帶式輸送機張緊裝置的自動控制研究

王東偉

（大同煤礦集團華盛虎峰煤業有限公司， 山西 河津 043302）

引言

礦井中輸送物料采用的帶式輸送機輸送范圍大，結構比較簡單，生產效率和輸送能力都比較高。但是由于礦井的井下工作環境比較惡劣，工況又有多種復雜情況，因此，對輸送裝置的要求嚴格，一旦發生事故不僅影響經濟效益，甚至有可能危及工作人員的人身安全[1-2]。因為帶式輸送機是利用輸送帶和滾筒之間的相互摩擦力，實現對物料的輸送，那么其中的張緊裝置在整個輸送機中就具有非常重要的作用，其不僅會影響工作效率，而且與輸送機的正常運行有著很大的相關性。所以，張緊裝置能否進行快速響應、是否能夠可靠地運行，對帶式輸送機的安全高效至關重要。

在輸送機進行啟動、變速運行以及停機的過程中，受到的張力是發生變化的，因而要求張力裝置也能夠及時自動反應。目前的一些自動張力裝置速度較慢、結構復雜，因此，結合目前的智能控制以及變頻等先進技術，采用永磁變頻自動張緊裝置進行自動控制，可以更快速合理地調整張力，因此，該裝置具有更高的安全高效性。

1 永磁變頻自動張緊裝置介紹

永磁變頻自動張緊裝置提供相應的帶式輸送機需要的張緊力，同時可以根據來自主控系統的指令和張力傳感器傳來的信號對輸送帶的張力進行自動實時地調整，保證帶式輸送機能夠時時刻刻處于正常的工作狀態。

永磁變頻系統通過驅動卷筒，使張緊輸送帶能夠在合理范圍內迅速準確地對張緊力進行調整，在滿足不同的工作狀態下，確保輸送的機動性能，不僅可以提高張緊裝置的響應速度，而且它的結構更加緊湊，布置起來更加靈活，安全性和可靠性更有保障[3-4]，相對礦井來說，具有更大的收益價值。該裝置的組成如圖1所示。

圖1 裝置組成圖

該裝置主要利用控制箱，即PLC控制系統，將張力傳感器的監測值與設定值進行對比，達到控制的目的。工作原理圖如圖2所示。

圖2 工作原理圖

當帶式輸送機剛開始啟動以及運行和停機時，經過張力傳感器的監測，控制系統控制張緊滾筒進行張緊和松帶操作，達到實時控制輸送機的張力值在正常范圍內的目的。

2 永磁變頻自動張緊裝置電氣控制系統的設計

2.1 電氣控制箱的設計

通過對PLC控制系統進行編程，實現了張緊裝置的自動控制，并且能夠與帶式輸送機的主控系統保持信號傳輸。PLC控制系統通過對控制系統的控制信號、張力傳感器的信號監測等等輸入信號[5]，經過邏輯的運算處理，然后輸出信號來對張緊裝置進行動作控制，它運算速度快、應用靈活、模塊化，是電氣控制箱的最主要部分，其控制工作圖如圖3所示。

圖3 PLC系統流程圖

利用PLC控制系統，當監測的張力數據通過信號反饋給系統時，若數據在本身系統設定的合理范圍內時，張緊裝置不進行任何操作；而當監測的張力數據超出了設定的合理范圍時，由PLC系統輸出信號，電機進行工作控制，使制動器進行松閘操作，同時，張緊滾筒在電機正轉和反轉的工作下，對輸送帶進行松緊操作，達到控制張力的作用[6]，從而保證輸送機能夠正常而且穩定地工作。

2.2 變頻器的設計

變頻器能在電機進行啟動時實現軟啟動功能，減小對電機設備的沖擊，能夠延長設備的使用壽命，因此在礦井中應用比較廣泛。常規的變頻器一般是利用整流器，先將工頻交流電轉變為直流電，再將直流電轉變為能夠改變電壓和頻率的交流電投入使用，啟動電動機。這個過程利用二極管和逆變技術進行。但是這個過程不能讓能量進行雙向流動，也就是說傳統變頻器只能電機工作的時候同時工作，電動機回饋的能量只能被消耗掉，不僅浪費了能量，而且存在安全隱患。所以采用四象限變頻器應用于張緊裝置的自動控制系統中，見圖4。

變頻器主要包括了控制電路和主電路，其中主電路又包括了逆變器、整流器和直流濾波。經過濾波形成的直流電，可以消除整流電路和逆變電路的干擾。這個變頻器能夠實現能量的雙向流動，將電動機回饋的能量送至電網，達到節能的目的。通過精準控制，可以按照電動機的實際情況，根據所需要的電源電壓進行相應的提供，從而使張緊裝置能夠按照實際情況提供張緊力，保障輸送機的穩定運行。

圖4 變頻器組成

3 張力裝置自動控制實例

3.1 現場帶式輸送機張緊力計算

煤礦帶式輸送機型號為DTL120，帶寬1 200 mm，輸送長度為290 m，輸送量為1 200 t/h，路線布置近似水平，帶速為3.15 m/s。從圖5中可以知道，張力的作用有多個節點，對每個節點進行依次計算分析。

圖5 帶式輸送機張力分析示意圖

采用逐點計算法，得到各節點的張力：

又根據摩擦力條件及摩擦傳動，可得：

式中：u0為滾筒和輸送帶之間的摩擦因數，取0.3；C0為摩擦力備用系數，取1.2；α為圍包角，取8.17°。從而求得S1=86.3×103N。

又依據懸垂度的要求需要小于在承受載力的段帶最小張力處，該處的張力值為S6=164.8×103N，計算所得滿足要求。又因為S2≈76.3 kN，S3=79.1 kN，根據數據計算張緊裝置的張緊力，應該為155.4 kN，所以，設置正常情況下的張緊裝置的張緊力為160 kN。

因為帶式輸送機在不同的礦井工作情況下，它所需要提供的張緊力是不一樣的，比如，在剛開始啟動時，帶式輸送機的工作速度會一直發生變化，那么輸送帶需要的張緊力就是需要不斷發生變化的，受動靜張力的影響，需要對輸送帶增加驅動力，為了平衡動張力的影響而增大牽引力。因此，在自動裝置控制時設置的啟動張緊力，要在正常工作情況的張緊力上增加0.5倍，從而留有余地，那么，根據上述計算的結果，正常工作情況下的張緊力為160 N，則啟動張緊力為240 N。同時，要讓帶式輸送機停止，進行制動，此時要減小牽引力，而又受到慣性力的影響，張緊裝置提供的張緊力減小，因此，在自動裝置控制時設置的制動張緊力，在正常工作情況下減小，也要留有空余，取正常情況下的0.9倍，即0.6×160 kN=144 kN。

3.2 自動控制效果

利用永磁變頻自動張緊裝置，根據計算所得的實際數據，設置完系統的設定值后，也就是計算所得的啟動緊張力240 kN，還有制動緊張力216 kN。對帶式輸送機的張緊裝置的響應及相關參數進行實驗。

當給輸送帶加載沖擊載荷時，利用自動控制，張緊裝置可以立即發生響應，進行相應的操作。在達到最大緊張速度0.089 m/s時，耗時為180 s，而直到182 s，速度依然沒有改變，并且在183 s的時候，停止了所有動作，在這個時間段，張緊速度并沒有超過合理范圍，控制效果非常好。自動控制效果不僅能夠瞬時響應，張緊速度更加迅速，而且可以保持方向不發生變化，同時，它能夠重新復原到穩定狀態的過程更加平穩而且消耗時間更短。

4 結論

利用永磁變頻自動張緊裝置在帶式輸送機啟動時，能夠快速達到所需的張力值，而且對設備的沖擊更小，過程更加平穩，設備的損害更小，響應速度更快；而當帶式輸送機在受到載荷沖擊時，依然能夠迅速響應，而且恢復到穩定狀態并且繼續穩定的工作的時間非常短，具有非常強的抗干擾能力。該設備在礦井中具有很好的應用推廣價值。