帶式輸送機永磁變頻自動張緊裝置研究

陳仁建

（浙江中煤機械科技有限公司，浙江溫州 325600）

0 引言

帶式輸送機因長運距、大運量等特點，廣泛應用于煤礦、冶金、糧食等領域。張緊裝置是帶式輸送機的核心組成部分，可對輸送機皮帶的拉伸變形進行補償，以保證帶式輸送機的正常穩定運行。

國內外學者對永磁變頻自動張緊裝置進行了大量研究。劉飛[1]基于PLC 的自動變頻控制張緊系統給出總體架構方案。董立紅等[2]基于PID（Proportional-Integral-Derivative，比例積分微分）控制理論設計出張力控制系統。楊小林等[3]設計了一種集多點永磁直驅與永磁張緊于一體的智能驅動系統。宋瑾瑾[4]通過建立張緊裝置各部件的數學模型，給出減少張緊裝置響應時間的策略。徐孝等[5]設計出一套變頻器與永磁同步電機作為驅動裝置的變頻調速系統。Riccardo Scattolini[6]通過研究被控對象預測模型，得出影響預測函數控制性能的因素。劉偉蓮[7]提出應用永磁同步電機對輸送帶張力進行控制的方法。鮑久圣等[8]闡述了一種新型智能驅動自動張緊技術。李畢勝[9]比較分析了一體化內置式傳動結構和2 種普通外置式傳動結構。Krol R[10]研究張緊裝置在不同情況下提供穩定張力，實現精準、快速調節。Tomus O 等[11]研究適用于帶式輸送機輸送帶在驅動滾筒分離點張力調節的張緊裝置。宰守香等[12]創造性設計出一體化自動式張緊裝置，并指出張緊裝置智能化發展趨勢。楊興廷等[13]設計并介紹了變頻自動張緊裝置在帶式輸送機中的應用。楊俊宙等[14]將空間矢量脈寬調制技術應用于變頻自動張緊裝置。李建芳[15]使用AMESim 及MATLAB 仿真分析軟件對永磁變頻張緊特性進行分析。

1 液壓自動張緊裝置存在問題

目前，我國煤礦企業常用的液壓自動張緊裝置主要存在液壓設備故障率高和張緊響應時間長的問題。

（1）液壓設備故障率高。煤礦井下環境惡劣，會加快液壓張緊設備腐蝕，其中各類閥體銹蝕，導致動作不靈敏。箱體腐蝕會使液壓油缸支桿橡膠套磨損，支桿銹蝕，在伸縮時破壞油缸密封并造成漏油，損壞設備。各類密封在惡劣環境下極易損壞，導致壓力不足。

（2）張緊響應時間長。液壓自動張緊裝置的工作原理是通過液壓站進行調節，保持張緊油缸壓力和皮帶張緊力之間的平衡。設備啟動時，驅動滾筒會拉動張緊車處的多余皮帶，使張緊油缸壓力減小。為增加皮帶張緊力，液壓站給張緊油缸供液，油缸進行收縮，帶式輸送機皮帶張緊力增大。當帶式輸送機正常運行時，張緊車處剩余皮帶減少，油缸壓力升高，為平衡張緊力，此時溢流閥進行泄油，張緊力降低。液壓張緊裝置在補液、泄壓、油缸伸縮等工作過程中需耗費時間，若帶式輸送機啟動速度過快，液壓張緊裝置則不能滿足張緊需求，會導致帶式輸送機發生打滑或單驅過載現象。

針對上述液壓自動張緊裝置存在的問題，本文對一種新型自動張緊裝置進行了研究。

2 永磁變頻自動張緊裝置的組成

永磁變頻自動張緊系統主要由監測系統、張緊絞車、控制箱等構成。監測系統主要包括張力傳感器，張力傳感器的作用是將測得的張力信號轉換成電流信號，并將電流信號傳給PLC。張緊絞車包括電氣和機械兩部分，電氣部分主要裝置磁粉制動器的作用是防止轉子斷電后不產生慣性轉動，保證安全。控制系統是PLC，此控制系統的核心模塊是CPU 模塊。永磁變頻自動張緊系統組或如圖1 所示。

圖1 變頻自動張緊系統組成

3 永磁變頻自動張緊裝置工作原理

3.1 機械傳動原理

永磁變頻自動張緊裝置系統原理如圖2 所示，張緊小車安裝在固定軌道上，永磁同步電機和電磁制動器通過聯軸器與張緊滾筒連接。調節張力時，制動器關閉制動，滾筒轉動使游動小車在導軌上運動，實現張力調節。當張力滿足運行需求時，中控對張緊裝置發出指令，制動器開啟制動，游動小車保持靜止，該裝置處于維持張力狀態。

圖2 變頻自動張緊系統原理

3.2 張緊裝置工作原理

（1）帶式輸送機有啟動、滿速和停機三種運行狀態，不同工況下張力設定值關系如圖3 所示。除停機狀態外，其他工況張緊力預設值的合理區間是90%～110%。張力在該區間，張緊裝置不啟動；超出該區間時，張緊裝置開始運行，張緊力重新回到合理區間后停止運行；如果帶式輸送機輸送帶斷裂，張緊力驟降為0，張緊裝置立即停機。

圖3 不同工況下輸送帶張力設定比

（2）PLC 控制系統比較張力傳感器測得的張力信號和設定信號，通過計算確定輸出值，從而對電機正反轉和轉速進行控制，實現張緊力動態調節。

（3）永磁同步電機對定子電流直軸勵磁分量和定子電流交流轉矩分量分別進行控制。

（4）輸送機啟動時，輸送帶會變形，需增加張緊力，將變頻器設為40 Hz，張緊小車速度增加。穩定后，張緊力主要因煤堆積量變化而變化，變化很小，此時將變頻器設為10 Hz，張緊小車速度減小。

4 應用優勢

（1）響應迅速，張緊過程快。該張緊裝置使用PLC 控制系統，具有良好的動態響應特性。當出現各種工況時，該裝置響應時間短，能夠減少整機達到穩定運行的時間。當輸送機受到沖擊載荷時，系統動態響應迅速，張緊速度快，張緊力超調量小，可避免對帶式輸送機造成沖擊。

（2）降耗提效，延長設備壽命。該張緊裝置控制系統采用了內外環雙極控制結構，能夠實現在不同工作狀態下對張緊力的精確控制，在運量不變的情況下，可以降低皮帶張緊強度要求，減少磨損，延長設備壽命。

（3）運行穩定。該張緊裝置應用四象限變頻器，可以實現軟啟動，減小對電機的沖擊，并且能根據電機運行狀況調整所需電源電壓，實現帶式輸送機的穩定運行。

5 結論

永磁變頻自動張緊裝置控制系統包括監測系統、張緊絞車、控制系統、供電系統、冷卻系統等，能夠滿足帶式輸送機在不同狀態下運行。本文提出一種永磁同步電機帶動絞車張緊的方案，通過PLC 控制系統，將張緊力傳感器監測值與設定值進行對比，實現對輸送帶張緊力的快速調整，具有響應迅速、控制精確、張緊速度快、運行平穩、設備壽命長等優點。