礦用帶式輸送機(jī)張緊力控制機(jī)構(gòu)研究

李 軍

（山西焦煤集團(tuán)西山煤電屯蘭煤礦，山西 太原030052）

0 引 言

帶式輸送機(jī)是煤礦的重要運(yùn)輸設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)輸距離長、運(yùn)量大、維修方便，因此廣泛應(yīng)用于井下和井上的長距離煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)。近年來，隨著我國采煤技術(shù)的快速發(fā)展，煤炭生產(chǎn)效率顯著提升，對配套帶式輸送機(jī)等設(shè)備的運(yùn)輸效率和工作穩(wěn)定性提出了更高要求。為提高帶式輸送機(jī)的工作能力，我國于上世紀(jì)八十年代引進(jìn)了輸送帶液壓張緊裝置，經(jīng)過多年消化、吸收和發(fā)展，目前國產(chǎn)張緊裝置正朝著高智能化、高穩(wěn)定性方向深入發(fā)展[1-3]。另外，由于輸送帶張緊力變化具有非線性和時變性特點(diǎn)，因此要求該裝置具有良好的動態(tài)穩(wěn)定性，本文將重點(diǎn)對此進(jìn)行研究。

1 帶式輸送機(jī)摩擦傳動原理

1.1 輸送帶受力分析

帶式輸送機(jī)主要由驅(qū)動滾筒、轉(zhuǎn)向滾筒、托輥、輸送帶、支架等組成，其中，輸送帶纏繞在驅(qū)動滾筒和轉(zhuǎn)向滾筒之間，通過調(diào)節(jié)兩滾筒之間的相對距離，可對輸送帶的張緊程度進(jìn)行調(diào)整。輸送機(jī)未啟動狀態(tài)下，滾筒上端和下端的輸送帶張力相等；當(dāng)輸送帶正常運(yùn)行時，驅(qū)動滾筒與輸送帶之間的摩擦力使圖1 所示相遇點(diǎn)A 的張力增大至，而分離點(diǎn)B 的張力減小至，因此滾筒上端輸送帶為緊邊，下端為松邊。

圖1 輸送帶受力示意圖

對于圖示摩擦包角圓弧段的輸送帶，假設(shè)輸送帶為撓性體，且不受彎曲應(yīng)力，另假設(shè)靠近分離點(diǎn)某位置的張力為T，靠近相遇點(diǎn)某位置的張力為T+dT，滾筒對兩點(diǎn)之間輸送帶的支反力為dTN，則該段輸送帶的受力可表示如下：

式中：θ為輸送帶上起始點(diǎn)與研究點(diǎn)之間的包角；μ為輸送帶與驅(qū)動滾筒之間的摩擦系數(shù)。

求解方程組（1），并代入邊界條件T(θ=0)=T2，可得輸送帶在包角圓弧上任意一點(diǎn)的張力T：

1.2 摩擦驅(qū)動力計(jì)算

假設(shè)輸送帶與驅(qū)動滾筒之間的包角為λ，則相遇點(diǎn)處的張力T1表示如下：

則驅(qū)動滾筒對輸送帶的摩擦驅(qū)動力F 計(jì)算如下：

由上可知，為提高滾筒對輸送帶的驅(qū)動力，可從提高輸送帶張緊力、增大滾筒摩擦系數(shù)、增加輸送帶包角三方面入手進(jìn)行解決，其中，提高輸送帶張緊力的主要措施就是設(shè)置張緊力控制機(jī)構(gòu)。

2 張緊力控制機(jī)構(gòu)的作用

張緊力控制機(jī)構(gòu)的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）保證在輸送帶與驅(qū)動滾筒分離點(diǎn)處，輸送帶有足夠的張緊力T2，防止因輸送帶在分離點(diǎn)張力過小而在滾筒上發(fā)生打滑。

2）保證輸送帶在兩托架中間區(qū)段有足夠的張緊力，防止托架間輸送帶過于松弛或懸垂量過大，造成煤料拋灑，另一方面增大輸送帶張緊力也可降低托輥對輸送帶的摩擦阻力。

3）通過調(diào)整張緊力可及時補(bǔ)償由負(fù)載變化造成的輸送帶伸長變形，或?qū)斔蛶г陂L期使用過程中的蠕變進(jìn)行補(bǔ)償。

4）在輸送機(jī)啟動或停止過程中，由于慣性作用，輸送帶容易受到?jīng)_擊載荷影響，而通過及時調(diào)整輸送帶張緊力，可減弱其影響。

5）張緊力調(diào)整機(jī)構(gòu)還可為皮帶接頭操作提供充足行程[4-6]。

3 張緊力控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.1 機(jī)構(gòu)組成

為保證提供足夠的張緊力和張緊行程，同時避免張緊力出現(xiàn)沖擊和突變，張緊力控制機(jī)構(gòu)采用張緊絞車和液壓缸相結(jié)合的方式，因此其組成結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)。如圖2 所示，機(jī)械系統(tǒng)主要由移動小車、滑輪組、鋼絲繩、拉緊絞車等組成，液壓控制系統(tǒng)由液壓站、絞車液壓馬達(dá)、液壓制動器、張緊緩沖油缸、蓄能器等組成，而電氣控制系統(tǒng)由電控站、張緊力檢測裝置等組成。

圖2 張緊力控制機(jī)構(gòu)組成

電控站按預(yù)設(shè)程序控制液壓馬達(dá)輸出特定轉(zhuǎn)速和扭矩，驅(qū)動絞車旋轉(zhuǎn)，通過收緊在滑輪組上纏繞的鋼絲繩，可拉動移動小車，從而改變輸送帶所受張緊力，另外，張緊緩沖油缸可吸收張緊力的波動和沖擊，保證張緊控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.2 關(guān)鍵零部件選型

1）PLC 控制器。PLC 控制器是電控系統(tǒng)的核心元件，根據(jù)系統(tǒng)控制功能要求，選用西門子S7-200系列微型PLC，內(nèi)含CPU 226AC/DC/RLY 處理器，編程工具基于Windows 系統(tǒng)，操作方便，可實(shí)現(xiàn)邏輯、計(jì)數(shù)、運(yùn)算、通訊等功能。相應(yīng)電控系統(tǒng)通訊處理器選用CP342-5，接觸器選用西門子3TF46331XB4 型接觸器。

2）電液比例溢流閥。電液比例溢流閥是液壓控制系統(tǒng)的核心元件，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)溢流壓力，可實(shí)現(xiàn)對液壓馬達(dá)輸出扭矩的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)鋼絲繩和輸送帶的張緊程度。根據(jù)系統(tǒng)工作環(huán)境特點(diǎn)，選擇EBG-10 型電液比例溢流閥，其壓力調(diào)節(jié)范圍較寬（1～24.5MPa），且對油的清潔度要求一般。

3）拉力傳感器。拉力傳感器用于實(shí)時檢測輸送帶的張緊力，由于電控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)指令根據(jù)其張力檢測值進(jìn)行輸出，因此要求其檢測值準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定，據(jù)此選擇LD206 型傳感器和LD920 型壓力變送器，拉力檢測范圍1～10t，偏差小于1%。

3.3 張緊力控制工作原理

張緊力控制系統(tǒng)包括自動控制和手動控制兩種模式，具體如下：

圖3 張緊力控制工作原理

3.3.1 自動控制模式

1）啟動。電控箱啟動后，首先電氣系統(tǒng)自檢當(dāng)前張緊力，若張緊力低于報警值時，認(rèn)為當(dāng)前張緊系統(tǒng)存在機(jī)械或液壓故障，應(yīng)停機(jī)檢測；當(dāng)張緊力滿足要求時，正常啟動液壓泵，緩沖液壓缸充液，電液比例溢流閥調(diào)定至啟動壓力，同時絞車液壓抱閘松開，液壓馬達(dá)輸出啟動扭矩將鋼絲繩拉緊，當(dāng)檢測到的張緊力達(dá)到正常張緊力的1.4～1.5 倍時，認(rèn)為已滿足設(shè)備啟動條件，此時關(guān)閉液壓馬達(dá)，并開始啟動刮板輸送機(jī)運(yùn)行。

2）加速至穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)刮板輸送機(jī)加速至穩(wěn)定運(yùn)行速度時，電液比例溢流閥調(diào)定至正常壓力，電磁閥換向，絞車在馬達(dá)驅(qū)動下松繩，直至張緊力下降至正常值，然后液壓抱閘抱緊，電磁換向閥置于中位，液壓泵空載運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3）正常運(yùn)行和保壓階段。輸送機(jī)正常運(yùn)行過程中，當(dāng)液壓系統(tǒng)存在泄漏、煤炭運(yùn)輸量增加或減少時，輸送帶的張緊力發(fā)生波動，張緊力測定值實(shí)時反饋至PLC 控制器，當(dāng)波動量超過設(shè)定值的10%時，電磁換向閥相應(yīng)端控制得電，液壓絞車正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，對輸送帶進(jìn)行拉緊或放松，直至達(dá)到設(shè)定正常張緊力，然后換向閥恢復(fù)中位。另外，緩沖液壓缸和蓄能器也能吸收一部分張力波動。

4）制動停機(jī)階段。當(dāng)電控系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)信號后，電液比例溢流閥調(diào)定至停機(jī)壓力，電磁換向閥動作，液壓絞車松繩，直至張緊力達(dá)到停機(jī)設(shè)定值，然后換向閥恢復(fù)中位，液壓系統(tǒng)停機(jī)，輸送機(jī)設(shè)備平穩(wěn)停機(jī)。

3.3.2 手動控制模式

當(dāng)對帶式輸送機(jī)進(jìn)行檢修時，需將控制系統(tǒng)置于手動模式，液壓絞車正/反轉(zhuǎn)、緩沖液壓缸伸縮等動作都可進(jìn)行手動按鈕調(diào)整。

4 系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

1）相比于單純的液壓缸張緊方式，本文所述張緊絞車和液壓缸相結(jié)合方式的張緊行程達(dá)20m，輸送帶的伸縮調(diào)節(jié)范圍更大，方便維修和接頭。

2）可實(shí)現(xiàn)對輸送帶張緊力的實(shí)時檢測和反饋，為張緊力的動態(tài)調(diào)整提供基礎(chǔ)。另外，可根據(jù)設(shè)備啟動、加速、穩(wěn)定運(yùn)行、制動等狀態(tài)下對輸送帶張緊力的不同要求，實(shí)現(xiàn)分區(qū)段精確控制，由此可降低輸送帶的強(qiáng)度要求和磨損消耗，從而節(jié)約設(shè)備成本。

3）在啟動、制動或載荷突變工況下，本系統(tǒng)的緩沖液壓缸和蓄能器可吸收傳遞至輸送帶上的張緊力波動，保證張緊力平穩(wěn)，避免輸送帶打滑。

4）當(dāng)發(fā)生斷帶故障時，張緊力檢測裝置將斷帶信號迅速上傳至電控系統(tǒng)，系統(tǒng)控制絞車抱閘，同時將蓄能器與油箱接通，張緊液壓缸緩慢卸荷，防止斷帶對張緊裝置的沖擊破壞。

5 結(jié) 論

為提高帶式輸送機(jī)的工作能力和穩(wěn)定性，本文首先對輸送帶的摩擦傳動原理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明增大輸送帶張緊力等措施可提高滾筒對輸送帶的驅(qū)動力，隨后分析了張緊力控制機(jī)構(gòu)在抑制輸送帶打滑、減少煤料拋灑、補(bǔ)償拉伸變形等方面的作用，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對一種張緊絞車和液壓缸相結(jié)合的張緊力控制機(jī)構(gòu)的設(shè)備組成、關(guān)鍵零部件選型、張緊力控制原理等進(jìn)行了研究，分析表明，這種機(jī)構(gòu)在張緊行程、設(shè)備成本節(jié)約、緩沖吸振、斷帶保護(hù)等方面具有顯著應(yīng)用優(yōu)勢，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。