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直线电机在带式输送机上应用的可行性研究报告DOC 金牌
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资料类型 能源电力
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     带式输送机是现代运输物料设备中不可缺少的设备之一,以结构简单、 操作方便、便于维修、动力资源耗损少、运行可靠、通用性强等优点见长。 随着科技的发展,带式输送机也在朝着更远距离,更高带速,更大运量的 方向发展。此时,带式输送机的驱动系统也就成为了研究的重点之一,因 为它是输送机的关键设备和动力源,只有通过驱动系统才能把其它形式的 能量传送给输送机。在长距离的输送中人们大多采用的驱动方式仍是以机 头集中驱动为主。为了能够降低带在长距离输送过程中的张力,现代也有 诸多带有辅机的中间驱动技术。本文提出一种新的驱动方式:直线电机直 接驱动。 所谓直线电机驱动是指采用多台直线电机直接驱动带式输送机,而不 借助于旋转电机机头或机尾的驱动力。这样就避免了输送机在起动过程中 的高动张力,降低了输送带因单机长度的增加而随之增加的拉力。此外, 直线电机无需接触便可传递作用力;电机直线运动,省去中间传动装置; 电机初级可沿输送带任意布置,理论上可以无限增加输送距离。 直线电机应用于输送机上,初级沿输送带长度方向布置,次级埋入输 送带内。能埋入输送带的次级要求它必须满足一定的刚度和韧性,它可以 沿输送带弯曲绕过滚筒,当承载物料时又可以弯曲成槽。本报告通过对同、 异步直线电机各自特性的比较,对直线感应电机次级材料的分析对比,对 多种型式复合次级的材料、结构的比较,设计出网格型复合次级直线感应 电机作为输送机的驱动装置。通过对网格型复合次级的模型进行理论分析、 I 太原理工大学硕士研究生学位报告 求解电压方程,进而用Ansoft Maxwell 2D进行电磁仿真,来确保电机性能 的可靠性。 在确定次级型式之后,需要进行次级输送带的设计,其制造工艺和普 通输送带的并无差异,这样就有利于技术的推广。在满足各台驱动电机牵 引力、驱动功率均衡的情况下,本文通过理论计算得出,在一定长度的输 送距离内所需电机的台数,初级在沿输送带长度上合理布置。通过RecurDyn 对直线电机驱动带式输送机的起动特性进行仿真,求解直线驱动系统对输 送机启动时速度、加速度及带的张力的影响。 本报告通过理论计算与计算机仿真,通过全面的分析认为直线电机在 带式输送机上的应用是可行的。 关键词:直线感应电机,带式输送机,驱动装置,电磁仿真 II 太原理工大学硕士研究生学位报告 FEASIBILITY STUDY ON LINEAR MOTOR USED IN THE BELT CONVEYOR ABSTRACT The belt conveyor is indispensable to modern transportation equipment. It is good at simple structure, convenient operation, easy repair and maintains, reliable operation, versatility, and so on. With the development of science and technology, the belt conveyor has been trend to longer distances, higher belt speed, larger volume. In this case, the belt conveyor drive system is becoming one of the focuses on the study, because it is the key equipment of belt conveyor and power source. Only by the drive system, the other modal energy can be transferred to the belt conveyor. In the long distance delivery, the traditional drive modes are still based on the nose concentrated drive. In order to reduce belt tension in the long-distance transmission, ther are many middle drive technology with auxiliary, the paper point out a new drive method, the linear motor direct drive belt conveyor. . The linear motor drive is refered to using multiple linear motor drive belt conveyor directly without the help of the rotationg motor head or tail to supply the driving force. In this way, it can avoid the high dynamic tension in the starting process. It can reduce the belt tension caused in the increasing stand-alone. In addition, linear motor can transmit force without contaction. The linear motor move straightly and eliminating the intermediate gear. The primary is arranged along the belt, which can unlimited increase in theory. Ill 太原理工大学硕士研究生学位报告 When the linear motor is applied on the belt conveyor, the primary is arranged along the belt, and secondary is embedded in the belt. The secondary can be bent along the belt and can be bent into groove when it carrying the meteriel. It has rigidity and toughness in a way. Compared synchronous motor to asynchronous motor, compared variety of secondary materials, compared variety of composite secondary materials ans structure, finally the grid-type complex secondary linear is chosed as a drive in the belt conveyor. By the theory analysis and solving the voltage equation to the grid-type composite secondary model, and then electromagenetic simulation with ghe Ansoft Maxwell 2D, the reliability of the motor can be ensured. After confirmed the sub-type, it is need to design the sub-tape. Its manufacturing process and technology are the same to the common belt, which is in favour of the promotion. To balance the drive motor force and drive power, by theoretical calculated, it concludes the appropriate number of the motor along the belt conveyor and the the rational layout of the primary. By the RecurDyn simulation to the belt conveyor system, it can get the starting characteristics of the linear motor, and solve the start of the linear drive system on the conveyor speed, acceleration,and the belt tension. Through theoretical calculations and computer simulation, this paper analyses the linear motor comprehensively. It comes to the conclusion that linear motor used in the belt conveyor is feasible. KEY WORDS : Linear induction motor, belt conveyor, drive, electromagnetic simulation IV 太原理工大学硕士研究生学位报告 目录 第一章绪论 1 1.1课题研究的目的和意义 1 1.2国内外研究动态 2 1.2.1带式输送机的驱动系统及发展趋势 2 1.2. 2直线驱动装置与系统 3 1.3课题研究的主要内容 4 1.4报告章节分布 5 1.5化 6 第二章直线感应电动机 7 2. 1譲 7 2.2直线感应电动机的概论 7 2. 2. 1直线感应电动机的原理 7 2. 2. 2直线感应电机的分类 9 2.2.3直线感应电机的纵、横向边端效应与等值电路 10 2. 3直线感应电机的初级结构设计 11 2.3. 1初级的整体型式 11 2. 3.2初级绕组的设计 11 2. 4直线感应电机的次级 13 2. 4. 1直线感应电机次级结构分类 13 2.4.2不同次级材料的特性简介 14 2. 5 /h^ 15 第三章网格型复合次级直线感应电机 17 3. 1鹏 17 3. 2复合次级直线电机 17 3.3网格型复合次级直线电机 20 3.3.1网格型复合次级的结构设计 20 3.3.2网格型复合次级直线电机的主要尺寸 21 太原理工大学硕士研究生学位报告 3. 3. 3直线电机的电压方程 26 3. 3. 4数值计算 31 3. 4网格型复合次级直线电机的建模与仿真 34 3. 4. 1电磁场求解的有限元法 34 3. 4. 2 Maxwel 12D的瞬态仿真 36 3. 4. 3仿真结果分析 40 3. 5小结 44 第四章直线电机在带式输送机上的应用论证 45 4. 1概述 45 4.2次级输送带的设计 45 4.2.1次级输送带的整体结构 45 4.2.2次级输送带的设计计算 46 4. 3直线电机驱动带式输送机的驱动原理 48 4.3. 1带式输送机常用的驱动原理 48 4.3.2输送机对驱动装置的要求 51 4.4输送机的牵引力计算 51 4. 4. 1直线电机在输送机上的安装要求 51 4.4.2牵引力计算 51 4. 5直线电机驱动带式输送机系统的起动特性仿真 56 4. 5. 1基于RecurDyn的模型的建立 56 4. 5. 2仿真结果分析 58 4. 6 /J、g 61 第五章结论与展望 63 5. 1 ^it 63 5. 2展望 63 0^Xm 65 B ilt 69 攻读学位期间发表的学术报告目录 70 VI 太原理工大学硕士研究生学位报告 第一章绪论 1.1课题研究的目的和意义 带式输送机是现代物料运输的重要机械之一,它以输送带作为牵引和装载部件,通 过输送带的连续运输,实现物料的输送和装卸。与其他输送设备相比,它具有输送能力 大、效率高、输送距离长、耗能少、工作平稳可靠、操作维修方便等优点。因而被广泛 应用于交通、化工、冶金、煤炭、能源、食品、建材等国民经济部门,成为提高机械化 水平必不可少的设备。随着国民经济的迅速发展,物料所需的输送能力和输送距离急剧 增加,提高运输设备的技术水平显得十分重要。为了满足现代社会生产发展和经济性的 需求,对带式输送机的各方面的要求均有所提高。主要表现为带式输送机的功能越来越 多元、应用范围逐渐扩大、本身技术也不断先进化、装备开始智能化1'3。如现有的新型 机型:空间转弯输送机、高倾角带式输送机、管状带式输送机等,其总体趋向远距离、 大带宽、大运量、高带速的方向发展。但输送机在长距离、大运量的物料运输中,也会 出现一些问题: 1) 输送带的强度、宽度和带速受限。因为对于传统的输送机型式来说,单靠机头 和机尾滚筒驱动,运输距离和提升高度的增加会使驱动功率增加,从而输送带的张力也 会提高,一般输送机的运输量不超过32000t/h。当输送带强度超过5000N/mm时,从经 济和技术的角度来说都是不划算的12],因为输送带强度的增大,势必会引起输送带的重 量、接头长度、成本和滚筒的直径,以及整机各级系统的许多参数的增加。同时对于批 量生产的减速器、满足功率的电动机等配套设备都很难选择到,从而增加了输送机的设 计制造和使用的难度,使输送机系统更加复杂化。 2) 起动过程中的高动张力。这也是带式输送机急需解决的问题之一。输送带是一 种柔性体,具有粘弹性。在起动时,由驱动装置产生动力,再传送到输送带上。这种动 张力使带产生波动,让输送带在驱动滚筒上打滑,导致整机系统的不平稳,甚至会导致 输送带的接头失效。 3) 对于传统的输送机,传动机械结构的驱动力常采用旋转电机,如果需要产生直 线驱动力,需额外配置齿轮、减速器等附件。这样就增加了过多的驱动中间环节,使系 统的安装复杂、易出故障、不便维修、噪音大,效率低等缺点[3]。 1 太原理工大学硕士研究生学位报告 尽管现代技术使输送带的强度更高,但强度的提高也是有限的,不可能任意提高。 以发展的眼光来看,有些方法是值得考虑的,比如:寻找新的驱动方式来降低带的集中 受力、输送机采用变向运行、功率平衡等。以上方法都能在理论上无限延长单机运行长 度,同时可以保证整机系统的互换性、通用性,也增加了单机驱动的可靠性14]。还可以 降低输送机在起、制动过程中所引起的带和其它附件的动载荷。从而更有利于输送带带 型的选择、张紧装置的布置、驱动功率的确定和驱动装置的位置等。现有的带式输送机 的驱动方式有线摩擦多点驱动、分段驱动、中间驱动等。其中中间驱动又可分为中间驱 动托辊驱动、中间带条驱动、中间橡胶轮驱动等。 随着直线电机技术的日益成熟与发展,其在以下五个应用领域表现显著:工业设备、 物流系统、民用与建筑业、信息与自动化系统、交通与军事。而且直线电机具有速度高、 推力大的特点,因此可以利用直线电机作为带式输送机的直接驱动力,这样就避免了由 传统旋转电机头尾驱动所带来的集中应力,解决了输送带受力不均的问题[5]。同时,它 还可以降低输送带和其它辅助装置在起动、制动过程中的动载荷,优化了系统的总体方 案,提高了输送机运行性能,增加了系统的可靠性。由于直线电机产生的是电磁推力, 因此无摩擦,无需传动部件,可以沿输送带运行方向布置。直线电机驱动带式输送机可 以大大降低输送带的张力,延长输送机的长度,为长距离、大运量物料运输的发展提供 了良好的基础。在实际应用中,当带强度大于3000N/mm时直线电机次级输送带在重量、 经济指标显现优势。目前直线电机在各个领域应用广泛。工业自动化领域:直线电机应 用于工业机器人、精密机床等各种用到直线运动的机械设备中。轻工业领域:浮法玻璃 的生产。交通领域:磁悬浮列车。办公设备方面:音圈电机。输送方面:直线电机驱动 邮政的分拣车,直线电机驱动板台式输送机、台车式输送机等。直线电机做为驱动力来 驱动输送设备,它具有诸多优点:动力可变、速度可调、结构简单、占地面积少、力点 分布均匀、智能程度高、易于维护等。因此本文探讨用直线电机来驱动带式输送机的可 行性。 1.2国内外研究动态 1.2.1带式输送机的驱动系统及发展趋势 我国的带式输送机技术也在不断更新与发展中,其驱动系统也是发展迅速。根据在 实际工作中的应用大致驱动方式可分为两种:不要求软启动和要求软启动[6]。其中不要 2 太原理工大学硕士研究生学位报告 求软启动的驱动方式可分为:Y型旋转电机、减速器、限矩形液力耩合器组合;电动滚 筒、联轴器组合。要求软启动的驱动方式可分为:Y型旋转电机、CST驱动装置组合; Y型电动机、减速器、调速型液力耦合器组合;变频调速装置。随着带式输送机向长距 离、高运量、高带速的方向发展,其驱动技术也在向中间驱动发展。 1991年煤炭科学研究总院给煤炭科学研究总院上海分院下达了直线摩擦驱动带式 输送机研究的课题。经过几年的研究实验,直线摩擦驱动带式输送机先后在大同、兖 州、溢安矿务局投入应用。1994年底通过技术鉴定,成果良好。直线摩擦驱动带式输送 机改善了输送机的起动性能,实现了慢速起动。随后国家采煤机质量监督检验测试中心 又对该输送机进行测评,其功率平衡、加速度、速度均符合要求。当带速为2.58m/s时, 空载时起动加速度为0.203m/s2,负载时起动加速度为0.143 m/s2,各项指标都优于设计 数据。之后其技术得到推广,应用于长距离的固定运输,中厚煤层综合机械化采煤工作 面运输巷的运输等。在此基础上又发展了几种新的中间驱动方式:中间托辊驱动、中间 带条驱动、中间橡胶轮驱动、直线电机中间驱动等。大型带式输送机在起动过程中产生 高动张力,并且输送带上的惯性力和牵引力都会引起带的波动,为了解决以上问题又出 现了新的驱动方式:鼠笼式感应电机+限矩型液力稱合器、绕线式异步电动机在转子电 路中串接可变电阻、鼠笼式异步电机+变频调速、鼠笼式感应电机+调速型液力耦合器、 直流电动机驱动等。 国外带式输送机技术的发展迅速,主要表现在以下两个方面:一、带式输送机应用 范围扩大化,设备大型化、功能齐全化[71,如高倾角带式输送机、空间转弯带式输送机、 管状带式输送机等。在这些大功率驱动装置上配以高速高寿命托辊、自动调速装置、快 速自移机尾、自清式滚筒装置等。二、输送机本身技术的提高,新增了输送机的动态分 析、监控技术、机电一体化技术等,如运用CST软件可以为用户提供完整的系统级和 部件级的数值仿真分析[81。软件覆盖整个电磁频段,在时域和频域内提供完备的全波算 法。国外还采用多机驱动与中间驱动相结合、输送机变向运行、平衡功率算法等技术使 输送机的运行长度在理论上可以限大,还保证了整机系统的互换性、通用性和可靠性。 1.2. 2直线驱动装置与系统 直线电机的方案是早由Wheat Stone提出,到20世纪70年代直线电机的应用才有 了新发展[93。如直线电机用于液态金属的运输和搅拌、直线电机驱动的磁悬浮列车等。 它无需中间转换装置,接通电源后即可产生直线运动,这样无疑简化了系统或机构的整 3 太原理工大学硕士研究生学位报告 体结构,提高了整机的可靠性,降低了生产成本,它的优点越来越明显。我国的直线电 机研发是从70年代开始的,首先从浙大翻译的一本《直线感应电动机》开始,之后上 海工业大学、中科院电工所等编译了其它的一些直线电机的书。近年来主要成果有:直 线电机驱动门、磁分选机、拉伸机、直线电机驱动遥控窗帘机、直线电机驱动摇臂式电 磁锤等。国内进行直线电机研究的单位也有所增加,主要有:中国科院电工所、太原工 业大学、上海大学、西安交大、焦作矿业学院等。我国关于直线电机的研究虽然有一定 的成果,但缺少自主研发产品,和外国比较还是存在很大差距的。 直线电机在日本发展迅速。日本祌钢电机公司首先开发了直线感应电机驱动医院的 输送带,实现立体输送【'G],极大地减轻了护士的看护工作强度,节省了人力。直线电机 驱动使运动从水平方向转向了垂直方向,从电机的选型、设计,磁场的分析等方面出发, 并考虑到对被输送的对象及对患者的影响。这一系统的研发体现了神钢电机公司高超的 水平,也为后续电机的研发指明了方向。日本的东洋电机公司也表现优秀,它开发出了 超导式组合磁悬浮铁道上高速表面输送装置的直线感应电机。从1989年到1995年仅几 年的时间日本研发出诸多直线电机驱动系统的新产品,如:Transport system for hospitals using LIM, Linear motor actuator GLM type, Linear servo valve. Linear smoother.等。直线电 机驱动在医疗工业也有应用。日本某大学教授山田一先生与他的助手研制完成了直线电 机驱动的人工心脏,这一发明无疑成为医疗仪器中的又一新突破。采用直线电机驱动的 人工心脏可靠性好、体积小、便于控制、经久耐用,它己用于临床植入病人体内。 直线电机在欧美有一些模仿日本独创型的机器,但也有自主研发的东西。如在美国, 越来越多的半导体电子产品已装配上了灵敏的直线电机,其创造的收益的可观的,1997 年的销售额为4553万元,到了 2002年底增涨了 57.7%。欧美还热衷于将直线振动电机 应用于航空事业,如美国sunpower公司开发出一种新型直线振动电机,它可以控制磁 铁的可动性。虽然这种电机的容量是仅为250W,但其效率可达92%,而动子部分的电 磁铁重量仅为nog。 1.3课题研究的主要内容 为了研究直线电机驱动在带式输送机上的应用,本报告有以下主要内容: 1、电机的选型与设计。对同、异步直线电机特性进行比较,对不同单一次级材料 和复合次级材料进行比较,对不同复合次级型式进行比较,根据用于输送带的次级所需 4 太原理工大学硕士研究生学位报告 的独特结构,确定次级的结构型式为网格型复合次级。 2、 对网格型复合次级直线电机的模型进行电压方程的求解,得到各回路的电流大 小,进而推算出初级绕组的参数、初级和次级绕组间的互感参数、电流随气隙的变化值、 电机的输入功率等。通过AnsoftMaxwell2D的仿真,进一步来验算以上参数的准确性, 得到提高直线电机功率因数与效率的方法。通过电磁仿真,分析直线电机的单边磁拉力, 此力在实际应用中会对输送带运行造成危害,值得注意。 3、 次级输送带的设计。为了防止钢丝绳芯输送带里的钢丝影响电机性能,本文选 用橡胶输送带。 4、 直线电机驱动的带式输送机可以减小输送机在起动过程中的高动张力,本文选 择用RecurDyn对带进行动态仿真,研究其启动特性。 1.4报告章节分布 报告主要对直线电机驱动带式输送机是否可行做出研究,可把报告分成直线电机与 带式输送机两部分。先对适用于输送机的直线电机进行设计,再把直线电机应用于输送 机上,对输送机进行分析。文章框架如图1-1。 '直线电机驱动带式输送、 . m , '^直线电机的研究^^1 f带式输送机1 f直线电机在输送带上的、 . J { 布置、力的计算 I I I 二 ) ' 直线感应电机 ][直线同步屯机 ] f单一次级直线电机1 f复合次级直线电机) f铜-钢复合次级;铝-钢复) ~~1 合次级 j [网格型复合次级1 图1-1报告框架 Fig.1-1 article frame 5 太原理工大学硕士研究生学位报告 第一章对报告开题的目的与意义,国内外研究动态做了简要的阐述。也对今后报告 的方向和工作量做了下预测,提出设计思路与方案。 第二章对直线电机的基本理论和特性稍做阐述,选出适用的直线感应电机,为下章 的电机选型打好基础。 第三、四章是报告的主体,设计出适合驱动带式输送机的网格型复合次级直线电机, 对其性能进行分析、计算、仿真。直线电机在输送带方向上的合理布置,运用直线电机 后输送机的起动特性分析。 第五章是结论与展望,指出课题的创新点和报告的后续工作。 最后附上



     
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