多機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)拉緊裝置研究

王志鵬

（陽煤集團(tuán)一礦，山西陽泉 045000）

0 引言

隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)帶式輸送機(jī)的要求不斷提升，輸送機(jī)功率不斷增大，距離不斷增長。總功率1 000 kW的大功率帶式輸送機(jī)應(yīng)用場合明顯增多。在長距離皮帶運(yùn)輸中，一般采用多機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作方式，在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶結(jié)構(gòu)中，負(fù)荷實(shí)時(shí)變化，皮帶上的張力隨之改變，容易在皮帶與滾筒之間出現(xiàn)摩擦力的減弱，影響皮帶運(yùn)輸機(jī)的正常工作，減小皮帶使用壽命。本文在自動(dòng)拉緊裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種可調(diào)節(jié)的皮帶拉緊器，可以通過分析皮帶張力變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)拉緊裝置的松緊程度，調(diào)整皮帶上的張力，維持皮帶張力的穩(wěn)定[1-3]。

1 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)

目前，長距離帶式輸送機(jī)的拉緊裝置結(jié)構(gòu)有3種[4-6]：重錘拉緊裝置、固定拉緊裝置、自動(dòng)拉緊裝置。重錘拉緊裝置通過調(diào)節(jié)重錘的重量，調(diào)節(jié)拉緊力，這種辦法可以在皮帶上的負(fù)載視為恒定且皮帶加速度恒定的運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)功能，當(dāng)皮帶上的負(fù)載出現(xiàn)變動(dòng)，皮帶加速度出現(xiàn)抖動(dòng)時(shí)，無法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)拉緊力；固定拉緊裝置通過固定拉緊滾筒位置保證皮帶上的拉緊力恒定不變，調(diào)整時(shí)需要暫停皮帶運(yùn)輸，工作效率較低；自動(dòng)拉緊裝置可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)皮帶張力，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)、正常運(yùn)行和停止階段的張力恒定[7]。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：驅(qū)動(dòng)單元、傳動(dòng)帶、托輥、拉緊小車等，兩個(gè)滾筒可以為皮帶提供傳送的動(dòng)力，通過滾筒和皮帶之間的摩擦產(chǎn)生傳動(dòng)的動(dòng)力。在皮帶的下端有托輥裝置，可以為皮帶上的煤炭提供支撐，托輥與皮帶之間的摩擦力比較小。由于托輥不能給皮帶提供動(dòng)力，當(dāng)傳輸距離較長時(shí)，可以通過在滾筒之間增加滾筒的方法，為長距離運(yùn)輸皮帶提供動(dòng)力[8]。

圖1 帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

拉緊裝置安裝于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒之間（導(dǎo)向滾筒的空載側(cè)），拉緊裝置包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)2個(gè)部分，拉緊裝置的機(jī)械部分，包括鋼絞繩、滑輪、拉緊小車和相關(guān)的液壓裝置；電氣結(jié)構(gòu)部分包括主控制器、張力傳感器等。

1.2 工作原理

拉緊裝置對(duì)傳感器采集的皮帶張力信號(hào)進(jìn)行分析，確定張力調(diào)節(jié)方案，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)輸出扭矩控制絞車的正反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)拉緊小車動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)皮帶張力調(diào)節(jié)的目標(biāo)。

拉緊小車固定在特有的軌道上，可以實(shí)現(xiàn)前后的移動(dòng)，調(diào)節(jié)前后皮帶上的拉力，拉緊裝置的工作時(shí)限包括皮帶運(yùn)輸?shù)恼麄€(gè)過程，包括皮帶啟動(dòng)前、正常運(yùn)行時(shí)、緊急制動(dòng)時(shí)、皮帶停止后。當(dāng)皮帶上的負(fù)載出現(xiàn)不斷變化時(shí)，控制器通過PID策略不斷調(diào)節(jié)小車的位置，穩(wěn)定皮帶上的張力，增加皮帶運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.3 安裝要求

拉緊裝置的調(diào)節(jié)為實(shí)時(shí)的，需要根據(jù)皮帶張力做出快速的相應(yīng)，因此，拉緊裝置需要安裝在驅(qū)動(dòng)滾筒的空載側(cè)，由于拉緊小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力較低，需要安裝在皮帶張力最小處，可以實(shí)現(xiàn)控制相應(yīng)的快速性。

2 電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 皮帶拉力分析

皮帶運(yùn)輸機(jī)皮帶上的張力受到負(fù)載、滾筒、托輥、運(yùn)行速度等多方面因素的影響，根據(jù)皮帶運(yùn)行不同時(shí)刻的受力特性，可以將皮帶張力的分析分為啟動(dòng)、正常運(yùn)行、制動(dòng)3個(gè)階段進(jìn)行受力分析。

在啟動(dòng)階段，電機(jī)上的負(fù)載突然增大，皮帶與滾筒之間的摩擦力增大，需要提供較大的拉力，實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)的啟動(dòng)，為了配合皮帶拉力的增加，將拉緊裝置的拉緊力增加為額定值的1.5倍；正常運(yùn)行時(shí)，拉緊力為拉緊滾筒兩端膠帶的張力差值，附加一定的安全系數(shù)（一般為1.1）；皮帶運(yùn)輸機(jī)在制動(dòng)過程中，皮帶在滾筒上產(chǎn)生反向的摩擦力，拉緊力約為正常運(yùn)行的0.9倍。

2.2 主控制器選型

帶式輸送機(jī)拉緊裝置電控系統(tǒng)的主控制器選型為S7-300，該款PLC是德國西門子公司生產(chǎn)的可編程序控制器(PLC)系列產(chǎn)品之一。其模塊化結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及性價(jià)比高、電磁兼容性強(qiáng)、抗震動(dòng)沖擊性能好，使其在廣泛的工業(yè)控制領(lǐng)域中，成為一種既經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案。可擴(kuò)展模塊高達(dá)32個(gè)，可以利用STEP進(jìn)行編程，滿足拉緊裝置的控制需求。

2.3 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以PLC為核心的電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場皮帶張力數(shù)據(jù)的采集和分析，拉緊小車的運(yùn)動(dòng)通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)，在S7-300控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間，增加光電隔離單元，提高系統(tǒng)抗干擾性能，在皮帶啟動(dòng)、正常運(yùn)行、制動(dòng)停機(jī)3個(gè)階段，分別讀取張力傳感器上的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)，方便故障后進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。

圖2 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 傳感器選型

張力傳感器型號(hào)選型為ETG，該傳感器正常工作時(shí)的電流為0.03 A，工作電壓為10 V，為懸臂式張力輥，適用于線狀、條狀、帶狀物體的張力監(jiān)測(cè)，輥面長度450 mm，輥面直徑60 mm，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后，可以輸出0～10 V電壓或4～20 mA電流信號(hào)。測(cè)量精度小于1%，工作溫度為-20～+70℃。

2.5 液壓控制原理

拉緊小車的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示[9]，包括液壓控制系統(tǒng)、拉力傳感器張緊緩沖油箱、盤形制動(dòng)器等部分。

在皮帶運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)之前，液壓油泵通過向張緊緩沖油箱填充油的方式，向拉緊小車提供拉力，拉力傳感器檢測(cè)拉緊小車上的拉力數(shù)值，當(dāng)數(shù)值達(dá)到皮帶啟動(dòng)要求時(shí)，盤形制動(dòng)器閉合，拉緊小車保持位置不動(dòng)，直到皮帶正常啟動(dòng)。

皮帶運(yùn)輸機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，液壓泵空載運(yùn)行，液壓控制系統(tǒng)停止工作，拉緊小車的緩沖余量通過蓄能器調(diào)節(jié)，保證皮帶在負(fù)載變動(dòng)的過程中維持穩(wěn)定，如果皮帶張力大于正常張力的1.1倍時(shí)，盤形制動(dòng)器打開，液壓泵重新啟動(dòng)，增加皮帶張力。

在皮帶運(yùn)輸機(jī)的制動(dòng)階段，盤形制動(dòng)器松閘，減小輸送帶上的拉緊力，調(diào)節(jié)輸送帶拉緊力至皮帶運(yùn)輸機(jī)停車。

圖3 拉緊小車控制結(jié)構(gòu)

3 控制策略研究

皮帶張力控制具有實(shí)時(shí)的特性，在皮帶正常運(yùn)行過程中，蓄能器可以達(dá)到穩(wěn)定皮帶運(yùn)輸?shù)哪康模y以達(dá)到更加精準(zhǔn)的控制目標(biāo)，因此，在蓄能器穩(wěn)定皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加PID控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶張力的精準(zhǔn)調(diào)控，皮帶張力PID控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在皮帶張力控制策略中，首先，根據(jù)皮帶工作的不同階段，輸入給定值及實(shí)時(shí)采集的皮帶張力數(shù)據(jù)，根據(jù)兩者數(shù)值大小計(jì)算偏差，將偏差輸入給控制器，控制器內(nèi)部有PID算法程序，通過調(diào)節(jié)輸出量控制現(xiàn)場執(zhí)行器，使系統(tǒng)的偏差趨于零，被控變量（皮帶張力）實(shí)時(shí)通過傳感器、變送器輸送給控制器的輸入端。

圖4 PID控制結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

重錘拉緊裝置、固定拉緊裝置、自動(dòng)拉緊裝置是長距離帶式輸送機(jī)常見的3種拉緊裝置，本文對(duì)煤礦多機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)自動(dòng)拉緊裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用拉緊小車實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)皮帶張力，保障皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在皮帶拉力分析的基礎(chǔ)上，利用PLC控制技術(shù)，對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用PID控制策略，增加皮帶張力調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。