礦用長距離膠帶運輸機自動張緊裝置的設(shè)計

張學(xué)院，趙 兵，楊全立，王德堂

（山東信力工礦安全檢測有限公司，山東鄒城 273500）

膠帶輸送機在工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用廣泛，是一種連續(xù)運輸設(shè)備，主要使用摩擦力驅(qū)動連續(xù)運輸物料，其中膠帶不僅屬于牽引機構(gòu)，也屬于承載機構(gòu)，因此在啟停和運行過程中對膠帶張緊力要求有所差異，尤其是煤礦運輸?shù)V料過程中，由于質(zhì)量、體積、數(shù)量等差異，對張緊力有不同要求。而在膠帶運輸機中，張緊裝置作為主要運輸設(shè)備，用以控制運輸過程中的張緊力變化，但是實際生產(chǎn)中，張緊裝置一般比較陳舊，受到安裝質(zhì)量、調(diào)試水平和自動化技術(shù)等因素影響，輸送機使用缺乏可靠性，張緊力不符合要求，常出現(xiàn)跑偏、撕帶等問題，對接質(zhì)量不高，人工難以檢測斷帶現(xiàn)象，對采掘運輸作業(yè)高效運行產(chǎn)生影響，無法滿足煤礦實際生產(chǎn)需求。本文設(shè)計了一種長距離膠帶運輸機自動張緊裝置，針對當(dāng)前膠帶運輸機使用中存在的技術(shù)問題，優(yōu)化輸送機張緊調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)自動張緊調(diào)節(jié)。

1 膠帶運輸機結(jié)構(gòu)

膠帶運輸機由底座機架、皮帶、滾筒、張緊和傳動裝置、托輥等結(jié)構(gòu)組成。其中滾筒分為驅(qū)動滾筒和換向滾筒，前者用于帶動皮帶運動滾動，后者用于促使皮帶轉(zhuǎn)變運動方向。電動機和減速器相結(jié)合共同帶動滾筒驅(qū)動，其與膠帶間所產(chǎn)生的摩擦力是膠帶所提供的牽引力。在托輥上移動的膠帶和物料可以實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)動，由于彼此摩擦力較小因此可以做到長距離運輸。膠帶輸送機是利用驅(qū)動滾輪接觸膠帶產(chǎn)生的摩擦力實現(xiàn)牽引的，使用拉緊裝置拉緊皮帶，確保皮帶與驅(qū)動滾筒產(chǎn)生一定摩擦力，可以穩(wěn)定牽引[1]。當(dāng)前，膠帶運輸機中的張緊裝置包括機械絞車張緊、重錘張緊、自動液壓張緊等不同類型。其中機械絞車能夠在勻速運輸時實現(xiàn)自動張緊，但是絞車會長時間處于待機狀態(tài)，調(diào)節(jié)效果不好[2]。重錘張緊反應(yīng)慢，安裝調(diào)修復(fù)雜。而液壓自動張緊調(diào)節(jié)比較靈活，反應(yīng)快，是本文主要研究對象。

2 自動張緊裝置設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，本研究以液壓自動張緊裝置為對象，該裝置主要包括液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、機械系統(tǒng)三部分。其中液壓系統(tǒng)包括液壓站、緩沖油缸、蓄能器、張緊電機、制動器以及慢速絞車等結(jié)構(gòu)，緩沖油缸可以對傳送帶運行時的振動和松弛現(xiàn)象起到緩解作用，能夠做到自動控制、手動控制。電控系統(tǒng)是利用PLC控制張緊電機輸出轉(zhuǎn)矩，利用張緊力傳感器將張力值實時反映出來，使其能夠在不同運行下動態(tài)調(diào)節(jié)張緊力[3]。該系統(tǒng)作為自動張緊裝置邏輯判斷、張力輸出關(guān)鍵部分，可以在內(nèi)部完成控制程序和算法的運算。機械系統(tǒng)包括張緊小車、鋼絲繩、導(dǎo)向滑輪等結(jié)構(gòu)，可以用于執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)布的張緊命令，能夠調(diào)節(jié)大范圍傳送帶張緊力，其中鋼絲繩與導(dǎo)向滑輪能夠?qū)?zhí)行元件連接起來，而液壓絞車通過鋼絲繩正反向纏繞可以調(diào)節(jié)傳送帶松緊。

圖1 液壓自動張緊系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 控制原理

在膠帶運輸機運行過程中，運行狀態(tài)不同，張力要求也不同，利用PLC 設(shè)定的張緊參數(shù)和程序可以動態(tài)調(diào)節(jié)運輸機運行過程中的張力變化。上位機遠程將操作命令發(fā)給控制器，同時也接受控制器發(fā)回的命令，對運輸機運行動態(tài)和張力變化進行實時監(jiān)測。而控制器在接收上位機的啟動命令后會即刻控制張緊力將其調(diào)整成啟動張緊力，其數(shù)值一般為正常張緊力1.5～2.0倍，關(guān)閉絞車制動器，電機正向轉(zhuǎn)緊繩，并利用液壓站將緩沖油缸填滿油料[4]。在張緊力達到啟動值后開啟制動器，此時電機停轉(zhuǎn)，液壓站也處于空載運行狀態(tài)中。PLC 在傳送帶達到正常數(shù)值時接收信號對張力進行自動控制，直到其達到正常運行張力要求。系統(tǒng)在接收停機命令之后由PLC 將控制信號發(fā)送出來使張緊力能夠自動調(diào)節(jié)到停機狀態(tài)下的張緊力，設(shè)定值一般為正常張力0.9倍，此時啟動絞車制動器，而液壓站則處于空載運行狀態(tài)中，并關(guān)閉電磁閥，確保液壓系統(tǒng)運行終止。另外，該系統(tǒng)中還設(shè)置了斷帶保護裝置，其可以在傳送機發(fā)生故障斷裂時降低張力直到0，此時PLC 也會發(fā)送信號要求液壓站停運，并啟動制動器，連通蓄能器和油箱，卸掉緩沖油缸的負載，將緩沖油缸關(guān)閉使張緊小車減緩運行速度，避免其重裝張緊裝置，進而起到斷帶保護作用。

2.3 硬件設(shè)計

2.3.1 硬件結(jié)構(gòu)

液壓自動張緊裝置中，硬件結(jié)構(gòu)包括液壓馬達、電控箱、傳感器、制動器等部分，也可以劃分成機械結(jié)構(gòu)、電氣裝置、液壓裝置。

（1）機械結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)經(jīng)由滾筒小車直接連接皮帶，小車底部設(shè)置了專門移動軌道，摩擦力小，可以通過前后西東實現(xiàn)皮帶張緊，而鋼繩一側(cè)連接小車，另一側(cè)則連接液壓絞車，中間使用導(dǎo)向滑輪可用于轉(zhuǎn)變方向，鋼絲繩可以運送液壓絞車所產(chǎn)生的拉力。鋼絲繩選擇需要經(jīng)過應(yīng)力計算，其所設(shè)置的拉力傳感器和采集裝置能夠監(jiān)測鋼絲繩拉力。

（2）電氣裝置。該裝置包括傳感器、電磁閥、控制器、通信線路等。其可以利用傳感器對張緊鋼絲繩拉力進行檢測，并將檢測結(jié)果反饋給控制中心，在控制程序下設(shè)置不同運行情況下的張緊力數(shù)值，評估張緊力。啟動時，張緊系統(tǒng)能夠識別判斷皮帶測速傳感器檢測信號，進而判斷輸送機運行情況，若是控制器判斷系統(tǒng)處于啟動狀態(tài)則會驅(qū)動液壓電機進行加速，使其增加到1.5倍張緊力大小[5]。若是皮帶轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)張緊力，使其處于正常設(shè)定值。若是檢車處于停機狀態(tài)則系統(tǒng)會自動降低張緊力，并啟動緊急停機，通過迅速停機手動設(shè)置張緊力。

（3）液壓裝置。該裝置包括液壓油泵、馬達、蓄能器、制動器等。其中液壓馬達用以驅(qū)動液壓絞車，其介質(zhì)來源液壓泵。通過電氣控制對先導(dǎo)式電液比例溢流閥進行動態(tài)調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)液壓馬達轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等方面的控制，通過調(diào)節(jié)制動閥使液壓絞車能夠驅(qū)動小車移動，進而調(diào)整張緊力。而在小車軌道上則設(shè)置了蓄能站和緩沖油缸，同時系統(tǒng)通過控制電磁換向閥可以對小車滑動時的沖擊現(xiàn)象進行平衡調(diào)整，確保設(shè)備運行穩(wěn)定可靠[6]。另外，系統(tǒng)通過液壓制動器和斷帶保護可以在發(fā)生故障時迅速制動，有效預(yù)防危險。

（4）通訊模塊。電控箱控制器的控制中心是微處理器，其利用模擬量數(shù)據(jù)收集電路關(guān)于張緊力拉力傳感器中的數(shù)據(jù)，并收集輸送機測速傳感器的放大、A/D 轉(zhuǎn)換信息，將其傳輸?shù)轿⑻幚砥髦校媒涌陔娐纺K和電磁閥等設(shè)備將通信連接起來，進而控制執(zhí)行元件。而控制器利用RS485串口通信則能夠與上位機實現(xiàn)信息交互。另外，在輸送點斷裂或是出現(xiàn)裂縫情況下，X 射線掃描儀可以通過發(fā)射低頻X 射線所形成的時間差確定輸送帶問題，將所收集的信息傳輸給PLC 端進行分析處理，之后顯示器會將輸送帶問題位置顯示出來，發(fā)布預(yù)警通告，并利用連鎖開關(guān)將電機電源切斷。

2.3.2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)是液壓自動張緊裝置設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一，本研究在上述原理和功能基礎(chǔ)上設(shè)計方便操作且合理的硬件操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，PLC 控制器屬于核心部分，需要謹慎選擇，本文綜合考慮各種因素選擇西門子S7-1200作為核心控制器，其結(jié)構(gòu)緊湊，運算較快，能夠安裝成導(dǎo)軌模式，配置了大約10-24個高速I/O 接口，并采用了PM1207電源模塊，電源輸入和輸出要求分別為120/20VAC、24VDC/2.5A，同時配置了MPI 等多個通信接口，并集成了PROFINET接口、RJ45 連接器，不僅可以提升信息傳輸速度，也能夠滿足裝置實際需求。電機則選擇三相異步電動機，其轉(zhuǎn)速可以達到1 470 r/min，功率11 kW，額定電壓在380 V。該系統(tǒng)中，針對油泵供應(yīng)無法滿足峰值或壓力脈動這一問題，可以使蓄能器運行期間吸收壓力動脈以便供給瞬時能量，完善系統(tǒng)性能。本裝置蓄能器為囊式蓄能器，公稱容積和壓力分別為0.4 L、10 MPa，二者符合系統(tǒng)要求。液壓油泵作為動力元件可以利用電機驅(qū)動將油箱中油直接輸入到執(zhí)行部件中，本系統(tǒng)采用液壓油泵，其壓力、功率和排量分別為12 MPa、3.2 kW、10 mL/r，基本能夠滿足系統(tǒng)要求。

該裝置中，張力值實時采樣系統(tǒng)包括張力傳感器和變送器，前者位于鋼絲繩上，可以實時采樣運輸機運行期間的張力數(shù)值，并由變送器將其放大，之后傳輸?shù)絇LC 模擬量輸入模塊中進行處理并采樣數(shù)據(jù)上傳到上位機，程序運算過程中通過上位機監(jiān)控器將張力值實時展示出來，方便觀察。本系統(tǒng)的張力傳感器選擇GAD10礦型安全傳感器，其精度、量程、非線性度和工作電壓分別為±3%、0～10 t、低于0.25%、DC 12 V。本系統(tǒng)選擇的變送器是ZHZF-FD 型高精度變送器，其電壓、溫度、輸入靈敏度、分辨率分別為DC 10～33 V、-5～50 ℃、0～30 mV、65 000分度，基本能夠滿足系統(tǒng)要求。

2.4 軟件設(shè)計

膠帶運輸機啟停和運行操作時，液壓自動張緊裝置會采集檢測并反饋膠帶張緊力，控制器和膠帶運輸機的專屬、預(yù)設(shè)張緊力結(jié)合起來能夠準(zhǔn)確判斷實際張緊力，而對于流量進行調(diào)整可以改變驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，并控制緩沖油缸，進而改變張緊力。該裝置軟件程序主要針對鋼絲繩張緊力進行信息采集、監(jiān)測，判斷張緊力，并按照轉(zhuǎn)速、開關(guān)信號來判斷工況運行，對策略進行調(diào)整、控制[7]。

3 礦用長距離膠帶運輸機自動張緊裝置應(yīng)用效果

長距離膠帶運輸機中應(yīng)用自動張緊裝置效果顯著，該裝置自動化程度高，利用PLC 控制器、傳感器等設(shè)備自動調(diào)節(jié)張緊力，自動檢查疏松帶損傷，可以提高輸送帶自動化運行程度。同時，該裝置也能夠降低勞動強度，相對于傳統(tǒng)輸送機張緊裝置而言，其憑借著自動感應(yīng)裝置可以實現(xiàn)全天候無人作業(yè)，大幅降低了人員工作壓力。另外，該裝置具有自動化控制功能，無需人工調(diào)節(jié)張緊力、檢測輸送帶損失，可以按照疏松帶運輸物料自動對張緊力進行調(diào)節(jié)，既能夠保證精度和誤檢率，同時也能夠避免頻繁啟動電機，保護設(shè)備。但該裝置在應(yīng)用時也存在一些問題，例如輸送機機頭部位粉塵多，導(dǎo)致PLC 控制器出現(xiàn)粉塵堆積現(xiàn)象，對裝置應(yīng)用產(chǎn)生了影響；再比如張緊傳感器中的感應(yīng)彈簧由于壓縮和復(fù)位動作比較頻繁，因此彈簧容易出現(xiàn)嚴重變形，需要定期及時更換維修?？傊?，煤礦生產(chǎn)時，在應(yīng)用膠帶輸送機自動裝進裝置后，由于輸送帶張緊調(diào)節(jié)不當(dāng)引發(fā)的輸送機跑偏等事故發(fā)生率大幅降低，也避免了輸送帶斷帶事故發(fā)生，節(jié)省了維修和成本支出，延長了輸送機使用壽命，確保采掘工作順利、高效進行。

4 結(jié)束語

液壓自動張緊裝置在膠帶輸送機中的應(yīng)用可以方便輸送機自動控制張緊力，其中的液壓自動控制系統(tǒng)與電磁閥相結(jié)合，并設(shè)置緩沖設(shè)備可以對振動沖擊現(xiàn)象進行有效平衡，靈活高效調(diào)節(jié)張緊力。系統(tǒng)通過配置斷帶保護、張緊力監(jiān)測等功能進一步提高了膠帶輸送機運行效率和質(zhì)量，保障了設(shè)備生產(chǎn)順利和安全，縮短了檢修時間，延長了設(shè)備使用壽命，提高了煤礦運輸工效。