帶式輸送機(jī)變頻自動(dòng)張緊裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

閆 杰

（山西忻州神達(dá)能源集團(tuán)有限公司安全監(jiān)察督查部， 山西 忻州 034000）

引言

煤炭需求量的不斷增大，極大地推動(dòng)了煤炭行業(yè)的飛速發(fā)展，煤炭掘進(jìn)工作量逐年增大，對(duì)煤炭生產(chǎn)設(shè)備的要求越來越苛刻[1-2]。帶式輸送機(jī)作為綜采工作面重要的設(shè)備，對(duì)其的發(fā)展和更新是必然趨勢(shì)，其中張緊裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)電液一體化[3]。目前帶式輸送機(jī)使用的張緊裝置多為液壓張緊和變頻自動(dòng)張緊，由于液壓張緊存在漏油、故障難修復(fù)等問題，逐漸被變頻自動(dòng)控制裝置取代，變頻自動(dòng)張緊裝置在滿足帶式輸送機(jī)張緊要求的同時(shí)，能夠避免液壓張緊存在的種種問題。變頻自動(dòng)張緊裝置多采用永磁同步電機(jī)，充分發(fā)揮其低速帶載能力好的優(yōu)勢(shì)，使變頻張緊裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，保證較高的驅(qū)動(dòng)效率[4-6]。針對(duì)某煤炭企業(yè)帶式輸送機(jī)液壓張緊裝置存在的漏油問題，開展變頻自動(dòng)張緊裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究具有重要意義。

1 帶式輸送機(jī)概況

煤炭企業(yè)使用的為可伸縮帶式輸送機(jī)，具體型號(hào)為DSJ160/350/3×500，結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示，其負(fù)責(zé)將原煤由井下綜采工作面運(yùn)輸至地面。目前煤炭行業(yè)使用較多的輸送設(shè)備基本都是可伸縮帶式輸送機(jī)，因其設(shè)置了儲(chǔ)帶倉，得到了廣泛認(rèn)可。儲(chǔ)帶倉在機(jī)尾伸縮自移動(dòng)作時(shí)，能夠自動(dòng)控制輸送帶長(zhǎng)度的變化，確保輸送帶張緊裝置正常運(yùn)行。帶式輸送機(jī)卸料之后，輸送帶將會(huì)由換向滾筒和驅(qū)動(dòng)滾筒收放在儲(chǔ)帶倉內(nèi)，經(jīng)過數(shù)次折返之后再次回到機(jī)尾的改向滾筒位置。張緊裝置拖動(dòng)小車時(shí)，儲(chǔ)帶倉中使改向滾筒之間的間距增大，將機(jī)尾自移產(chǎn)生的多余輸送帶儲(chǔ)存至儲(chǔ)帶倉，相反，儲(chǔ)帶倉釋放輸送帶，機(jī)尾自移動(dòng)作結(jié)束，張緊裝置停止工作，輸送機(jī)正常運(yùn)行。

圖1 帶式輸送機(jī)布置簡(jiǎn)圖

2 變頻自動(dòng)張緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體布置

根據(jù)帶式輸送機(jī)實(shí)際情況，完成了變頻自動(dòng)張緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2 所示。由圖2 可以看出，張緊裝置中的張緊滾筒兩邊均設(shè)置了制動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，與軌道上張緊小車之間采用的是鋼絲繩和滑輪組結(jié)構(gòu)。在帶式輸送機(jī)中輸送帶張力出現(xiàn)較大的變化時(shí)，張力傳感器數(shù)值增加，開啟制動(dòng)器，電機(jī)將會(huì)驅(qū)使連接張緊小車的鋼絲繩和滑輪組，使小車產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)張緊力調(diào)節(jié)目的；一旦張緊裝置產(chǎn)生的張緊力趨于穩(wěn)定，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，張緊小車停止，關(guān)閉制動(dòng)器，輸送帶張力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并運(yùn)行。

圖2 變頻自動(dòng)張緊裝置

2.2 張緊力設(shè)定

帶式輸送機(jī)常見的工況包括啟動(dòng)、滿載運(yùn)行和受控停機(jī)，各個(gè)工況下張緊力設(shè)定值關(guān)系如下頁圖3 所示，輸送機(jī)滿速運(yùn)行時(shí)的張力設(shè)定值使用F0表示。帶式輸送機(jī)慢速運(yùn)行時(shí)張緊裝置不運(yùn)行，張力保持在一定范圍，通常為90%～110%，一旦超出范圍，張緊裝置開始進(jìn)行張力調(diào)整。帶式輸送機(jī)啟動(dòng)工況時(shí)，張緊裝置優(yōu)先工作，張緊小車移動(dòng)直至張力傳感器數(shù)值接近設(shè)定值，張緊力滿足設(shè)定范圍要求之后啟動(dòng)輸送機(jī)；輸送機(jī)停機(jī)工況時(shí)，張緊裝置保持工作片刻之后輸送機(jī)停止運(yùn)行；帶式輸送機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)斷帶時(shí)，張力傳感器數(shù)值劇降，張緊裝置控制主機(jī)立刻停機(jī)。輸送機(jī)不同工況下，均有PLC 對(duì)張力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與設(shè)定值比對(duì)之后調(diào)節(jié)變頻器頻率和方向，之后實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制，實(shí)現(xiàn)各工況下張力的調(diào)整。

圖3 帶式輸送機(jī)不同工況所需張緊力

3 主要構(gòu)件設(shè)計(jì)

3.1 鋼絲繩

煤礦井下工作環(huán)境較為惡劣，帶式輸送機(jī)利用等級(jí)為T2，載荷狀態(tài)為L(zhǎng)2，工作級(jí)別為M2。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮降低鋼絲繩受力的情況，得出張緊小車受力情況，如圖4 所示。啟動(dòng)工況張緊力最大為450 kN，計(jì)算得單根鋼絲繩受力為75 kN，直徑不小于22 mm。選擇了7×18 型鋼芯鋼絲繩，直徑為24 mm，抗拉強(qiáng)度為1770 MPa，最小破斷力為334 kN。安全系數(shù)為4時(shí)，鋼絲繩破斷力為300 kN，小于334 kN，滿足使用要求。

圖4 張緊小車受力簡(jiǎn)圖

3.2 滑輪與張緊滾筒

張緊裝置滑輪結(jié)構(gòu)選擇繩槽兩側(cè)夾角為25°，槽底半徑尺寸為14.4 mm，滑輪的名義直徑尺寸為480 mm，圓整之后取滑輪直徑為500 mm。由經(jīng)驗(yàn)公式可得，張緊滾筒的名義直徑為不小于504 mm，取520 mm。張緊滾筒厚度尺寸以接近鋼絲繩直徑為宜，取厚度值為24 mm，容繩量不小于180 m，滾筒的長(zhǎng)度取0.7 m，具有一定的富余量，確保張緊裝置使用可靠。

3.3 電機(jī)選型

電機(jī)作為張緊裝置的驅(qū)動(dòng)力來源，其選型依據(jù)為功率參數(shù)。經(jīng)計(jì)算可得，張緊小車的張緊驅(qū)動(dòng)功率為45 kW。此處選擇的是電機(jī)直驅(qū)模式，布置方式如圖5所示，取軸承效率為0.98、聯(lián)軸器效率為0.98、滑輪組效率為0.95，計(jì)算總效率為0.893。計(jì)算得出，電機(jī)功率不小于70.56 kW，選擇型號(hào)為TYZD-110/45（380）的電機(jī)，額定輸出功率為110 kW，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 電機(jī)直驅(qū)布置

3.4 變頻器與傳感器選型

帶式輸送機(jī)張緊裝置選擇型號(hào)為ACS550-01-246A-4 的變頻器，能夠匹配電機(jī)使用。該變頻器采用的是四象變頻器，具有電機(jī)無調(diào)速的功能，確保帶式輸送機(jī)的安全工作。依據(jù)變頻張緊裝置啟動(dòng)工況的最大張力為75 kW 的情況，選擇了型號(hào)為GAD100 的張力傳感器，如圖6 所示，屬于礦用本安型儀器，具有很好的防爆性能，能滿足在煤炭井下復(fù)雜工作環(huán)境中工作的要求。

圖6 GAD100 型張力傳感器

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證帶式輸送機(jī)變頻張緊裝置設(shè)計(jì)的合理性，將其應(yīng)用于某煤礦服役中的DSJ160/350/3×500型帶式輸送機(jī)中進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄張緊裝置的應(yīng)用情況。應(yīng)用結(jié)果表明，變頻張緊裝置結(jié)構(gòu)合理，工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)啟動(dòng)、滿速運(yùn)行和停車工況下的自動(dòng)張緊功能。檢測(cè)結(jié)果顯示，相較于液壓張緊裝置，變頻張緊裝置響應(yīng)時(shí)間縮短了約12%，振幅降低了近20%，張緊力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間減少了近15%，取得了很好的應(yīng)用效果。