煤礦用帶式輸送機張緊裝置的優(yōu)化設(shè)計

王彥南

（西山煤電西銘礦調(diào)度二室，太原 030052）

0 引言

礦用帶式輸送機承擔(dān)著將采出的煤炭從井下運輸?shù)降孛娴娜蝿?wù)，其安全高效運行影響著礦井的生產(chǎn)效率，是礦井運輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。張緊裝置是帶式輸送機的重要組成部分，能夠為帶式輸送機在運行中提供必要的張力，其動態(tài)性能對整體正常運行具有最直接的影響。帶式輸送機在運行中會發(fā)生蠕變現(xiàn)象，即隨著時間的推移，輸送帶會因變長而出現(xiàn)松弛，并且其各部分都具有顯著的非線性以及時變性。綜合上述帶式輸送機的運行特點，這就要求其張緊裝置所提供的輸出張力具有能夠連續(xù)控制的特點，以此來達到適應(yīng)帶式輸送機所承受負載動態(tài)變化的目的[1]。

1 工程背景

某礦集中運煤巷單條帶式輸送帶長度達3 000 m，針對巷道高低起伏變化具體布置帶式輸送機及張緊裝置，張緊裝置主要運用重錘和張緊小車配合的方式，為帶式輸送機提供運行所需要的張力。該種張緊裝置普遍使用于煤礦井下的帶式輸送機，主要是應(yīng)用重錘的自重來為帶式輸送機輸送帶提供張力，從而實現(xiàn)自動張緊的目的。然而，通過重錘自重實現(xiàn)輸送帶張緊的行程十分局限，這就需要通過張緊小車的方式來達到增大輸送帶張緊行程的目的。

這種傳統(tǒng)的重錘和張緊小車配合的帶式輸送機張緊裝置，存在以下幾個方面的主要實際應(yīng)用問題[2-3]：一是在帶式輸送機的穩(wěn)定運行過程中，盡管通過重錘緊張的方式能夠在一定程度上對輸送帶的伸長發(fā)揮出吸收功能，使輸送帶達到保持一定張力的目的。然而，在帶式輸送機啟停階段，因為運行狀態(tài)不穩(wěn)定，通過重錘方式所產(chǎn)生的張力維持在輸送帶穩(wěn)定運行過程的強度，無形中給啟停狀態(tài)中的輸送帶來了高強度運行，直接影響輸送帶的使用壽命，進而影響輸送帶停機時間，增加了人工更換作業(yè)工作量。二是在通過重錘方式張緊輸送帶形成不足時，需要通過張緊小車的方式來增大輸送帶張緊行程，此時重新復(fù)位重錘所在方位，由于張緊小車是通過軌道進行前后移動來調(diào)節(jié)輸送帶的張緊程度，因此張緊小車與軌道必須具有良好的制動效果，若是緊張小車脫軌，則會對現(xiàn)場生產(chǎn)造成無法想象的后果。三是該種張緊裝置未配備張力傳感器，不具有對張力大小進行實時監(jiān)測的功能，因此不能對張緊裝置所提供張力進行有效反饋調(diào)節(jié)，只能根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)人員的經(jīng)驗對其進行調(diào)節(jié)，帶式輸送機張緊裝置自動化程度低[4]。

帶式輸送機參數(shù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 帶式輸送機參數(shù)統(tǒng)計

2 張緊裝置優(yōu)化改進

2.1 優(yōu)化改進總方案

設(shè)計的帶式輸送機自動張緊裝置包括三大組成結(jié)構(gòu)，分別是機械部分、電氣部分以及液壓部分。張緊小車、液壓絞車、鋼絲繩、滑輪組等組成了自動張緊裝置的機械結(jié)構(gòu)；隔爆電氣控制、傳感監(jiān)測元件等組成了自動張緊裝置的電氣結(jié)構(gòu)；液壓泵、液壓電機、張緊油缸等組成了自動張緊裝置的液壓結(jié)構(gòu)。三大結(jié)構(gòu)通過緊密協(xié)調(diào)配合使得張緊裝置正常運轉(zhuǎn)。帶式輸送機張緊裝置具體布置如圖1所示。

帶式輸送機自動張緊裝置的工作原理如下：（1）在鋼絲繩上布置張力傳感器并將其固定牢靠，張力傳感器通過電氣控制系統(tǒng)搜集相關(guān)數(shù)據(jù)；（2）通過微處理器的處理程序?qū)⑺鸭降臄?shù)據(jù)同之前設(shè)定張力值進行比較，之后依據(jù)前述比較結(jié)果對帶式輸送機發(fā)出相應(yīng)預(yù)設(shè)的控制信號；（3）控制信號通過調(diào)理電路對比例溢流閥的開閉程度進行控制，進而控制相關(guān)執(zhí)行部件調(diào)節(jié)帶式輸送機張力值。

綜合考慮到帶式輸送機井下使用現(xiàn)場的環(huán)境較為復(fù)雜，經(jīng)常遭受煤塵、水等因素影響，電氣控制裝置精準程度在現(xiàn)場使用一段時間后將會受到影響或者破壞[4]，又由于電氣控制裝置所采集到的張力數(shù)據(jù)是控制帶式輸送機張力的關(guān)鍵，因此必須對采集驅(qū)動電機的電流信號加以保護設(shè)計。根據(jù)相關(guān)研究成果，電流同載荷具有線性相關(guān)，因此可以通過采集驅(qū)動電機的電流信號來判斷作用于帶式輸送機的載荷情況。整個控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)在電流超限情況下，向作業(yè)人員發(fā)出警報并及時停機，以達到帶式輸送機運行中的雙保險，從而達到保證整個系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行的目的。

2.2 張緊裝置設(shè)計

自動張緊張裝置必須可以適應(yīng)帶式輸送機開啟、運行、停止等不同階段的張力值變化，對帶式輸送機張力值的變化可以做到及時準確反饋。據(jù)此，細化自動張緊裝置具體組成部分如圖2所示。

圖2 自動張緊裝置具體組成部分

2.3 主要部件選型

根據(jù)帶式輸送機的主要參數(shù)以及上述自動張緊裝置設(shè)計特性，對其液壓主要部件進行選用。液壓馬達選取2NJM-G4型內(nèi)曲線柱塞液壓馬達，排量4 L/r，額定壓力25 MPa，最大壓力32 MPa，最高轉(zhuǎn)速63 r/min，額定轉(zhuǎn)矩14 310 N·m，最大轉(zhuǎn)矩18 316 N·m，質(zhì)量425 kg。相應(yīng)配套的張緊油缸選取參數(shù)如下：內(nèi)徑180 mm，活塞桿直徑90 mm，活塞桿行程2 000 mm，公稱壓力31.5 MPa。蓄能器選取NXQ1-L63型囊式蓄能器，公稱壓力20 MPa，公稱容積63 L，適用溫度-10～70℃，適用于液壓油介質(zhì)。通過上述設(shè)備壓力參數(shù)，相應(yīng)地選取EBG-10內(nèi)泄型電液比例溢流閥，最小和最大流量分別為15 L/min和400 L/min，壓力等級1.2～24.5 MPa，質(zhì)量10 kg。

3 張緊裝置PID模糊控制設(shè)計

由于帶式輸送機在實際工況下具有很大的慣性和滯后性，使得帶式輸送機運行過程會有很大的波動性和非線性，所以難以對其精確建模，并且通過常規(guī)PID控制也很難實現(xiàn)良好效果。而通過PID模糊控制手段可以將復(fù)雜的運行狀況進行簡化，能夠在不依賴精確建模的基礎(chǔ)上，針對非線性、時變性、滯后性、無法精確建模等情況進行控制。本次自動張緊控制設(shè)計基于PID模糊控制方法，通過微處理器進行帶式輸送機張力控制[5-7]。PID模糊控制器原理示意圖如圖3所示。

圖3 PID模糊控制器原理示意圖

帶式輸送機自動張緊裝置的張力控制原理如下：微處理器的處理程序?qū)⑺鸭降膹埩?shù)據(jù)同之前設(shè)定張力值進行比較，將其差值e和差值變化率de/dt通過輸入端輸入到PID模糊控制器輸入端口，再通過模糊處理、模糊推理處理和清晰處理等程序，最終可以得出常規(guī)PID控制參數(shù)的調(diào)整量ΔKp、ΔKi、ΔKd，再通過PID模糊控制器對這3個調(diào)整量實現(xiàn)實時調(diào)整。因此，通過PID模糊控制器能夠解決在常規(guī)PID控制狀態(tài)下3個調(diào)整量保持不變的問題，達到實時控制調(diào)整參數(shù)，實現(xiàn)良好控制效果的目的。

4 自動張緊裝置硬件設(shè)計

4.1 液壓控制部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動張緊裝置液壓控制部分設(shè)計如圖4所示。液壓控制部分設(shè)計運行原理如下。

（1）在自動張緊裝置啟動時，點擊啟動按鈕打開兩位兩通電磁閥11，使得1DT處于得電狀態(tài)，即油泵電機能夠空載開啟；然后關(guān)閉兩位兩通電磁閥11，使得1DT處于失電狀態(tài)，此時比例溢流閥6設(shè)定系統(tǒng)壓力即為輸送帶啟動時的壓力，兩位三通電磁換向閥14處于得電狀態(tài)，使得盤形制動閘32得以松閘。之后兩個三位四通電磁換向閥12右端3DT以及13右端都會處于得電狀態(tài)，高壓油液將會流過3DT和4DT，從而實現(xiàn)液壓馬達25能夠正轉(zhuǎn)緊繩，并對張緊油缸26進行補充油液。在自動張緊裝置張力值達到啟動設(shè)定張力情況下，液壓馬達25開始停止運轉(zhuǎn)，自動張緊裝置液壓控制部分向帶式輸送機發(fā)送開啟信號。

（2）從自動張緊裝置啟動到穩(wěn)定運行時期，自動張緊裝置液壓控制部分測得帶式輸送機運行速度達到穩(wěn)定時，三位四通電磁換向閥13將會發(fā)送換向，高壓油液將會流過三位四通電磁換向閥13右端5DT，從而實現(xiàn)液壓馬達25開始反轉(zhuǎn)松繩。在帶式輸送機張力達到穩(wěn)定運行設(shè)定張力時，自動張緊裝置液壓控制部分的各個電磁閥都將處于失電狀態(tài)，此時液壓部分將會停止運行。

（3）在帶式輸送機張力檢測及自動張緊裝置壓力保持時期，油泵電機8在帶式輸送機運行穩(wěn)定時停止運行，比例溢流閥6調(diào)定壓力為穩(wěn)定運行壓力。在帶式輸送機張力超出設(shè)定的穩(wěn)定運行范圍時，三位四通電磁換向閥12兩端的2DT或3DT將會處于得電狀態(tài)，由于蓄能器19的作用，張緊油缸26將會進行松開或張緊的動作，實現(xiàn)調(diào)節(jié)張力和緩沖沖擊的效果。

（4）在自動張緊裝置停機，帶式輸送機發(fā)出停機信號時，自動張緊裝置液壓控制部分檢測到該停機信號后，比例溢流閥6調(diào)定壓力為停機壓力，隨著帶式輸送機減速到0，帶式輸送機驅(qū)動電機停轉(zhuǎn)，此時自動張緊裝置液壓控制部分同步發(fā)出油泵電機8停轉(zhuǎn)信號，自動張緊裝置液壓控制部分的各個電磁閥都將斷電，自動張緊裝置停止運行。

圖4 自動張緊裝置液壓控制部分設(shè)計圖

4.2 電氣控制部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

電氣控制部分是自動張緊裝置主要組成部分之一，通過微處理器對自動張緊裝置進行控制，以達到張緊油缸和張緊轎車在不同實際工作狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)機電一體化配合的目的，進而符合帶式輸送機各個運行狀態(tài)下所需的不同張力的大小。將預(yù)先編寫的模糊PID控制程序?qū)懭胛⑻幚砥髦?，微處理器對輸入的帶式輸送機運行過程中的張力、速度、電流等信號與預(yù)先設(shè)定值進行對比分析，再根據(jù)分析結(jié)果輸出對應(yīng)控制命令，對液壓馬達正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)、張緊油缸伸縮動作進行控制，實現(xiàn)張緊小車作出前后動作，從而根據(jù)實際情況對輸送帶進行張緊或者放松。

電氣控制部分微處理器采用ST Microelectronics生產(chǎn)的STM32F103VET6微處理器，具有全雙工通訊、易于設(shè)定參數(shù)、便于C語言編程等優(yōu)勢，電路較為簡易，具備復(fù)位、時鐘、下載等功能，圍繞該微處理器形成電氣控制部分硬件結(jié)構(gòu)[8]。

4.3 自動張緊裝置軟件控制部分

在對電氣控制部分進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，需要進一步對其軟件操作控制部分進行設(shè)計，只有兩者相互協(xié)調(diào)才可完成自動張緊各個功能。本次軟件控制部分設(shè)計主要由上、下位機兩個部分組成。其中，上位機軟件控制部分通過PM Designer軟件對操作系統(tǒng)進行設(shè)計，通過屏通7寸觸摸屏PT070可利用以太網(wǎng)同上位機實現(xiàn)實時監(jiān)測控制。通過該觸摸屏可以實時監(jiān)測帶式輸送機和自動張緊裝置的運行狀態(tài)及運行參數(shù)，并控制其啟動和停止。上位機實時監(jiān)測控制界面如圖5所示。下位機通過美國Keil Software公司的Keil5.0軟件進行設(shè)計，以實現(xiàn)對自動張緊裝置各個硬件部分進行控制[9]。

圖5 上位機實時監(jiān)測控制界面

5 結(jié)束語

將優(yōu)化改進后的帶式輸送機自動張緊裝置應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)當(dāng)中，通過應(yīng)用實踐表明，該套自動張緊裝置可以應(yīng)對井下帶式輸送機現(xiàn)場復(fù)雜張力的情況，通過微處理器控制具有節(jié)省空間、靈活便捷以及造價低廉等一系列優(yōu)勢，適于推廣到全礦井生產(chǎn)中，具有積極的實際應(yīng)用價值。