煤礦帶式輸送機(jī)自動張緊裝置的研究及應(yīng)用

賀錦龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037000 ）

1 工程概況

煤峪口煤礦的一采煤工作面全長432 m，有137 m 的傾斜工作面長度，煤層的平均厚度達(dá)到了3.29 m，工作面整體采用綜合機(jī)械化設(shè)備工作。采用的SSJ1200 型帶式輸送機(jī)輸送帶出現(xiàn)了跑偏以及斷帶事故，電機(jī)也出現(xiàn)了短路燒壞的情況，造成了極大的安全隱患。

2 自動張緊裝置設(shè)計(jì)要求

由于固定式和可移動式的張緊裝置沒辦法根據(jù)帶式輸送機(jī)的工作狀態(tài)實(shí)時調(diào)節(jié)張緊力大小，為了保證煤炭開采工作的安全平穩(wěn)，設(shè)計(jì)了自動張緊裝置，以此維護(hù)設(shè)備的安全。

針對輸送機(jī)存在的問題，所設(shè)計(jì)的張緊裝置要具有以下特點(diǎn)：（1）首先需要有迅速的響應(yīng)速度。因?yàn)樵谄П旧淼膹埦o力發(fā)生變化時，張緊裝置具有滯后性[1]，無法及時響應(yīng)，所以，設(shè)計(jì)的自動張緊裝置要能及時做出反應(yīng)。（2）其次是張緊力自動調(diào)節(jié)性能。因?yàn)樵谳斔蜋C(jī)工作時，輸送機(jī)本身的張力不可能一直是穩(wěn)定的，這就需要張緊裝置對其進(jìn)行補(bǔ)償，保證輸送機(jī)可以合理工作。（3）最后是保護(hù)系統(tǒng)。張緊裝置在發(fā)現(xiàn)輸送機(jī)無法正常工作時，要及時向系統(tǒng)做出報(bào)警，并及時處理，防止輸送機(jī)發(fā)生故障。針對這些問題，設(shè)計(jì)出來的自動張緊裝置如圖1。

圖1 自動張緊裝置

3 自動張緊裝置設(shè)計(jì)

3.1 鋼絲繩設(shè)計(jì)

礦井中的開采條件復(fù)雜多變，帶式輸送機(jī)需要在各種各樣的條件下進(jìn)行工作，考慮到輸送機(jī)的負(fù)載狀況，以及鋼絲繩的質(zhì)量原因，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)要盡可能減少鋼絲繩的拉力，從而可以減小永磁同步電機(jī)輸出扭矩大小。具體的設(shè)計(jì)原理如圖2[2]。

圖2 鋼絲繩設(shè)計(jì)圖

整個設(shè)計(jì)可以達(dá)到六倍的放大倍數(shù)。由于輸送機(jī)在運(yùn)行時小車需求的張緊力要450 kN，所以只需要提供75 kN 的張力就可以，降低了工作難度，鋼絲繩本身也不易損壞。

3.2 張緊裝置線圈滾筒設(shè)計(jì)

張緊裝置內(nèi)部使用的線圈滾筒設(shè)計(jì)如圖3[3]。

圖3 張緊裝置滾筒結(jié)構(gòu)圖

張緊裝置線圈滾筒直徑及長度計(jì)算如下式：

式中：h為鋼絲繩相關(guān)系數(shù)；d為鋼絲繩直徑；L為鋼絲繩總長；D為滾筒的直徑；n為鋼絲繩在滾筒上的纏繞層數(shù)；Z為纏繞的鋼絲繩每層的圈數(shù)；P為鋼絲繩之間的間距大小。滾筒本身厚度選取和鋼絲繩的直徑差不多。

3.3 電機(jī)的選用

電機(jī)采用永磁同步電機(jī)和減速裝置相結(jié)合，永磁同步電機(jī)可以在本身速度較低的情況下得到很大的扭矩，功耗較小，并且永磁同步電機(jī)本身工作也十分穩(wěn)定。電機(jī)的具體參數(shù)見表1[4]。

表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)

3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動張緊裝置最主要的就是控制系統(tǒng)，其中PLC 作為主要核心器件，主要負(fù)責(zé)對控制信號、張力大小檢測信號以及其他各類信號的接收工作，將這些信號收集起來并進(jìn)行相應(yīng)的處理運(yùn)算之后，發(fā)出具體的操作指令，完成張緊裝置自動化控制。選用S7-300 型號的PLC 控制器件，它本身的運(yùn)算能力強(qiáng)，各模塊分明，指令清晰豐富，應(yīng)用范圍廣，并且擁有多個接口，適合張緊裝置的設(shè)計(jì)[5]。

整個張緊裝置根據(jù)具體的功能確定輸入和輸出信號的個數(shù)，系統(tǒng)本身的輸入信號包括有裝置供電信號、主控板的控制信號、制動裝置的損耗信號以及張力檢測裝置的張力信號。輸出信號包括制動裝置的啟停信號、永磁同步電機(jī)的啟停信號以及故障檢測信號。這些信號促成了整個張緊裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.5 張力感應(yīng)裝置設(shè)計(jì)

在帶式輸送機(jī)運(yùn)行期間，自動張緊裝置主要通過張力感應(yīng)裝置來檢測輸送機(jī)張力的大小，進(jìn)而做出其他控制操作。張力感應(yīng)裝置作為自動張緊裝置的信號輸入信號，它的靈敏程度決定了整個自動張緊裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

張力感應(yīng)裝置的主要檢測能力依賴裝置本身所帶有的張力傳感器，這是一種專門測量繩類物品張力大小的傳感器，可以將感應(yīng)到的張力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號傳輸回去[6]。為保證張緊裝置的準(zhǔn)確性，此次設(shè)計(jì)采用高精度的張力傳感器，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。它的結(jié)構(gòu)簡單，易于拆卸，操作簡便，而且使用壽命較長。設(shè)備本身采用彈性良好的材料，使得張力信號與外加的壓力大小可以呈現(xiàn)一個線性關(guān)系。鋼絲繩穿過設(shè)備上的螺栓口進(jìn)行固定，鋼絲繩受到來自小車的作用力之后，設(shè)備本身的傳感器內(nèi)部敏感柵發(fā)生相應(yīng)的形變，之后通過對應(yīng)的測量器件將張力檢測出來，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號輸送給控制系統(tǒng)。該張力傳感器的具體參數(shù)見表2。

表2 張力傳感器參數(shù)

圖4 高精度張力傳感器結(jié)構(gòu)圖

4 自動張緊裝置工作原理

自動張緊裝置使用PLC 控制器作為控制結(jié)構(gòu)，主要的感應(yīng)部件為張力感應(yīng)裝置，永磁同步電機(jī)以裝置聯(lián)軸器為中介，張緊裝置線圈連接在一起[7]。線圈上面纏繞著鋼絲繩，鋼絲繩通過滑輪連接移動小車，以此調(diào)節(jié)張緊力，從而維持輸送帶的穩(wěn)定。整個裝置的工作原理如圖5。

圖5 自動張緊裝置工作原理圖

整個裝置的工作過程有三個階段。

帶式輸送機(jī)在啟動狀態(tài)下，張緊裝置不再制動，這時候永磁同步電機(jī)開始工作，張緊裝置的線圈開始動作，將輸送帶張緊，然后通過張力感應(yīng)裝置對現(xiàn)在輸送機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行感應(yīng)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸送帶的張力達(dá)到指定數(shù)值之后，張緊裝置整體停止工作，接下來帶式輸送機(jī)開始工作；在發(fā)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行到指定的狀態(tài)后，張緊裝置開始減小張力，使輸送機(jī)開始正常工作。

在帶式輸送機(jī)正常工作的情況下，張力檢測裝置一直處于工作狀態(tài)，時刻檢測輸送機(jī)的張力大小，并且與系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的數(shù)值進(jìn)行比較；當(dāng)檢測到的數(shù)值大于設(shè)定值后，電機(jī)開始工作，張緊輸送帶，直至數(shù)值恢復(fù)到設(shè)定值范圍；當(dāng)檢測數(shù)值小于設(shè)定值之后，電機(jī)開始放松輸送帶，將數(shù)值變到設(shè)定值附近；在張力達(dá)到設(shè)定值之后，電機(jī)停止工作，輸送帶保持正常運(yùn)行。

在帶式輸送機(jī)要停止時，張緊裝置開始啟用制動器，將輸送帶張力降低到可以實(shí)現(xiàn)停車的狀態(tài)。最后在帶式輸送機(jī)停止之后，張緊裝置可以等待一會兒之后再停機(jī)，這樣可以保證輸送機(jī)停機(jī)之后輸送帶松垮的部分可以得到有效張緊，防止輸送帶發(fā)生破裂的現(xiàn)象。

5 實(shí)際應(yīng)用

為驗(yàn)證該自動張緊裝置的穩(wěn)定性，將其運(yùn)用到帶式輸送機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6。

圖6 自動張緊裝置張緊力曲線

從圖6 可以看出，在裝置啟動瞬間，因?yàn)殡姍C(jī)剛開始啟動，輸送帶的張力大于張緊裝置提供的張緊力，所以張緊力降低。2 s 之后，張緊裝置提供給輸送帶張緊力，又由于輸送帶本身的原因，張緊力在6～12 s 之間出現(xiàn)了輕微的波動現(xiàn)象。19 s 之后，輸送機(jī)張緊力達(dá)到預(yù)先設(shè)定好的數(shù)值，之后3 s 之內(nèi)制動裝置開始調(diào)整機(jī)器直至穩(wěn)定。在140 s 左右輸送機(jī)開始運(yùn)行，后2 s 張緊裝置開始工作，使得張緊力開始變小。經(jīng)過13 s 之后，張緊力達(dá)到輸送機(jī)正常運(yùn)行時所需要的大小，之后一直保持穩(wěn)定。

6 結(jié)論

（1）自動張緊裝置的使用，節(jié)省了很多的人力、物力以及財(cái)力，并且調(diào)整輸送機(jī)張緊力的過程也十分平穩(wěn)，對帶式輸送機(jī)造成的沖擊力也小，有效避免了張緊裝置對輸送機(jī)的損害。

（2）自動張緊裝置運(yùn)行后20 s 之內(nèi)可以將帶式輸送機(jī)的張力調(diào)整好，在15 s 之內(nèi)保證輸送機(jī)可以正常運(yùn)行并趨于穩(wěn)定，可以看出整套裝置可以實(shí)時調(diào)整張力大小并且響應(yīng)速度很快。