帶式輸送機(jī)拉緊裝置的設(shè)計(jì)與仿真研究

王躍鋒

（陽(yáng)煤一礦機(jī)電工區(qū)， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

帶式輸送機(jī)作為工作面應(yīng)用最為廣泛的運(yùn)輸設(shè)備之一，其朝著大運(yùn)量、長(zhǎng)距離的方向發(fā)展。拉緊裝置作為帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部件，其不僅需滿足在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中滿足伸長(zhǎng)量變化的要求，還具備拉緊力可調(diào)的功能。但是，在實(shí)際應(yīng)用中存在輸送帶伸長(zhǎng)量變化較大的情況，傳統(tǒng)電力驅(qū)動(dòng)的拉緊裝置和液壓缸拉緊裝置存在一定的缺陷[1]。因此，設(shè)計(jì)了一款新型帶式輸送機(jī)自動(dòng)拉緊裝置并展開(kāi)分析。

1 帶式輸送機(jī)拉緊裝置的理論分析

為確保所設(shè)計(jì)的拉緊裝置能夠解決傳統(tǒng)電力和液壓缸驅(qū)動(dòng)拉緊裝置的所存在的問(wèn)題，對(duì)拉緊裝置的相關(guān)理論進(jìn)行分析。

1.1 拉緊裝置的布置原則

1）應(yīng)將拉緊裝置布置安裝于輸送帶張緊力最小的位置處；

2）為確保輸送帶張緊力不變，保證其響應(yīng)特性，需將拉緊裝置布置于靠近驅(qū)動(dòng)滾筒奔離點(diǎn)的位置處；

3）針對(duì)短距離帶式輸送機(jī)和應(yīng)用于具有一定坡度的工作面時(shí)，應(yīng)將拉緊裝置布置于帶式輸送機(jī)的尾部，且將尾部的驅(qū)動(dòng)滾筒作為為拉緊裝置提供驅(qū)動(dòng)力的滾筒；

4）當(dāng)帶式輸送機(jī)是靠?jī)蓚€(gè)滾筒進(jìn)行傳動(dòng)時(shí)，將拉緊裝置安裝于后面滾筒的奔離點(diǎn)；考慮到輸送帶的制動(dòng)，可將拉緊裝置安裝于兩個(gè)滾筒之間。

1.2 拉緊裝置的安裝位置

基于1.1 所述的拉緊裝置布置原則，在實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)拉緊裝置布置于帶式輸送機(jī)的頭部或者中部，針對(duì)拉緊裝置在尾部的安裝需采用特殊安裝形式。拉緊裝置安裝于帶式輸送機(jī)頭部和尾部的如圖1 所示。

針對(duì)垃圾裝置在尾部的安裝可采用一般和特殊兩種安裝方式，具體如圖2 所示：

圖1 拉緊裝置在頭部和中部的安裝形式

圖2 拉緊裝在置尾部的安裝形式

2 帶式輸送機(jī)拉緊裝置的設(shè)計(jì)

2.1 帶式輸送機(jī)拉緊裝置的總體設(shè)計(jì)

對(duì)于傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)拉緊裝置采用電驅(qū)動(dòng)拉緊或者液壓驅(qū)動(dòng)拉緊時(shí)存在一定的缺陷。因此，針對(duì)帶式輸送機(jī)拉緊裝置采用液壓絞車聯(lián)合驅(qū)動(dòng)拉緊的方式，該拉緊裝置由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)三個(gè)分系統(tǒng)組成[2]。其中，機(jī)械系統(tǒng)主要由拉緊小車、拉緊絞車以及鋼絲繩等機(jī)械部件組成；電氣系統(tǒng)主要由拉緊裝置拉緊力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和電氣控制站等組成；液壓系統(tǒng)主要由液壓泵站、馬達(dá)、緩沖油缸、蓄能器以及制動(dòng)等液壓元器件組成。

拉緊裝置基于電氣控制系統(tǒng)中的拉緊力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)張緊力就測(cè)量；并通過(guò)電液比例溢流閥的開(kāi)口大小控制馬達(dá)的輸出扭矩；液壓絞車為拉緊系統(tǒng)的執(zhí)行部件，根據(jù)實(shí)時(shí)工況控制絞車從而實(shí)現(xiàn)對(duì)拉緊行程的調(diào)整和控制；緩沖油缸的主要作用是吸收帶式輸送機(jī)在非平穩(wěn)工作狀態(tài)下出現(xiàn)的輸送帶松弛和振動(dòng)的現(xiàn)象[3]。

2.2 拉緊裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要由液壓泵站、馬達(dá)、緩沖油缸、蓄能器以及制動(dòng)等液壓元器件組成。根據(jù)帶式輸送機(jī)的工況，其對(duì)應(yīng)拉緊裝置液壓系統(tǒng)的工作階段包括啟動(dòng)階段、啟動(dòng)至正常運(yùn)行階段、拉緊力監(jiān)測(cè)和保壓階段、制動(dòng)階段和斷帶保護(hù)階段。本章節(jié)完成對(duì)帶式輸送機(jī)拉緊裝置液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元器件的選型，基于相關(guān)理論及計(jì)算的結(jié)論，對(duì)應(yīng)液壓系統(tǒng)元器件的選型結(jié)果如表1 所示。

表1 拉緊裝置液壓系統(tǒng)元器件選型

2.3 拉緊裝置電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

拉緊裝置電控系統(tǒng)的核心部件為PLC 控制器，基于PLC 控制器可以獲取拉力傳感器所采集到的輸送帶的實(shí)時(shí)張力，并結(jié)合當(dāng)前帶式輸送機(jī)的運(yùn)行工況得出相應(yīng)的控制指令，對(duì)電液比例溢流閥的開(kāi)口進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)張緊力控制的目的[4]。

結(jié)合當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用中PLC 選型，擬選用西門子的S7-200 系列PLC 控制器為其核心控制器。確定核心控制器后，為其配置相關(guān)部件，具體選型結(jié)果如表2 所示。

3 帶式輸送機(jī)拉緊裝置的仿真分析

采用PID 算法對(duì)本文所設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)拉緊裝置動(dòng)作及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。基于所搭建拉緊裝置的整體數(shù)學(xué)模型、MATLAB 軟件中的SIMULINK模塊對(duì)拉緊裝置的控制特性進(jìn)行仿真分析[5]。

PID 控制算法最終的控制效果主要由該算法中的積分系數(shù)Kf、微分系數(shù)Kd和比例系數(shù)Kp的確定。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)整定后，確定最終PID 控制器的參數(shù)如下：Kp=10，Kf=1，Kd=0.05。

表2 拉緊裝置電控系統(tǒng)元器件選型

當(dāng)仿真模型輸入階躍信號(hào)后，對(duì)應(yīng)的帶式輸送機(jī)的工作狀態(tài)為運(yùn)行過(guò)程受到?jīng)_擊后，拉緊裝置緩沖油缸的活塞桿立即作出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，以減緩工作中的沖擊對(duì)系統(tǒng)液壓元器件及機(jī)械結(jié)構(gòu)部件所造成的沖擊。當(dāng)系統(tǒng)受到類似的沖擊時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)作出反應(yīng)，即說(shuō)明拉緊裝置具有良好的響應(yīng)速度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)張緊力根據(jù)其運(yùn)行工況的平穩(wěn)控制。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用液壓絞車驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)帶式輸送機(jī)拉緊裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)其控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行分析，確保拉緊裝置根據(jù)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)對(duì)輸送帶的張緊力進(jìn)行控制，進(jìn)而確保帶式輸送機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，為進(jìn)一步提升綜采工作面的采煤效率奠定基礎(chǔ)。