重要的是要求是可控制起動和停車
對于相對長時間的運量減小，可以停開部分CST。
6、效果與效益
神華寧煤集團靈新煤礦1996年10月、1997年1 1月分別在主斜井輸送機和1 050大巷輸送機安裝了2x1120KV和2x630KS CST，安裝使用到現(xiàn)在，已經(jīng)10年，且靈新煤礦設(shè)計年產(chǎn)240萬t;2004年生產(chǎn)原煤為320萬f，2005年生產(chǎn)原煤358萬t，2006年330萬t/a：應(yīng)用戶要求，目前2x1120K主電機的過載值調(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)計能力為240萬t/a，計劃任務(wù)為240萬t/a。2008年當年實際生產(chǎn)145萬t/a，2009年預計生產(chǎn)272萬t/a，主運輸系統(tǒng)的輸送機4x750K CST從投入運行至今。
可以看出，在超負荷生產(chǎn)時，大型帶式輸送機選用CST可控啟動傳輸很有優(yōu)越性。
7、結(jié)束語
CST對于重型及中型膠帶運輸機，不但可以解決潛在的動力學問題，而且可以降低膠帶規(guī)格、點擊功率和結(jié)構(gòu)費用可補償在驅(qū)動裝置上的費用增加，從而確保整機的初期投資基本持平。
三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售的皮帶輸送機主要和秸稈壓塊機、顆粒機生產(chǎn)線配套使用，同時我們也可以根據(jù)用戶的需求進行訂做。
