礦用帶式輸送機自動張緊控制系統(tǒng)研究

崔志鵬

(山西汾西正令煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032303)

帶式輸送機是礦井常用運輸設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、運輸距離長以及運量大等優(yōu)點[1-2]。近些年來，隨著礦井綜采、綜掘技術(shù)的不斷發(fā)展，井下煤炭產(chǎn)量、生產(chǎn)效率等大幅提升，對帶式輸送機運輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求[3]。為提升帶式輸送機的工作效率，避免輸送機出現(xiàn)打滑、膠帶跑偏等故障，一般在大型帶式輸送機上均配備有張緊裝置[4-5]。由于帶式輸送機膠帶張緊力呈時變性以及非線性的特點，張緊裝置應(yīng)根據(jù)輸送膠帶張緊力的變化進行動態(tài)調(diào)整[6]。因此，文章提出一種帶式輸送機自動張緊控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可依據(jù)膠帶受力變化自動調(diào)整張緊力，從而達到提升帶式輸送機工作效率、可靠性的目的。

1 張緊力自動控制系統(tǒng)的作用

1) 確保帶式輸送機驅(qū)動滾筒與膠帶分離點位置膠帶有足夠張緊力，避免膠帶在分離點處的張緊力過小引起打滑。

2) 確保膠帶在兩鄰近托輥間有足夠的張緊力，避免膠帶在物料重力作用下出現(xiàn)過度松弛或者懸垂量過大，導(dǎo)致膠帶上物料拋灑；同時給膠帶足夠的張緊力也可降低托輥對膠帶的磨損。

3) 通過調(diào)整作用到膠帶上的張緊力可及時補償載荷變化引起的膠帶延長變形或者對膠帶長時間使用引起的蠕變進行補償。

4) 在帶式輸送機啟停過程中，在慣性影響下膠帶會受沖擊載荷影響，通過調(diào)整張緊力可削弱沖擊載荷影響。

5) 張緊力調(diào)節(jié)裝置可為膠帶接頭操作提供一定的行程。

2 張緊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機自動張緊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，組成部分包括支架、滾筒、繩輪組、鋼絲繩以及永磁變頻同步電機等。永磁變頻同步電機是張緊系統(tǒng)動力源以及核心部件，電機的運行穩(wěn)定性直接影響張力控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及精度。電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括隔爆操作箱、變頻調(diào)速控制器以及張力傳感器等，用來對帶式輸送機運行各階段的張力數(shù)據(jù)進行分析并控制張緊系統(tǒng)正常運行。

圖1 帶式輸送機自動張緊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 自動張緊控制系統(tǒng)張緊力控制分析

帶式輸送機在不同的工作階段對膠帶張緊力有不同的要求，根據(jù)帶式輸送機工作狀態(tài)的差異可將張緊力運行控制分為3個階段：

1) 啟動階段。此階段處于帶式輸送機啟動初期，張緊力控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號確保張緊裝置提供的張緊力稍微大于正常張緊力，避免在啟動初期出現(xiàn)膠帶打滑、跑偏等故障。一般情況下，為正常張緊力的1.4～1.8倍。

2) 啟動至正常運行階段。此階段張緊裝置提供的張緊力逐漸向正常張緊力過渡，待帶式輸送機的運行速度達到預(yù)先設(shè)定的速度后，張緊裝置提供的張緊力降低至正常張緊力。

3) 正常運行階段。此階段張力控制系統(tǒng)維持帶式輸送機平穩(wěn)運行，為正常張緊力，當(dāng)膠帶受到的張緊力偏小時，控制系統(tǒng)動作使膠帶張緊力提升至正常值。

帶式輸送機在靜態(tài)、動態(tài)工況下對張緊力的要求有差異，運行工況與張緊力設(shè)定值對應(yīng)關(guān)系見圖2。

圖2 帶式輸送機運行工況與張緊力設(shè)定值對應(yīng)關(guān)系

張緊裝置中永磁同步電機采用矢量控制系統(tǒng)控制運行，矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般為內(nèi)、外環(huán)聯(lián)級結(jié)構(gòu)。通過布置的傳感器監(jiān)測永磁電機的實際轉(zhuǎn)速，通過分析實際轉(zhuǎn)速、期望轉(zhuǎn)速，得到轉(zhuǎn)速差；通過模糊PID控制器得到期望轉(zhuǎn)速對應(yīng)的期望電流iqref；得到三相電源相對應(yīng)的電流(ia、ib、ic)，并經(jīng)過Clarke、Park變化，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)體系下對應(yīng)的電流值id、iq；將其與期望電流iqref進行比較，其中電流差值為iqref，確保iqref=0，計算得到永磁同步電機精準控制量；后經(jīng)過逆變轉(zhuǎn)換、SVPWM調(diào)節(jié)等，得到控制量，從而實現(xiàn)張力自動調(diào)節(jié)。

4 自動張緊控制系統(tǒng)應(yīng)用模擬分析

采用MatLab軟件對傳統(tǒng)液壓張緊裝置以及文中所述自動張緊控制方式下帶式輸送機啟動期間膠帶張緊力的變化進行分析。帶式輸送機初期啟動時間設(shè)計為140 s，具體模擬仿真結(jié)果見圖3。從圖中看出，自動張緊控制方式下，張緊力會先下降，后經(jīng)0.5 s后逐漸增加，張緊力增加時間相對于傳統(tǒng)的液壓張緊裝置提前約1.98 s；帶式輸送機啟動12 s后膠帶張緊力達到預(yù)先設(shè)定值，耗時相對于液壓張緊裝置提前約13 s；自動張緊控制方式張緊力最大超調(diào)量為0.51 kN，較液壓張緊裝置的0.96 kN減少約0.45 kN。

圖3 帶式輸送機初期啟動模擬仿真結(jié)果

待帶式輸送機啟動140 s后進入到正常運行階段，自動張緊控制方式及時動作可將張緊力快速降至正常張緊力，整個過程耗時控制在5.4 s以內(nèi)，而液壓張緊裝置則需耗時約12.8 s。

從帶式輸送機初期啟動模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自動張緊控制方式較傳統(tǒng)的液壓張緊裝置，調(diào)整響應(yīng)速度更快，張緊力變化曲線更為平滑、調(diào)節(jié)耗時更短。

5 結(jié) 語

為提高礦用帶式輸送機的運行可靠性，文中提出一種基于永磁同步電機的帶式輸送機自動張緊控制系統(tǒng)，并系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理以及控制方法等進行了分析。

采用Matlab對比分析自動張緊控制系統(tǒng)、液壓張緊控制裝置在帶式輸送機啟動初期張緊力的調(diào)節(jié)情況，發(fā)現(xiàn)自動張緊控制系統(tǒng)在張緊力調(diào)節(jié)響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)精度以及超調(diào)量等方面均有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，可滿足帶式輸送機張緊力調(diào)節(jié)控制的需要。