液壓自動張緊裝置在長距離皮帶運輸機中的運用

霍宏贍

(山西西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

皮帶運輸機作為煤礦中最重要的大型煤炭運輸設備，近年來一直向著長距離、大功率、多驅動、高帶速方向發展[1]。但隨之而來的張力不足、響應速度慢、經常發生傳送帶打滑、斷裂等問題沒有得到很好的解決。張緊裝置作為提供運行張力的重要組成機構，其高效、穩定的運行對于提高長距離皮帶運輸機的工作性能和可靠性具有至關重要的作用。

目前常見的液壓張緊裝置大多采用分段式的獨立設計，將張緊過程劃分為啟動、正常運行、制動和停止等不同階段，針對每個階段設置固定的張力范圍，當運輸機張力不在正常范圍時再通過系統進行相應調節。這種基于靜態的設計無法根據運量對張力進行實時調整，且調節精度較差，經常會出現余量過大或不足的現象，導致傳送帶出現張緊過度、高周疲勞、消耗過大等問題。因此，本文提出了一種基于PLC的動態液壓張緊裝置系統，可根據運量自適應調節張緊力，并實時監測運行狀態，其響應速度快，跟蹤精度高，克服了傳統張緊系統的缺點，對于提高皮帶運輸機的智能化水平具有重要意義[2]。

1 系統總體設計方案

1.1 系統架構

本文設計的皮帶運輸機液壓自動張緊系統主要由三部分組成。第一部分為液壓系統，主要由液壓站、緩沖油缸、蓄能器和張緊力產生設備中的部分設備組成[3]。張緊力產生設備主要由張緊電機、慢速絞車和制動器構成，用于為運輸機提供運行張力，其中張緊電機和制動器屬于液壓系統。緩沖油缸用于緩解傳送帶運行過程中所產生的振動和松弛，具有自動和手動兩種工作模式[4]。第二部分為電控系統，本系統采用PLC對張緊電機輸出轉矩進行控制，并通過張緊力傳感器實時反饋張力值，實現不同運行狀態下運輸機張緊力的動態調節。電控系統是用于本自動張緊系統邏輯判斷和張力輸出的核心部分，控制程序與算法全部在電控系統內運算完成。第三部分為機械系統，主要由張緊小車、鋼絲繩、導向滑輪和慢速絞車等組成。慢速液壓絞車用于執行系統的張緊動作，可實現大范圍的傳送帶張緊調節[5]。鋼絲繩和導向滑輪用于連接各執行元件，傳送帶的松緊調節可通過液壓絞車對鋼絲繩的正反向纏繞實現。液壓自動張緊系統總體結構如圖1所示。

1-傳送帶；2-張緊小車；3-導向滑輪；4-小車軌道；5-張緊力傳感器；6-蓄能器；7-緩沖油缸

1.2 系統控制原理

圖2為液壓自動張緊系統的結構原理圖。基于運輸機在運行期間不同狀態下對張力的要求，由PLC內設定的張緊裝置參數和程序對運輸機啟動、制動及正常運行狀態時的張力進行動態調節。操作指令由上位機遠程向控制器發出，上位機還可接收來自控制器的反饋信號，實時監測運輸機的運行動態以及張力變化趨勢。控制器接收到啟動信號后，立即發出控制信號將張緊力自動調整為啟動張緊力，設定值為正常運行張力的1.5倍～2倍，張緊絞車的制動器關閉，張緊電機正轉緊繩，同時通過控制液壓站向緩沖油缸充油[6]。當張緊力達到啟動要求值后，制動器開啟，張緊電機停轉，液壓站空載運行。當傳送帶速度達到正常運行值時，PLC通過接收到的信號自動控制張力至正常運行張力。當系統接收到停機信號后，PLC發出控制信號將張緊力自動調整至停機張緊力，設定值為正常運行張力的0.9倍，絞車制動器開啟，液壓站空載運行，所有電磁閥關閉，液壓系統停止工作[7]。

圖2 液壓自動張緊系統結構原理圖

系統還加入了斷帶保護功能，當傳送帶因故障發生斷裂時，傳送帶張力降至0，PLC發出信號控制液壓站停止運行，絞車制動器開啟，并控制蓄能器與油箱接通，使得緩沖油缸卸掉負載。通過關閉緩沖油缸使張緊小車減速，避免小車撞向張緊裝置，從而實現了斷帶保護。

2 硬件方案設計及選型

系統內的硬件是實現程序運算的載體，硬件設計選型是系統設計中重要的一環[8]。本文根據上述控制原理和功能要求，設計出一套結構合理、操作簡便的硬件系統。

PLC控制器是本系統控制部分的核心，本文選用西門子S7-1200可編程控制器。其結構設計緊湊，運算速度快，可以以導軌方式安裝，配置有10個～24個高速I/O接口，電源模塊選用PM1207，輸入為120/230V AC，輸出24V DC/2.5A，集成了MPI、PROFIBUS等多種通信接口，同時S7-1200還集成了PROFINET接口，內置專用RJ45連接器，大大提高了數據傳輸速率，完全滿足本系統的需求。

張緊電機選用Y180L-4型三相異步電動機，轉速為1 470 r/min，功率為11 kW，額定電壓為380 V，可選200 V～760 V間任意電壓值。

在液壓系統中，經常會出現油泵供油量無法滿足系統峰值需求或壓力脈動等情況，蓄能器在運行時可以吸收壓力脈動，提供瞬時能量，從而提高系統性能。本文選用NXQ-L型囊式蓄能器，公稱容積為0.4 L，公稱壓力為10 MPa，其容積和設計壓力均可滿足本系統要求。

液壓油泵作為液壓系統的動力元件，通過電機驅動將液壓油箱中的油液送入執行單元，是液壓系統的重要組成部分。本文選用NBT3-D10F型液壓油泵，額定壓力為12.5 MPa，額定功率為3.2 kW，排量為10 mL/r，完全滿足本系統的實際需求。

本系統的張力值實時采樣系統由張力傳感器、張力變送器組成，安裝在鋼絲繩上的張力傳感器對運輸機工作時的張力值實時采樣，經過張力變送器放大為標準的4 mA～20 mA電信號，發送到PLC的模擬量輸入模塊，PLC在處理接收信號的同時將采樣數據上傳至上位機，在程序運算的同時在上位機監控器上實時顯示張力值，便于觀察。張力傳感器選用GAD10型礦用本質安全傳感器，該傳感器精度為±3%，量程為0 t～10 t，非線性度<0.25%，工作電壓為DC 12 V。張力變送器選用ZHZF-FD型高精度張力變送器，該變送器工作電壓為DC 10 V～DC 33 V，工作溫度為-5 ℃～+50 ℃，輸入靈敏度為0 mV～30 mV，分辨率精度為65 000分度，線性度≤0.005%，零位可調范圍為0 mV～20 mV，量程可調范圍為2 mV～30 mV，其靈敏度和調節范圍均滿足本系統要求。

3 軟件方案設計

傳統的張緊裝置系統控制算法沒有考慮運輸機在運行中傳送帶具有彈性和波動性，無法對張緊力進行及時調整，導致張緊小車振蕩或傳送帶打滑。根據上述控制原理,本文開發了張緊力動態調整程序。張緊力控制程序流程如圖3所示。

圖3 張緊力控制程序流程圖

4 結束語

本文設計的皮帶運輸機液壓自動張緊系統經實際測試可實現對運輸機張緊力的動態調節和監測，系統的控制精度、穩定性、自動化程度都得到了提升，具有良好的經濟效益和應用前景。