帶式輸送機(jī)張緊裝置的自動(dòng)控制研究

王東偉

（大同煤礦集團(tuán)華盛虎峰煤業(yè)有限公司， 山西 河津 043302）

引言

礦井中輸送物料采用的帶式輸送機(jī)輸送范圍大，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率和輸送能力都比較高。但是由于礦井的井下工作環(huán)境比較惡劣，工況又有多種復(fù)雜情況，因此，對(duì)輸送裝置的要求嚴(yán)格，一旦發(fā)生事故不僅影響經(jīng)濟(jì)效益，甚至有可能危及工作人員的人身安全[1-2]。因?yàn)閹捷斔蜋C(jī)是利用輸送帶和滾筒之間的相互摩擦力，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的輸送，那么其中的張緊裝置在整個(gè)輸送機(jī)中就具有非常重要的作用，其不僅會(huì)影響工作效率，而且與輸送機(jī)的正常運(yùn)行有著很大的相關(guān)性。所以，張緊裝置能否進(jìn)行快速響應(yīng)、是否能夠可靠地運(yùn)行，對(duì)帶式輸送機(jī)的安全高效至關(guān)重要。

在輸送機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、變速運(yùn)行以及停機(jī)的過程中，受到的張力是發(fā)生變化的，因而要求張力裝置也能夠及時(shí)自動(dòng)反應(yīng)。目前的一些自動(dòng)張力裝置速度較慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，結(jié)合目前的智能控制以及變頻等先進(jìn)技術(shù)，采用永磁變頻自動(dòng)張緊裝置進(jìn)行自動(dòng)控制，可以更快速合理地調(diào)整張力，因此，該裝置具有更高的安全高效性。

1 永磁變頻自動(dòng)張緊裝置介紹

永磁變頻自動(dòng)張緊裝置提供相應(yīng)的帶式輸送機(jī)需要的張緊力，同時(shí)可以根據(jù)來自主控系統(tǒng)的指令和張力傳感器傳來的信號(hào)對(duì)輸送帶的張力進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)地調(diào)整，保證帶式輸送機(jī)能夠時(shí)時(shí)刻刻處于正常的工作狀態(tài)。

永磁變頻系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)卷筒，使張緊輸送帶能夠在合理范圍內(nèi)迅速準(zhǔn)確地對(duì)張緊力進(jìn)行調(diào)整，在滿足不同的工作狀態(tài)下，確保輸送的機(jī)動(dòng)性能，不僅可以提高張緊裝置的響應(yīng)速度，而且它的結(jié)構(gòu)更加緊湊，布置起來更加靈活，安全性和可靠性更有保障[3-4]，相對(duì)礦井來說，具有更大的收益價(jià)值。該裝置的組成如圖1所示。

圖1 裝置組成圖

該裝置主要利用控制箱，即PLC控制系統(tǒng)，將張力傳感器的監(jiān)測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到控制的目的。工作原理圖如圖2所示。

圖2 工作原理圖

當(dāng)帶式輸送機(jī)剛開始啟動(dòng)以及運(yùn)行和停機(jī)時(shí)，經(jīng)過張力傳感器的監(jiān)測(cè)，控制系統(tǒng)控制張緊滾筒進(jìn)行張緊和松帶操作，達(dá)到實(shí)時(shí)控制輸送機(jī)的張力值在正常范圍內(nèi)的目的。

2 永磁變頻自動(dòng)張緊裝置電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制箱的設(shè)計(jì)

通過對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了張緊裝置的自動(dòng)控制，并且能夠與帶式輸送機(jī)的主控系統(tǒng)保持信號(hào)傳輸。PLC控制系統(tǒng)通過對(duì)控制系統(tǒng)的控制信號(hào)、張力傳感器的信號(hào)監(jiān)測(cè)等等輸入信號(hào)[5]，經(jīng)過邏輯的運(yùn)算處理，然后輸出信號(hào)來對(duì)張緊裝置進(jìn)行動(dòng)作控制，它運(yùn)算速度快、應(yīng)用靈活、模塊化，是電氣控制箱的最主要部分，其控制工作圖如圖3所示。

圖3 PLC系統(tǒng)流程圖

利用PLC控制系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)測(cè)的張力數(shù)據(jù)通過信號(hào)反饋給系統(tǒng)時(shí)，若數(shù)據(jù)在本身系統(tǒng)設(shè)定的合理范圍內(nèi)時(shí)，張緊裝置不進(jìn)行任何操作；而當(dāng)監(jiān)測(cè)的張力數(shù)據(jù)超出了設(shè)定的合理范圍時(shí)，由PLC系統(tǒng)輸出信號(hào)，電機(jī)進(jìn)行工作控制，使制動(dòng)器進(jìn)行松閘操作，同時(shí)，張緊滾筒在電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的工作下，對(duì)輸送帶進(jìn)行松緊操作，達(dá)到控制張力的作用[6]，從而保證輸送機(jī)能夠正常而且穩(wěn)定地工作。

2.2 變頻器的設(shè)計(jì)

變頻器能在電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，減小對(duì)電機(jī)設(shè)備的沖擊，能夠延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，因此在礦井中應(yīng)用比較廣泛。常規(guī)的變頻器一般是利用整流器，先將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚋淖冸妷汉皖l率的交流電投入使用，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。這個(gè)過程利用二極管和逆變技術(shù)進(jìn)行。但是這個(gè)過程不能讓能量進(jìn)行雙向流動(dòng)，也就是說傳統(tǒng)變頻器只能電機(jī)工作的時(shí)候同時(shí)工作，電動(dòng)機(jī)回饋的能量只能被消耗掉，不僅浪費(fèi)了能量，而且存在安全隱患。所以采用四象限變頻器應(yīng)用于張緊裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，見圖4。

變頻器主要包括了控制電路和主電路，其中主電路又包括了逆變器、整流器和直流濾波。經(jīng)過濾波形成的直流電，可以消除整流電路和逆變電路的干擾。這個(gè)變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)回饋的能量送至電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能的目的。通過精準(zhǔn)控制，可以按照電動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況，根據(jù)所需要的電源電壓進(jìn)行相應(yīng)的提供，從而使張緊裝置能夠按照實(shí)際情況提供張緊力，保障輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 變頻器組成

3 張力裝置自動(dòng)控制實(shí)例

3.1 現(xiàn)場(chǎng)帶式輸送機(jī)張緊力計(jì)算

煤礦帶式輸送機(jī)型號(hào)為DTL120，帶寬1 200 mm，輸送長(zhǎng)度為290 m，輸送量為1 200 t/h，路線布置近似水平，帶速為3.15 m/s。從圖5中可以知道，張力的作用有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行依次計(jì)算分析。

圖5 帶式輸送機(jī)張力分析示意圖

采用逐點(diǎn)計(jì)算法，得到各節(jié)點(diǎn)的張力：

又根據(jù)摩擦力條件及摩擦傳動(dòng)，可得：

式中：u0為滾筒和輸送帶之間的摩擦因數(shù)，取0.3；C0為摩擦力備用系數(shù)，取1.2；α為圍包角，取8.17°。從而求得S1=86.3×103N。

又依據(jù)懸垂度的要求需要小于在承受載力的段帶最小張力處，該處的張力值為S6=164.8×103N，計(jì)算所得滿足要求。又因?yàn)镾2≈76.3 kN，S3=79.1 kN，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算張緊裝置的張緊力，應(yīng)該為155.4 kN，所以，設(shè)置正常情況下的張緊裝置的張緊力為160 kN。

因?yàn)閹捷斔蜋C(jī)在不同的礦井工作情況下，它所需要提供的張緊力是不一樣的，比如，在剛開始啟動(dòng)時(shí)，帶式輸送機(jī)的工作速度會(huì)一直發(fā)生變化，那么輸送帶需要的張緊力就是需要不斷發(fā)生變化的，受動(dòng)靜張力的影響，需要對(duì)輸送帶增加驅(qū)動(dòng)力，為了平衡動(dòng)張力的影響而增大牽引力。因此，在自動(dòng)裝置控制時(shí)設(shè)置的啟動(dòng)張緊力，要在正常工作情況的張緊力上增加0.5倍，從而留有余地，那么，根據(jù)上述計(jì)算的結(jié)果，正常工作情況下的張緊力為160 N，則啟動(dòng)張緊力為240 N。同時(shí)，要讓帶式輸送機(jī)停止，進(jìn)行制動(dòng)，此時(shí)要減小牽引力，而又受到慣性力的影響，張緊裝置提供的張緊力減小，因此，在自動(dòng)裝置控制時(shí)設(shè)置的制動(dòng)張緊力，在正常工作情況下減小，也要留有空余，取正常情況下的0.9倍，即0.6×160 kN=144 kN。

3.2 自動(dòng)控制效果

利用永磁變頻自動(dòng)張緊裝置，根據(jù)計(jì)算所得的實(shí)際數(shù)據(jù)，設(shè)置完系統(tǒng)的設(shè)定值后，也就是計(jì)算所得的啟動(dòng)緊張力240 kN，還有制動(dòng)緊張力216 kN。對(duì)帶式輸送機(jī)的張緊裝置的響應(yīng)及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)給輸送帶加載沖擊載荷時(shí)，利用自動(dòng)控制，張緊裝置可以立即發(fā)生響應(yīng)，進(jìn)行相應(yīng)的操作。在達(dá)到最大緊張速度0.089 m/s時(shí)，耗時(shí)為180 s，而直到182 s，速度依然沒有改變，并且在183 s的時(shí)候，停止了所有動(dòng)作，在這個(gè)時(shí)間段，張緊速度并沒有超過合理范圍，控制效果非常好。自動(dòng)控制效果不僅能夠瞬時(shí)響應(yīng)，張緊速度更加迅速，而且可以保持方向不發(fā)生變化，同時(shí)，它能夠重新復(fù)原到穩(wěn)定狀態(tài)的過程更加平穩(wěn)而且消耗時(shí)間更短。

4 結(jié)論

利用永磁變頻自動(dòng)張緊裝置在帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，能夠快速達(dá)到所需的張力值，而且對(duì)設(shè)備的沖擊更小，過程更加平穩(wěn)，設(shè)備的損害更小，響應(yīng)速度更快；而當(dāng)帶式輸送機(jī)在受到載荷沖擊時(shí)，依然能夠迅速響應(yīng)，而且恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)并且繼續(xù)穩(wěn)定的工作的時(shí)間非常短，具有非常強(qiáng)的抗干擾能力。該設(shè)備在礦井中具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。