帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 偉

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 朔州 036000）

引言

張緊裝置作為帶式輸送機(jī)重要的組成部分[1-2]，在輸送機(jī)工作過程中為輸送帶的正常運(yùn)行提供需要的張緊力，但是由于輸送帶運(yùn)行過程中具有蠕變特性，長時(shí)間使用過程中導(dǎo)致輸送帶出現(xiàn)松弛問題，降低輸送帶的輸送效率甚至失去輸送能力[3-6]，可見張緊裝置的作用特別重要，因此開展帶式輸送機(jī)張緊裝置的設(shè)計(jì)工作具有重要的意義。

1 帶式輸送機(jī)張緊裝置的組成和原理

張緊裝置作為帶式輸送機(jī)穩(wěn)定工作的重要保障，其結(jié)構(gòu)組成主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、輸送帶張緊絞車、滑輪組、鋼絲繩以及游動(dòng)小車等，如圖1所示。帶式輸送機(jī)工作過程中通過控制張緊電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)張緊絞車旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而拉動(dòng)游動(dòng)小車對(duì)輸送帶進(jìn)行張緊，以此補(bǔ)償帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中因蠕變產(chǎn)生的張力松弛，保證其穩(wěn)定運(yùn)行。

2 變頻自動(dòng)張緊裝置設(shè)計(jì)方案

新型變頻自動(dòng)張緊裝置是在原有張緊裝置中增加了變頻器、張緊力檢測傳感器，優(yōu)化改進(jìn)了控制系統(tǒng)，增加了電磁制動(dòng)器，以此提高帶式輸送機(jī)張緊裝置的性能。其主要由張緊小車、滑輪組、張緊滾筒、電磁制動(dòng)器、聯(lián)軸器、絞車支架、傳動(dòng)裝置、永磁同步電機(jī)、變頻器、張力傳感器、控制器組成，如圖2所示。其中張緊力傳感器用于檢測張緊鋼絲繩的張力大小，之后傳輸至控制系統(tǒng)進(jìn)行分析存儲(chǔ)；電磁制動(dòng)器的主要作用是保證張緊電機(jī)斷電之后不會(huì)出現(xiàn)因慣性而繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況；電控系統(tǒng)改用PLC邏輯控制系統(tǒng)，通過分析張力傳感器的張力信號(hào)，發(fā)出變頻控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)張緊電機(jī)的控制。

新型變頻自動(dòng)張緊裝置工作過程中當(dāng)輸送帶需要進(jìn)行張力的調(diào)整時(shí)，首先打開制動(dòng)器，張緊電機(jī)驅(qū)動(dòng)張緊滾筒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩經(jīng)滑輪組放大拉力之后拉動(dòng)張緊小車在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)張緊功能。當(dāng)張力傳感器檢測得到的張力大小信號(hào)異常時(shí)，電控系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)張力實(shí)際監(jiān)測值與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，若張力較大則輸出控制信號(hào)給變頻器進(jìn)行張力卸載，若張力不足則輸出控制信號(hào)給變頻器進(jìn)行張力補(bǔ)充，當(dāng)輸送帶張力滿足其運(yùn)行要求時(shí)，張緊裝置電控系統(tǒng)就會(huì)輸出制動(dòng)器制動(dòng)指令，張緊小車停止運(yùn)動(dòng)，張緊力得到保持。

圖1 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)組成框圖

圖2 變頻自動(dòng)張緊系統(tǒng)原理圖

3 變頻自動(dòng)張緊裝置主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)

3.1 鋼絲繩的選型

根據(jù)該礦用帶式輸送機(jī)的實(shí)際工作狀況，確定張緊裝置的利用等級(jí)為T2，載荷狀態(tài)為L2，故而得出張緊裝置的工作等級(jí)為M2。由圖2可以看出張緊裝置中存在較大倍率的滑輪組以降低鋼絲繩工作載荷和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩，參考標(biāo)準(zhǔn)《鋼絲繩》（GB/T 8918—1996）確定鋼絲繩型號(hào)為6×19，鋼絲繩直徑d=26 mm，公稱抗拉強(qiáng)度為2 000 MPa，其最小破斷力為517 kN。

3.2 滑輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

滑輪結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括槽底半徑R、滑輪的直徑D以及滑輪槽的夾角θ。根據(jù)鋼絲繩的直徑確定滑輪槽底的半徑R=（0.53～0.6）d，此處R=0.59d=15.4 mm，滑輪槽的夾角θ的范圍要求大于30°小于90°，為了保證鋼絲繩工作的可靠性，此處選擇滑輪槽夾角為40°，滑輪的直徑D取486 mm。

圖3 滑輪結(jié)構(gòu)

3.3 張緊滾筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

張緊裝置中滾筒的結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括滾筒名義直徑、滾筒槽底直徑、容繩量等。根據(jù)張緊裝置的工作級(jí)別、鋼絲繩的結(jié)構(gòu)以及鋼絲繩直徑d確定了名義直徑D1=520 mm；滾筒槽底的直徑D=D1-d=494mm；帶式輸送機(jī)要求張緊裝置具有30 m的張緊行程，得到滾筒的容繩量L=180 m，絲繩的纏繞層數(shù)n=5，最后確定滾筒的長度為0.55 m。

3.4 張緊裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)上述變頻自動(dòng)張緊裝置方案，給出了三種不同的張緊裝置動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，包括變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方案、變頻電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)方案和變頻電機(jī)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)方案。

3.4.1 變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方案

如圖4所示給出了變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)組成原理圖，其主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、絞車滾筒和制動(dòng)器組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的扭矩直接通過聯(lián)軸器傳輸至驅(qū)動(dòng)滾筒，無需中間環(huán)節(jié)，當(dāng)輸送帶達(dá)到張緊要求之后關(guān)閉制動(dòng)器，保持張緊力。根據(jù)變頻自動(dòng)張緊裝置的要求選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為T（B）YCS-110-32/45（660/380），與之配套的張緊絞車型號(hào)為ZJ-80/42D，制動(dòng)器型號(hào)為KZP-450/25-I。該傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成較為簡單，動(dòng)力傳輸穩(wěn)定可靠，具有較高的傳輸效率，較低的制造成本及工作過程中的機(jī)械損耗，運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)簡單，但是該傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和制動(dòng)器性能要求較高。

圖4 變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

3.4.2 變頻電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)方案

如圖5所示給出了變頻電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)組成原理圖，其主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、制動(dòng)器、聯(lián)軸器、減速器和絞車滾筒組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的扭矩首先經(jīng)過一級(jí)減速器進(jìn)行降速增扭，之后傳輸至驅(qū)動(dòng)滾筒，制動(dòng)器連接在減速器輸入端，避免因?yàn)殡姍C(jī)斷電慣性導(dǎo)致絞車滾筒的繼續(xù)滾動(dòng)，當(dāng)輸送帶達(dá)到張緊要求之后關(guān)閉制動(dòng)器，保持張緊力。根據(jù)變頻自動(dòng)張緊裝置的要求選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為 T（B）YCS-75-32/45，與之配套的張緊絞車型號(hào)為ZJ-80/42D，制動(dòng)器型號(hào)為CZ-1000。該傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)及制動(dòng)器的要求較低，一級(jí)齒輪傳動(dòng)效率較高，但是該傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，增加了動(dòng)力傳輸路線，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)工作量及成本。

圖5 變頻電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

圖6 變頻電機(jī)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

3.4.3 變頻電機(jī)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)方案

如圖6所示給出了變頻電機(jī)蝸輪蝸桿減速器驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)組成原理圖，其主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、制動(dòng)器、聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿減速器和絞車滾筒組成。其工作過程與變頻電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)方案類似。根據(jù)變頻自動(dòng)張緊裝置的要求選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為TYB315L1-4，與之配套的張緊絞車型號(hào)為ZJ-80/42D，制動(dòng)器型號(hào)為CZK-63。該傳動(dòng)系統(tǒng)相較于變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方案降低了驅(qū)動(dòng)電機(jī)與制動(dòng)器的要求，工作過程中電機(jī)處于高頻狀態(tài)運(yùn)行，但是蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率極低，并且系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)工作要求較高。

3.4.4 方案對(duì)比分析

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)調(diào)速技術(shù)日趨成熟，永磁同步電機(jī)低轉(zhuǎn)速高扭矩輸出的優(yōu)勢越來越突出，變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相較于另外兩種方案具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、傳動(dòng)效率高、工作穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此變頻自動(dòng)張緊裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)采用變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

4 結(jié)論

1）將新型變頻自動(dòng)張緊裝置應(yīng)用于某型號(hào)帶式輸送機(jī)中，能夠完成輸送帶的張緊要求，保證了帶式輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2）通過增加張力傳感器、改進(jìn)電控系統(tǒng)達(dá)到了輸送帶的實(shí)時(shí)監(jiān)測與連續(xù)調(diào)整的目的。

3）連續(xù)運(yùn)行的半年時(shí)間內(nèi)未出現(xiàn)張緊裝置故障問題，并且制動(dòng)響應(yīng)速度大大提升，相較改進(jìn)前，新型變頻自動(dòng)張緊裝置的應(yīng)用使其設(shè)備利用率提高近10%，輸送效率提高約8%，取得了較好的效果。