膠帶輸送機(jī)變頻自動(dòng)張緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉衛(wèi)東

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033600）

引言

膠帶輸送機(jī)作為煤炭井下遠(yuǎn)距離輸送的關(guān)鍵設(shè)備[1]，其工作的可靠性不僅關(guān)系煤炭掘進(jìn)工作的安全，還與煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注[2-4]。傳統(tǒng)的膠帶輸送機(jī)張緊工作依靠人工操作，不僅效率低下，而且效果不佳，經(jīng)常出現(xiàn)張緊之后膠帶跑偏的情況，影響整個(gè)煤炭輸送工作的開展，限制煤炭企業(yè)產(chǎn)量的進(jìn)一步提升[5]。因此針對(duì)某煤炭企業(yè)膠帶輸送機(jī)手動(dòng)張緊效率低的問題，開展了變頻自動(dòng)張緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究工作。

1 膠帶輸送機(jī)存在的問題

膠帶輸送機(jī)作為一種長距離輸送裝置，在煤炭掘進(jìn)工作過程中取得了較為廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示，可以看出，膠帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)涉及輸送帶、滾筒、拉緊裝置等。輸送帶在傳動(dòng)滾筒和尾部滾筒的支撐下形成閉環(huán)，上下膠帶的自動(dòng)由托輥支撐抵消，減小其撓曲垂度，膠帶張緊力由拉緊裝置提供并可調(diào)整。膠帶輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)滾筒帶動(dòng)膠帶連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)膠帶表面的煤炭物料前移，實(shí)現(xiàn)煤炭物料的遠(yuǎn)距離輸送。目前膠帶輸送機(jī)張緊調(diào)整方式多為手動(dòng)，調(diào)整效率低，難以保證張緊輥輪兩端的張緊量一致，經(jīng)常出現(xiàn)張緊之后膠帶跑偏問題。

圖1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)原理

2 張緊裝置的布置要求

張緊裝置的設(shè)計(jì)首先要保證張緊裝置布置的合理性，以便保證輸送機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，包括輸送機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)等，保證輸送機(jī)中膠帶在驅(qū)動(dòng)滾筒上不能出現(xiàn)打滑。因此，結(jié)合筆者多年的工作經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料查詢結(jié)果，確定了張緊裝置布置的要求如下：第一是將拉緊裝置盡量布置在膠帶所受張力較小的位置；第二是對(duì)于輸送距離大于300 m 的水平或坡度在5%以下的傾角輸送機(jī)，張緊裝置適宜布置在緊靠驅(qū)動(dòng)滾筒的空載側(cè)；第三是輸送距離不大于300 米或坡度在5%以上的上傾輸送機(jī)，拉緊裝置適宜布置在輸送機(jī)的尾部，通過拉緊尾部滾筒實(shí)現(xiàn)膠帶的張緊；第四是雙滾筒驅(qū)動(dòng)輸送機(jī)，張緊裝置適宜布置在后一個(gè)傳動(dòng)滾筒分離點(diǎn)；第五是拉緊裝置一定要布置于拉緊滾筒繞入和繞出膠帶分支與滾筒位移線平行，而且施加的張緊力要通過滾筒中心。

3 變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置的設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)膠帶輸送機(jī)對(duì)于自動(dòng)張緊裝置設(shè)計(jì)的需求，結(jié)合膠帶輸送機(jī)張緊裝置的布置要求，選擇變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置方案的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成的變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置方案如下頁圖2所示，其組成主要包括防爆變頻器、隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、電磁制動(dòng)器、行星減速機(jī)、卷筒、張緊輥筒、張力傳感器及控制系統(tǒng)等。部分關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)參數(shù)如下：防暴變頻器的功率數(shù)值為55 kW、電壓數(shù)值為660 V、輸出頻率數(shù)值為0～50 Hz；防爆電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)為55 kW/1 480 r/min。行星減速機(jī)型號(hào)為EC3400，減速比為80.5。變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置的最大沖擊張力為200 kN。

圖2 變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置方案

3.2 工作原理

變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置啟動(dòng)時(shí)需要將主電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)發(fā)送至控制系統(tǒng)3 方可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置動(dòng)作。如下頁圖2 所示，卷筒1 主要負(fù)責(zé)膠帶張緊與放松動(dòng)作，是膠帶張緊的直接驅(qū)動(dòng)力；行星減速機(jī)2 的作用是對(duì)隔爆電動(dòng)機(jī)輸出的高速低扭矩動(dòng)力進(jìn)行降速增扭，實(shí)現(xiàn)張緊力的穩(wěn)定輸出；電磁制動(dòng)器4、聯(lián)軸器5 和電磁離合器6 布置于卷筒和防暴電動(dòng)機(jī)之間，主要負(fù)責(zé)張緊動(dòng)力的輸出與停止，聯(lián)軸器還具有緩沖與過載保護(hù)的作用；防爆變頻器8 主要接收控制系統(tǒng)3 的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)頻率的調(diào)節(jié)與控制，進(jìn)而控制防暴電機(jī)的輸出動(dòng)力，調(diào)節(jié)自動(dòng)張緊驅(qū)動(dòng)力大??；張力傳感器11 的作用主要負(fù)責(zé)采集膠帶運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)張力大小，反饋至控制系統(tǒng)3 進(jìn)行邏輯分析，進(jìn)一步確定是否需要改變變頻器的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)自動(dòng)張緊裝置的張力大小，實(shí)現(xiàn)膠帶張緊力的閉環(huán)控制。

3.3 工作流程

變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置工作流程如圖3 所示，系統(tǒng)運(yùn)行方式包括自動(dòng)、手動(dòng)和急停三種模式，采用了PLC 邏輯控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與反饋控制，張力傳感器作為膠帶張力大小實(shí)時(shí)采集的元件，達(dá)到變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置閉環(huán)控制的目的。變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置啟動(dòng)工作時(shí)，張力傳感器采集得到的張緊力等于膠帶輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)張緊力設(shè)定初值時(shí)，一般為正常工作張緊力的1.5 倍，隔爆電動(dòng)機(jī)立即停止運(yùn)行，電磁制動(dòng)器和離合器順序斷電，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置的制動(dòng)控制。膠帶輸送機(jī)啟動(dòng)工作完成，控制系統(tǒng)控制電磁制動(dòng)器得電，電磁制動(dòng)器中摩擦片受電磁力作用被松開，實(shí)現(xiàn)膠帶的自動(dòng)松帶目的。當(dāng)張力傳感器反饋的數(shù)值達(dá)到設(shè)定的工作值時(shí)，電磁制動(dòng)器斷電，電磁制動(dòng)器中制動(dòng)摩擦片依靠內(nèi)部彈簧力壓緊并處于制動(dòng)狀態(tài)。

圖3 變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置工作流程

膠帶輸送機(jī)工作過程中的膠帶張緊力要求滿足±10%以內(nèi)的偏差，當(dāng)膠帶實(shí)時(shí)張緊力數(shù)值未達(dá)到規(guī)定數(shù)值時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)張緊裝置，增加膠帶張緊力使其被拉緊，達(dá)到規(guī)定張緊力數(shù)值；當(dāng)膠帶實(shí)時(shí)張緊力數(shù)值超過規(guī)定數(shù)值時(shí)，電磁制動(dòng)器得電，制動(dòng)器內(nèi)摩擦片被松開，減小膠帶張緊力使其被松開，達(dá)到規(guī)定張緊力數(shù)值；當(dāng)膠帶輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)張緊力突然消失，說明膠帶出現(xiàn)了斷裂或卡死等故障，控制系統(tǒng)會(huì)立即斷電，停止變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置工作。

3.4 功能特點(diǎn)

變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置使用了較為先進(jìn)的變頻調(diào)速控制技術(shù)，能夠有效降低膠帶輸送機(jī)啟、停時(shí)膠帶所受的沖擊，延長膠帶的使用壽命。膠帶輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置具有自動(dòng)調(diào)節(jié)張緊力的功能，實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)較大張緊力條件下的啟動(dòng)、制動(dòng)，較小張緊力條件下的運(yùn)行，避免輸送帶波涌現(xiàn)象，提高膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行可靠性。變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置結(jié)構(gòu)組成較為簡單，僅涉及電器與機(jī)械部分，減少了復(fù)雜的機(jī)械和液壓部件，增強(qiáng)了裝置維護(hù)便捷性。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證膠帶輸送機(jī)變頻自動(dòng)張緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，將其應(yīng)用于某型號(hào)膠帶輸送機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行為期半年的跟蹤記錄，結(jié)果表明，膠帶輸送機(jī)變頻自動(dòng)張緊系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了膠帶張緊自動(dòng)控制的功能。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，膠帶輸送機(jī)變頻自動(dòng)張緊系統(tǒng)的應(yīng)用，減少了膠帶張緊工作人員1～2 名，膠帶未出現(xiàn)因張緊出現(xiàn)跑偏的問題，提高了膠帶輸送機(jī)近15%的有效利用時(shí)間，保證了煤炭綜采工作的順利開展，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近40 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。