帶式輸送機液壓自動張緊裝置的設計分析

郭洪麗

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦，山西長治046200）

0 引言

帶式輸送機是一種大型運輸設備，經(jīng)過最近幾年的發(fā)展已經(jīng)成為長距離、大功率以及高帶速的現(xiàn)代化設備。可是在實踐的過程中，也出現(xiàn)了一定的問題，比如響應速度慢，經(jīng)常出現(xiàn)打滑與斷裂等現(xiàn)象。張緊裝置能夠給運輸機構提供較大的張力，為機構的安全運行提供有效地保障。當前常見的液壓張緊裝置廣泛選用分段式獨立設計，從而可以把張緊過程劃分為如下幾個階段：啟動階段；正常運行階段；制動階段；停止運行階段等。對于不同的運動階段可以配置與之對應的張力范圍，假如檢測到張力不在相應的范圍時，那么系統(tǒng)就會對執(zhí)行單元進行調(diào)整。可是該系統(tǒng)并不能依據(jù)靜態(tài)過程對張力進行實時調(diào)整，同時其調(diào)節(jié)精確度相對較差，往往表現(xiàn)出余量過大或者不足的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)了張力過勁或者太小的現(xiàn)象。在以往的研究中，鄢闖[1]簡單介紹了帶式輸送機的常見故障與相關處理措施，胡春梅[2]研究了帶式輸送機的重錘機械張緊，很少有學者對帶式輸輸送機的液壓自動張緊進行研究。基于此，本文提出了運用PLC進行動態(tài)調(diào)整的液壓張緊控制裝置。該系統(tǒng)可以依據(jù)自適應對張緊力進行調(diào)整，與此同時對系統(tǒng)進行實時調(diào)整，該系統(tǒng)能夠有效地克服傳統(tǒng)張緊系統(tǒng)的不足，為帶式輸送機的智能化發(fā)展提供參考。

1 系統(tǒng)總體設計方案

1.1 系統(tǒng)架構

該系統(tǒng)包括3個系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、機械系統(tǒng)。其中，液壓系統(tǒng)包括液壓站、蓄能器、緩沖油缸、張緊力產(chǎn)生設備等幾個組成單元。而張緊力產(chǎn)生設備包括張緊電機、制動器以及相應的慢速絞車等幾個子單元，其可以給運輸機提供張力，通常情況下緩沖油缸主要用來緩解傳送帶在工作的過程中所產(chǎn)生的振動以及松弛現(xiàn)象。電控系統(tǒng)運用PLC對張緊電機輸出轉矩進行控制，與此同時在張緊力傳感器的幫助下進行張緊力的實時監(jiān)測，這樣在經(jīng)過張緊力信息處理的過程中可以對張緊力進行調(diào)整。電控單元是控制自動張緊力與數(shù)值輸出的核心單元，在電控單元中可以執(zhí)行控制程序以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)的運算等。對于機械控制系統(tǒng)而言，其包括張緊小車、鋼絲繩、慢速絞車、導向滑輪等。其中，執(zhí)行系統(tǒng)張緊動作的單元是慢速液壓絞車，能在較大范圍內(nèi)對張緊力進行調(diào)整。鋼絲繩以及導向輪與執(zhí)行單元進行過連接，通過液壓絞車正反正對鋼絲繩進行的運動方向進行調(diào)整，從而可以調(diào)節(jié)傳送帶的松緊調(diào)節(jié)[3]。圖1所示為相應的液壓自動張緊總體結構。

圖1 帶式輸送機液壓自動張緊裝置結構

1.2 系統(tǒng)控制原理

通過分析圖2所示的液壓自動張緊系統(tǒng)結構原理可以發(fā)現(xiàn)，由于液壓運輸機在運行的過程中需要張緊裝置提供不同的張緊力。可以借助PLC設置相應的張緊力參數(shù)以及程序，進而對運輸機的各個狀態(tài)進行調(diào)整[3]。通過上位機遠程向控制器發(fā)出操作指令，同時上位機還可以接受來自于調(diào)控器發(fā)出的指令，從而可以實時監(jiān)測運輸機的張緊力狀態(tài)。當控制器接收到啟動信息后，可以發(fā)出控制信號，進而將張緊力調(diào)整為與啟動狀態(tài)相匹配的張緊力，而張緊力的數(shù)值設定為正常狀態(tài)下的1.5～2倍的范圍，這樣可以使得張緊絞車的制動器處于關閉狀態(tài)，而張緊電機處于正轉狀態(tài)，使得繩子處于拉緊狀態(tài)。與此同時可以借助液壓站向緩沖油缸充油。假如張緊力達到啟動設置的數(shù)值時，那么相應的制動器將會啟動，進而張緊電機停止運轉，最終使得液壓站處于空載運行狀態(tài)[4]。假如傳送速度處于正常工作的數(shù)值，那么可以借助PLC對自動控制張力進行控制，從而使得自動張緊裝置處于正常的運行狀態(tài)。假如系統(tǒng)接收到停止運行信號時，那么這時PLC通過給張緊力傳輸停止工作的信號后，將張緊力調(diào)整為停機狀態(tài)的數(shù)值。同時相應的設備也做出相應的動作，比如絞車制動器處于啟動狀態(tài)，所有的電磁閥也會處于關閉狀態(tài)，同時液壓系統(tǒng)也會處于停止工作的狀態(tài)[5]。

圖2 液壓自動張緊裝置具體結構原理

該系統(tǒng)還設置了斷帶保護裝置，假如傳動帶出現(xiàn)斷裂時，那么相應的傳送帶張緊力將會下降到0。PLC可以將信號傳遞給液壓站將其設置為停止運行的工作狀態(tài)，同時絞車制動器處于啟動狀態(tài)，將蓄能器與油箱接通，這樣可以使得緩沖油缸處于卸載的狀態(tài)。

2 硬件方案設計及選型

由于系統(tǒng)的運行離不開硬件的支撐，因此必須選擇合適的硬件系統(tǒng)。因此依據(jù)上述需要設計出合適的硬件操作系統(tǒng)[6]。

該硬件系統(tǒng)中，PLC是核心硬件單元，選用西門子S7-1200可編程控制器。其具有緊湊的結構、運行速度快、能夠滿足導軌形式的安裝、設置有10~24個I/O接口、電源單元選用PM1207。與此同時集成了PROFINET接口、專用RJ45連接器，從而能夠極大地提高數(shù)據(jù)傳輸效率，能夠滿足該系統(tǒng)的需要。張緊電機選用三相異步電機，其型號為Y180L-4型，轉速為1 470 r/min，對應的功率為11 kW，電機的額定電壓選選定為380 V。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)在工作的過程中，由于油泵供油時并不能滿足峰值需要以及更好地調(diào)整壓力脈動等情況，而設置的蓄能器可以較好地吸收壓力脈動情況，進一步可以有效地提高系統(tǒng)的性能。本設計選用蓄能器的型號為NXQ-L型，公稱容積達到0.4 L，相應的壓力為10 MPa，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)該蓄能器能夠滿足系統(tǒng)的需要。在該系統(tǒng)中，液壓油泵是液壓系統(tǒng)的動力單元，當電動機驅(qū)動可以將油箱中的油液輸送給執(zhí)行單元。選用的液壓油泵型號為NBT3-D10F，額定功率選為3.2 kW，相應的排量為10 mL/r，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)該液壓油泵能夠滿足系統(tǒng)的需要[7]。

該系統(tǒng)張力值采樣系統(tǒng)由張力傳感器和張力變送器兩個單元組成。通常張力傳感器設置在鋼絲繩上，其能夠?qū)埩M行采樣，將張力物理信號轉化成為4～20 mA的電信號，將改電信號傳輸給PLC控制單元，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理傳輸給上位機，同時能夠?qū)埩M行實時監(jiān)測。該張力傳感器選用本質(zhì)安全傳感器，其型號為UAD10，其控制精度范圍在±300，量程范圍在0～10 t范圍內(nèi)，相應的工作電壓為12 V，工作溫度在-5～+50℃范圍內(nèi)，分辨力精度可以達到65 000分度，量程可調(diào)節(jié)的范圍在2～30 mV的范圍內(nèi)，經(jīng)過分析該型號的張力傳感器能夠滿足工程的需要。

3 軟件方案設計

本設計在軟件開發(fā)的過程中，充分結合張緊裝置中運輸機運行時出現(xiàn)的彈性以及波動性問題，從程序的層面發(fā)出控制指令控制張緊小車存在的振蕩問題[8]。圖3所示為相應的張緊力控制流程。

圖3 帶式輸送機張緊力控制流程

4 應用效果分析

山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦某巷設計長度大約為1 200 m左右，該巷道選用的掘進工藝為綜合機械化掘進，在巷道日常掘進作業(yè)中應用的是SSJ-800型帶式輸送機來運輸煤及矸石，該帶式輸送機所采用的驅(qū)動方式為雙電機驅(qū)動，每臺電機為40 kW的額定功率，輸送機的具體安裝長度設計為400 m，該巷道在掘進前200 m時，該帶式輸送機所用的張緊方式主要為傳統(tǒng)液壓張緊方式，該種張緊方式在實際應用中時常會發(fā)生故障，在巷道掘進前期，由于帶式輸送機張緊方式的不科學、不合理，引發(fā)該輸送機出現(xiàn)了4次的斷帶事故，張緊裝置經(jīng)常發(fā)生故障，僅維修該輸送機的人力物力成本就高達15萬元左右。

2020年4月經(jīng)相關技術人員的實地考察研究，決定更換該輸送機的原張緊裝置，應用新型帶式輸送機液壓自動張緊裝置后，直到2020年10月，經(jīng)6個月左右的實地應用觀察，人們發(fā)現(xiàn)自從應用該新型液壓自動張緊裝置后，該帶式輸送機從沒發(fā)生一起由于張緊裝置不當而引發(fā)的斷帶停機事故，可節(jié)約輸送機輸送機維修維護成本70萬元左右。

5 結束語

帶式輸送機皮帶張緊裝置是保障帶式輸送機安全高效運行的重要部件，在工程實踐的過程中發(fā)現(xiàn)，該帶式輸送機液壓自動張緊裝置不僅具有簡單的張緊帶式輸送機皮帶的功能，而且能夠有效地實時監(jiān)測張緊力的變化情況，根據(jù)帶式輸送機實際運行所需的張力情況對皮帶的張緊力進行實時調(diào)整，其能夠優(yōu)化張緊力的工作過程，達到帶式輸送機自動張緊的目的，總之，通過應用該帶式輸送機液壓自動張緊裝置一方面能有效減少帶式輸送機運行過程中所需的人力物力維護成本，另一方面可實時張緊皮帶有助于進一步提高帶式輸送機的運行效能，該裝置具有一定的推廣應用價值。