帶式輸送機(jī)中的張緊模塊設(shè)計(jì)

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)傳送帶張緊力的自動(dòng)化控制，本文設(shè)計(jì)了一種新型張緊模塊。在該模塊中，張緊力傳感器用于采集傳送帶張緊力，進(jìn)而引導(dǎo)控制器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)，利用線圈滾筒完成鋼絲繩拉拽，進(jìn)行傳送帶張緊力自動(dòng)化調(diào)整。在試驗(yàn)過(guò)程中，本文分別測(cè)試了配置張緊模塊前、后傳送帶張緊力的變化，證實(shí)了張緊模塊對(duì)傳送帶張緊力調(diào)整的自動(dòng)化程度和靈敏程度。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī)；張緊模塊；傳感器

中圖分類號(hào)：TD 528" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各種資源的需求規(guī)模和需求總量不斷擴(kuò)大，促進(jìn)了礦產(chǎn)采掘業(yè)的興盛與繁榮。在各種礦井下，為了保證采掘出的礦物能夠及時(shí)運(yùn)出，需要大量使用帶式輸送機(jī)[1]。與其他類型的運(yùn)輸機(jī)構(gòu)相比，帶式輸送機(jī)具有比較突出的特點(diǎn)。帶式輸送機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，便于在礦井下組裝和安置。帶式輸送機(jī)以傳送帶為主要運(yùn)輸工具，傳送帶平鋪面積大、物料運(yùn)載效率高[2]。同時(shí)，帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)也易于拓展，在長(zhǎng)距離井道內(nèi)，將多個(gè)帶式輸送機(jī)配置在一起即可有效完成運(yùn)輸。在帶式輸送機(jī)的各種構(gòu)成模塊中，傳送帶最重要。只有將傳送帶調(diào)整到合理的張緊度，才能更好地完成物料運(yùn)輸[3]。傳送帶的張緊度過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致傳送帶始終處于極限受力狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)生斷裂。傳送帶的張緊度過(guò)小，可能在傳送過(guò)程中出現(xiàn)打滑跑偏等問(wèn)題，無(wú)法有效運(yùn)輸。因此本文設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)的張緊模塊，以期取得更好的物料運(yùn)送效果。

1 帶式輸送機(jī)的張緊模塊設(shè)計(jì)

1.1 張緊模塊的結(jié)構(gòu)原理

從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，帶式輸送機(jī)的張緊模塊一般由絞車、游動(dòng)小車、儲(chǔ)帶滾筒、張緊滾筒、鋼絲繩、滑道和伸縮片等部分組成。其中，伸縮片為6～8組，每組長(zhǎng)度為2m～3m，輸送帶經(jīng)過(guò)機(jī)頭卸載滾筒、改向滾筒、張緊滾筒以及儲(chǔ)帶滾筒后到達(dá)尾部滾筒。張緊滾筒與游動(dòng)小車連接，游動(dòng)小車安裝于滑道上，并由鋼絲繩與絞車連接。游動(dòng)小車與絞車間采用雙組鋼絲繩連接，當(dāng)絞車正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可使游動(dòng)小車后移并拉緊輸送帶；當(dāng)絞車反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可使游動(dòng)小車前移并進(jìn)行松帶。絞車功率較大，一般固定安裝在機(jī)頭前部。

當(dāng)巷道掘進(jìn)到位，需要對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行拉尾時(shí)，利用絞車開(kāi)關(guān)反向按鈕，使絞車反向轉(zhuǎn)動(dòng)，游動(dòng)小車在絞車帶動(dòng)下前移，并對(duì)輸送帶進(jìn)行松帶處理，然后對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行拉尾。拉尾到位后，利用按動(dòng)絞車開(kāi)關(guān)正向按鈕，使絞車滾筒正向轉(zhuǎn)動(dòng)。游動(dòng)小車在滾筒和鋼絲繩帶動(dòng)下后移。后移過(guò)程中輸送帶被拉緊，當(dāng)輸送帶張緊到合適張緊度時(shí)停止絞車轉(zhuǎn)動(dòng)，并鎖止游動(dòng)小車位置。

在現(xiàn)有的帶式輸送機(jī)中，張緊模塊普遍存在3個(gè)缺點(diǎn)。1） 自動(dòng)化水平低。游動(dòng)車張緊裝置主要利用人工開(kāi)啟絞車并進(jìn)行松帶、緊帶，需要多人配合張緊施工，裝置自動(dòng)化水平低，人工張緊勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大。2） 安全系數(shù)低。帶式輸送在拉尾過(guò)程中需要由絞車、游動(dòng)小車對(duì)輸送帶進(jìn)行松帶，松帶時(shí)需要人工拖拽張緊鋼絲繩，因此在拖拽過(guò)程中很容易發(fā)生鋼絲繩傷人事故。同時(shí)，隨著張緊力增大，游動(dòng)小車與軌道間容易發(fā)生脫軌事故，張緊裝置安全性差。3） 張緊精度低。當(dāng)原張緊裝置對(duì)輸送帶進(jìn)行張緊時(shí)，主要采用人工判斷張緊度，張緊完后，輸送帶無(wú)法根據(jù)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸物料質(zhì)量和輸送帶空載、重載狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整輸送帶張緊度，裝置張緊自動(dòng)化水平低。

1.2 張緊模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)帶式輸送機(jī)中張緊模塊普遍存在的問(wèn)題，本文進(jìn)行了張緊模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

在本文的張緊模塊中，張緊筒直接和傳送帶接觸，二者間的接觸距離決定了張進(jìn)度的調(diào)整幅度。同步永磁電機(jī)利用控制器帶動(dòng)線圈滾筒旋轉(zhuǎn)，線圈滾筒上纏繞的鋼絲繩會(huì)隨著線圈滾筒的旋轉(zhuǎn)拉伸或松弛。鋼絲繩分別從底端和上端連接到張緊筒，再分別配合2組固定滑輪形成調(diào)動(dòng)。鋼絲繩上配置張力傳感器，可以測(cè)量張緊度。

從上述結(jié)構(gòu)設(shè)置可以看出，本文設(shè)計(jì)的張緊模塊具有2個(gè)特點(diǎn)。第一，該模塊配置了專門(mén)的張緊力傳感器，對(duì)傳送帶的張緊度具有更高的分辨率，可以更靈敏地發(fā)現(xiàn)傳送帶是否處于合理的張緊狀態(tài)。第二，當(dāng)傳感器測(cè)得張緊度不合理時(shí)，可以利用電機(jī)和控制器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，避免人工調(diào)整的煩瑣和不及時(shí)。本文張緊模塊中的張緊力傳感器、同步電機(jī)的相關(guān)參數(shù)配置見(jiàn)表1。

本文主要根據(jù)張緊力傳感器和同步電機(jī)的設(shè)計(jì)要求和其中的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行張緊模塊的設(shè)計(jì)。一方面，需要保證張緊模塊在功能上滿足使用需求，例如，需要達(dá)到傳感器對(duì)張緊力的靈敏度指標(biāo)要求和同步電機(jī)對(duì)額定功率的指標(biāo)要求。另一方面，需要滿足安全性需求。例如，為了保證張緊力傳感器在不同環(huán)境下的工作適應(yīng)性，應(yīng)在大跨度溫度范圍內(nèi)測(cè)試其工作狀態(tài)，保證其在低溫和高溫環(huán)境下均能正常使用，滿足帶式輸送機(jī)在不同場(chǎng)合下的工作需要。

1.3 張緊傳感器的配置

在帶式輸送機(jī)張緊模塊的結(jié)構(gòu)中，張緊力傳感器具有核心作用，也是能夠?qū)崿F(xiàn)傳送帶張緊度自動(dòng)控制的關(guān)鍵所在。張緊力傳感器放置于拽拉張緊筒的鋼絲繩的起始段，可以有效感知張緊筒與傳送帶間的接觸程度，即傳送帶張緊力的大小。在實(shí)際使用中，為了達(dá)到自動(dòng)控制和調(diào)整傳送帶張緊度的效果，本文事先設(shè)定好張緊力的閾值范圍。例如，將張緊力下限閾值設(shè)為B、上限閾值設(shè)為A。傳感器采集的張緊力如果小于下限閾值B，那么控制器就會(huì)使線圈滾筒逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而拉緊鋼絲繩，縮短張緊筒與傳送帶間的距離，增加二者間的張緊力。如果傳感器采集的張緊力大于上限閾值A(chǔ)，那么控制器就會(huì)使線圈滾筒順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而放松鋼絲繩，增大張緊筒與傳送帶間的距離，減少二者間的張緊力。張緊力傳感器的局部配置情況如圖2所示。

本文還對(duì)張緊力傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特殊配置。與張緊筒連接的鋼絲繩將張緊力大小作為輸入傳送至傳感器內(nèi)部。該輸入會(huì)使應(yīng)力器和張力彈簧發(fā)生變化，進(jìn)而由螺栓接口將張緊力是否合適反饋到整個(gè)張緊模塊的控制中樞。

1.4 張緊模塊的控制框圖

根據(jù)本文的設(shè)計(jì)結(jié)果可知，帶式輸送機(jī)的張緊模塊涉及多個(gè)單元，其控制過(guò)程也比較復(fù)雜。本文的張緊模塊總體控制框圖如圖3所示。

張緊模塊的控制系統(tǒng)隸屬于帶式輸送機(jī)的總控系統(tǒng)，主要用于執(zhí)行張緊模塊的控制任務(wù)。為了便于編寫(xiě)控制程序，本文采用模塊化的PLC為主要控制器。PLC能夠進(jìn)行頻率級(jí)別的控制，其目的是利用頻率調(diào)整永磁同步電機(jī)的控制時(shí)序，以取得理想的轉(zhuǎn)速控制效果。同步電機(jī)又可以對(duì)線圈滾筒進(jìn)行精確控制，從而合理調(diào)整鋼絲繩，并控制張緊筒和傳送帶間的接觸，進(jìn)而對(duì)傳送帶張緊度進(jìn)行合理控制。在該過(guò)程中，鋼絲繩和張緊筒間的張緊力傳感器具有至關(guān)重要的作用，也是張緊模塊PLC控制系統(tǒng)的重要參考指標(biāo)。制動(dòng)器的配置需要考慮緊急情況下的制動(dòng)處理，避免鋼絲繩折斷等。

2 帶式輸送機(jī)張緊模塊的性能測(cè)試

本文針對(duì)帶式輸送機(jī)傳送帶張緊程度控制不靈敏、控制過(guò)程自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款張緊模塊。這款張緊模塊利用傳感器采集鋼絲繩上的張緊力，進(jìn)而對(duì)張緊滾筒進(jìn)行調(diào)整和控制。除了張緊模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文還對(duì)傳感器和控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。下文將采用性能測(cè)試試驗(yàn)，檢驗(yàn)張緊模塊的設(shè)計(jì)效果。

第一組試驗(yàn)，觀察沒(méi)有采用本文張緊模塊的常規(guī)帶式輸送機(jī)傳送帶張緊力的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，傳送帶張緊力的觀察范圍為1000N～

5000N，觀察的實(shí)踐窗口設(shè)為0s～50s。帶式輸送機(jī)開(kāi)始工作后，隨著運(yùn)行時(shí)間不斷增加，張緊力的滾筒和傳送帶表面間的接觸面積不斷變大，導(dǎo)致傳送帶的張緊力持續(xù)下降。體現(xiàn)在圖4中的曲線上，傳送帶張緊力從最初的4800N開(kāi)始不斷下降。帶式輸送機(jī)運(yùn)行50s后，傳送帶張緊力已經(jīng)降至2000N以下?？梢?jiàn)，常規(guī)帶式輸送機(jī)無(wú)法對(duì)傳送帶張緊力進(jìn)行有效調(diào)整和持續(xù)控制，只能采用人工方式進(jìn)行調(diào)整。

第二組試驗(yàn)，在帶式輸送機(jī)上配置本文的張緊模塊，對(duì)傳送帶張緊力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，再次觀察傳送帶張緊力的變化情況，如圖5所示。

從圖5可以看出，從監(jiān)測(cè)時(shí)刻開(kāi)始，傳送帶的張緊力約為3300N，并且不斷下降。當(dāng)張緊力低于3000N這個(gè)設(shè)定的閾值以后，張緊力傳感器迅速捕捉到該信息，并通知張緊模塊的控制系統(tǒng)，啟動(dòng)張緊力的自動(dòng)調(diào)整。控制系統(tǒng)不斷拉緊鋼絲繩，傳送帶的張緊力得到恢復(fù)，并在28s附近達(dá)到峰值。此時(shí)超出了4000N這個(gè)上限閾值，傳感器再次捕捉到該信息，控制系統(tǒng)逐漸將張緊力調(diào)小。最終傳送帶的張緊力穩(wěn)定在4000N，使傳送帶保持最佳的運(yùn)輸效率。

3 結(jié)論

帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)易于拓展，在長(zhǎng)距離井道內(nèi)，只需要將多個(gè)帶式輸送機(jī)配置在一起即可有效完成運(yùn)輸。在帶式輸送機(jī)的各種構(gòu)成模塊中，傳送帶最重要。只有將傳送帶調(diào)整到合理的張緊度，才能更好地完成物料運(yùn)輸。傳送帶的張緊度過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致傳送帶始終處于極限受力狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)生斷裂。傳送帶的張緊度過(guò)小，在傳送過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)打滑跑偏等問(wèn)題，無(wú)法有效運(yùn)輸。本文進(jìn)行了帶式輸送機(jī)張緊模塊的設(shè)計(jì)，該模塊配置了張緊力傳感器和控制系統(tǒng)，可以進(jìn)行傳送帶張緊力自動(dòng)化調(diào)整。

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