長(zhǎng)距離運(yùn)輸帶式輸送機(jī)張緊力控制裝置研究

曹 偉

（山西焦煤汾西礦業(yè)中興煤業(yè)， 山西 交城 030500）

0 引言

隨著煤礦井下大功率、先進(jìn)的采掘設(shè)備應(yīng)用推廣，煤炭產(chǎn)量不斷增加，對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸可靠性、穩(wěn)定性以及運(yùn)輸效率等方面提出更高要求[1-2]。帶式輸送機(jī)由于負(fù)載大、運(yùn)輸距離長(zhǎng)，在輸送帶自重、運(yùn)輸物料重力以及牽引力等作用下出現(xiàn)一定程度伸出情況，若不對(duì)伸長(zhǎng)量進(jìn)行補(bǔ)償容易導(dǎo)致輸送帶出現(xiàn)打滑、跑偏等故障，給帶式輸送機(jī)高效安全工作帶來(lái)一定影響[3-5]。采用張緊裝置給帶式輸送機(jī)提供一定張力，可提升帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性[6-7]。隨著煤礦井下帶式輸送機(jī)控制方式、驅(qū)動(dòng)方式等不斷發(fā)展，帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中輸送帶張緊力呈現(xiàn)時(shí)變性、非線(xiàn)性的特征，文中就依據(jù)帶式輸送機(jī)張緊力變化特點(diǎn)提出一種張緊力控制裝置，可確保帶式輸送機(jī)張緊力始終在合理范圍內(nèi)，提升帶式輸送機(jī)運(yùn)行的可靠性。

1 帶式輸送機(jī)運(yùn)行受力分析

帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)向滾筒、驅(qū)動(dòng)滾筒、輸送帶、機(jī)架以及托輥等，輸送帶通過(guò)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向滾筒閉環(huán)實(shí)現(xiàn)輸送帶上物料運(yùn)輸，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)向滾筒與驅(qū)動(dòng)滾筒間距離即可實(shí)現(xiàn)輸送帶張緊程度（張緊力）的調(diào)整[8-9]。帶式輸送機(jī)在未啟動(dòng)時(shí)上部及下部輸送帶受到的張緊力一致；而帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，受滾筒與輸送帶間作業(yè)力影響上部輸送帶張緊、下部松弛，具體正常運(yùn)行時(shí)輸送帶受力情況如圖1 所示。

圖1 正常運(yùn)行時(shí)輸送帶受力示意圖

設(shè)定輸送帶與滾筒分離點(diǎn)B 位置張緊力為T(mén)，相遇點(diǎn)A 位置張緊力為T(mén)+dT，滾筒在A(yíng)、B 兩點(diǎn)間施加到輸送帶上的作用力為dTN，則與滾筒接觸位置輸送帶受力可通過(guò)下述公式表示：

式中：θ 為起算點(diǎn)與研究點(diǎn)間夾角；μ 為滾筒與輸送帶間摩擦系數(shù)。求解公式（1）并結(jié)合邊界條件T（θ=0）=T2求得T=T2e-μθ。

將驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶間包角設(shè)定為λ，則相遇點(diǎn)A 位置輸送帶張力T1=T2eμλ。

驅(qū)動(dòng)滾筒給輸送帶摩擦力F 可通過(guò)式（2）計(jì)算：

從上述公式可看出，增加滾筒作用到輸送帶上的驅(qū)動(dòng)力可通過(guò)增大滾筒與輸送帶間摩擦系數(shù)、提升輸送帶張緊力以及增大輸送帶與滾筒間包角實(shí)現(xiàn)。其中提升輸送帶張緊力不需要改變輸送機(jī)結(jié)構(gòu)，僅增加張緊力控制裝置即可實(shí)現(xiàn)，因此提升帶式輸送機(jī)張緊力即為增設(shè)張緊力控制裝置。

2 張緊力控制裝置設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

為確保張緊力控制裝置給輸送帶提供足夠的張緊行程以及張緊力，并避免帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中張緊力突變的問(wèn)題，張緊力控制裝置采用液壓油缸、張緊小車(chē)組合方式，具體結(jié)構(gòu)組成包括有機(jī)械系統(tǒng)（組成包括張緊絞車(chē)、鋼絲繩以及移動(dòng)小車(chē)等）、電氣控制系統(tǒng)（包括張緊檢測(cè)裝置、電控站等）以及液壓控制系統(tǒng)（包括液壓制動(dòng)器、液壓馬達(dá)以及蓄能器等）等，具體如圖2 所示。電控站根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制程序調(diào)整液壓馬達(dá)輸出扭矩、轉(zhuǎn)速等，絞車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)張緊收放鋼絲繩從而帶動(dòng)移動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到改變輸送帶張緊力的目的；張緊緩沖油缸可確保張緊力平穩(wěn)、吸收張緊力調(diào)整過(guò)程中可能存在的沖擊或者波動(dòng)。

圖2 張緊力控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 關(guān)鍵組成單元選型

1）PLC 控制器。該設(shè)備是整個(gè)張緊力控制裝置電控系統(tǒng)的核心組成，依據(jù)控制需要選用的PLC 控制器型號(hào)為S7-200 系列，該P(yáng)LC 控制器內(nèi)CPU 處理單元為226AC/DC/RLY 處理器，可基于Windows 系統(tǒng)編程。系統(tǒng)通信處理器選用CP342-5、接觸器型號(hào)為3TF46331XB4。

2）溢流閥。該裝置是實(shí)現(xiàn)液壓控制的核心元件，通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)溢流壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，可控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)扭矩，進(jìn)而控制鋼絲繩收放量，實(shí)現(xiàn)輸送帶張緊程度調(diào)節(jié)。根據(jù)張緊力需要并結(jié)合煤礦井下環(huán)境特點(diǎn)，選用的溢流閥型號(hào)為EBG-10，該溢流閥對(duì)液壓油清潔程度要求較低且壓力調(diào)節(jié)范圍在1～24.5 MPa。

3）傳感器。張緊力控制裝置中傳感器主要作用是實(shí)現(xiàn)輸送帶張緊力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令均以傳感器監(jiān)測(cè)獲取到的輸送帶張力為基礎(chǔ)，因此對(duì)傳感器性能穩(wěn)定、監(jiān)測(cè)精度等有較高要求。采用的傳感器型號(hào)為L(zhǎng)D206 型并配合型號(hào)LD920 壓力變送器實(shí)現(xiàn)張緊力監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸，采用的傳感器監(jiān)測(cè)范圍為1 000～10 000 kN，測(cè)量偏差在1%以?xún)?nèi)。

2.3 張緊力控制方式

張緊力控制裝置具備有手動(dòng)以及自動(dòng)兩種控制方式。

2.3.1 張緊力自動(dòng)控制

張緊力自動(dòng)控制過(guò)程可細(xì)分為啟動(dòng)、加速至穩(wěn)定運(yùn)行、正常運(yùn)行及保壓、停機(jī)這4 個(gè)階段。

1）啟動(dòng)階段。電控箱供電后首先應(yīng)進(jìn)行自檢，若發(fā)現(xiàn)張緊力低于預(yù)警值時(shí)則認(rèn)為系統(tǒng)存在液壓或者機(jī)械故障，應(yīng)停機(jī)檢查；若張緊力可滿(mǎn)足要求則啟動(dòng)液壓泵并為液壓缸供液，電液比例閥調(diào)整啟動(dòng)壓力，同時(shí)松開(kāi)液壓絞車(chē)制動(dòng)抱閘，液壓馬達(dá)工作并拉緊鋼絲繩；檢測(cè)到施加到輸送帶上的預(yù)緊力為正常預(yù)緊力的1.4～1.5 倍時(shí)，則認(rèn)為帶式輸送機(jī)具備有啟動(dòng)條件，則帶式輸送機(jī)正常啟動(dòng)。

2）加速至穩(wěn)定運(yùn)行階段。當(dāng)帶式輸送機(jī)完成啟動(dòng)后溢流閥將供液壓力調(diào)整至正常值，絞車(chē)在液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下送繩，直至輸送帶張緊力降至設(shè)計(jì)預(yù)緊力；此后絞車(chē)液壓抱閘抱緊，確保張緊力控制裝置在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行。

3）正常運(yùn)行及保壓階段。帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)輸送帶張緊力會(huì)隨著負(fù)載變化，用傳感器監(jiān)測(cè)張緊力并將結(jié)果傳輸給PLC；當(dāng)張緊力波動(dòng)超過(guò)設(shè)定值的10%時(shí)，電磁換向閥通電并通過(guò)控制絞車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)張緊力調(diào)節(jié)，確保張緊力始終在設(shè)定范圍內(nèi)。同時(shí)張緊力控制裝置中蓄能器以及緩沖液壓缸也可對(duì)小范圍張緊力波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4）停機(jī)階段。電控系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)信號(hào)后，溢流閥將壓力調(diào)整至停機(jī)壓力，換向閥動(dòng)作后絞車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)并松繩，直至輸送帶張緊力恢復(fù)至停機(jī)設(shè)定值；隨后換向閥復(fù)位，液壓系統(tǒng)停止運(yùn)行，帶式輸送機(jī)得以平穩(wěn)停機(jī)。

2.3.2 張緊力手動(dòng)控制

當(dāng)需要對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行維護(hù)時(shí)，可將張緊力控制裝置控制方式調(diào)整為手動(dòng)模式，此時(shí)可通過(guò)控制按鈕實(shí)現(xiàn)緩沖液壓缸伸縮或者絞車(chē)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制，從而實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)張緊力手動(dòng)調(diào)節(jié)控制。

3 張緊力控制裝置技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）相對(duì)于帶式輸送機(jī)使用的常規(guī)液壓油缸張緊方式而言，文中采用的張緊方式將液壓油缸、張緊絞車(chē)相結(jié)合，使得張緊力控制裝置最大張緊行程可達(dá)到20 m，輸送帶具備有更大的伸縮調(diào)節(jié)范圍，便于接頭及后續(xù)維修工作開(kāi)展。

2）采用傳感器可實(shí)現(xiàn)輸送帶張緊力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為張緊力調(diào)整提供基礎(chǔ)；此外張緊力調(diào)節(jié)裝置可根據(jù)帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)、制動(dòng)及平穩(wěn)運(yùn)行等階段的運(yùn)輸需要，對(duì)張緊力進(jìn)行分區(qū)段精準(zhǔn)控制，降低輸送帶磨損以及能耗。

3）在帶式輸送機(jī)制動(dòng)、啟動(dòng)或者載荷出現(xiàn)小幅變化時(shí)，張緊力控制裝置中內(nèi)置的蓄能器、緩沖液壓油缸等可確保輸送帶上張緊力平穩(wěn)，避免帶式輸送機(jī)在后期運(yùn)行期間出現(xiàn)打滑問(wèn)題。

4）當(dāng)輸送帶出現(xiàn)斷帶故障時(shí)，輸送帶上張緊力會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，傳感器將監(jiān)測(cè)信號(hào)迅速傳輸給電控系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)張緊絞車(chē)抱閘的同時(shí)將油缸與蓄能器連通，液壓油缸緩慢卸荷，降低輸送帶斷帶故障以及張緊力控制裝置帶來(lái)的沖擊影響。

4 結(jié)語(yǔ)

為提升煤礦井下長(zhǎng)距離運(yùn)輸帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性，文中在對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行期間受力分析基礎(chǔ)上，提出一種帶式輸送機(jī)張緊力控制裝置。該控制裝置將液壓油缸、張緊絞車(chē)相結(jié)合，不僅可為滿(mǎn)足帶式輸送機(jī)在不同運(yùn)行工況下輸送帶張緊力控制需要，而且張緊行程較大。對(duì)張緊力控制裝置結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵零部件以及張緊控制方式等內(nèi)容進(jìn)行分析。文中所提張緊力控制裝置對(duì)提升帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、節(jié)省運(yùn)行成本等方面有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。