礦山長輸送皮帶自動張緊裝置的改造

余可朕 宋利遠 段華東

（都江堰拉法基水泥有限公司，四川 成都 611800）

0 引言

水泥生產線上礦石運輸采用的皮帶輸送，其張緊方式通常采用卷揚機、小車結構或者液壓缸張緊等固定力矩方式拉伸調整皮帶，而不能根據設備的啟停、負荷大小靈活調整皮帶張緊力，長期運行會對皮帶接頭造成損傷，嚴重時導致皮帶接頭斷裂，影響生產。在都江堰拉法基水泥有限公司礦山的長輸送皮帶機上，液壓張緊裝置采用單電機單泵供油，系統可靠性低；控制系統無法補償塑性伸長和過度工況下彈性伸長的變化；皮帶的變載過程無法隨動控制；皮帶瞬時過載無法消除；張緊油缸最大張力偏小。筆者結合實際項目情況，對輸送皮帶液壓張緊裝置進行了更新改造，取得了理想的效果。本文對本次改造進行總結。

1 項目概況

1.1 輸送帶主要參數

st2500(8+6),輸送距離3.89km，設計速度3.15m/s,實際速度為2.5~2.7m/s，電機功率450kW×3，輸送能力1560t/h。

1.2 液壓張緊裝置使用現狀

現液壓張緊裝置的電氣控制柜、液壓站外部銹蝕嚴重，元器件老化；采用單電機單泵供油，系統可靠性低；控制系統原理存在缺陷，無法補償塑性伸長和過度工況下彈性伸長的變化；皮帶的變載過程無法隨動控制；皮帶瞬時過載無法消除，致使皮帶使用壽命縮短；張緊油缸最大張力偏小。

1.3 液壓張緊裝置改造方案

重新設計生產液壓張緊裝置：包括PLC電器控制柜、液壓站、電液控制閥塊、張緊液壓缸。具體改造內容及擬實現的效果如下：

（1）采用雙電機雙泵供油，實現一主一備，增加系統可靠性及設備安全性。

（2）采用電磁換向閥與液控單向閥，實現皮帶安裝、空載、軟啟動等過程控制。

（3）采用電液比例閥與拉力傳感器，實現皮帶的壓力隨動調整、張緊油缸工作原點調整。

（4）采用PLC程序邏輯控制。

2 液壓張緊設備的技術要求

2.1 液壓張緊設備設計、生產要求

采用YBZ-21/140型液壓張緊設備，需重點考慮以下幾方面內容：科學合理地確定皮帶張緊力與啟動規律；結構形式采用大、小張緊并聯調整、PLC程序控制電液隨動系統；為了保證設備長期穩定工作，電液控制采用冗余控制方式。該液壓自動張緊設備有足夠張力，以保障輸送帶與滾筒之間產生必要的摩擦力并防止打滑。

2.2 技術標準與規范

液壓張緊設備的設計、制造、包裝、運輸、儲存、驗收采用GB以及最新版的ISO和IEC標準。引用相關標準：《液壓系統通用技術條件》（GB/T 3766-2001），《機械設備安裝、驗收規程》（GB/T 50231-98），《液壓系統及元件公稱壓力系列》（GB/T 2346-2003），《液壓元件油口螺紋連接尺寸》（GB/T 2878-1993），《液壓缸活塞行程系列》（GB/T 2349-1980）。

2.3 其他標準

國際電工委員會IEC有關標準。首先采用行業標準。在行業標準缺項或不完善時，可參照選用相應的國際標準或中華人民共和國國家標準[1]。

3 主要參數的計算

3.1 張緊力預估計算

輸送傳動帶的張緊程度（即張緊力的大小），是影響輸送帶穩定運行的重要因素。張緊力低時，容易打滑，運輸能力低；張緊力適當增大，傳動能力適當提高，但過大的張緊力，會降低傳動帶的使用壽命。

平膠帶適當的張緊應力δ=1.57～1.96MPa，常用1.77MPa，根據總的工作時間長、速度高、灰塵泥沙重等工況條件，張緊力取小值。

輸送帶安裝時的初拉應力比設計應力大50%，即1.5δ，通過張緊油缸調整。通常調整帶長?L=0.01L，使用一段時間后，通過卷揚電機與小車進行調整。

現輸送帶主要參數：st2500(8+6),輸送距離3.89km，設計速度3.15m/s,實際2.5~2.7m/s，電機功率450kW×3，輸送能力1560t/h.

由公式估算Fmax=i·B·δ/n=235000N

3.2 張緊油缸尺寸和行程調整計算

由公式F=P·A，A=π（D2-d2）/4，取系統最高工作壓力21MPa，可以確定油缸活塞直徑D=140，d=70，油缸最大壓力242330N>235000N,滿足現場要求。目前使用油缸D=125，d=70，系統最大力176800N，油缸偏小。

根據現卷揚機最低卷揚長度，結合現場實際使用情況選擇油缸最大行程S=2000。

4 帶式輸送機自動張緊液壓技術方案

4.1 帶式輸送機自動張緊液壓機特點

YBZ-21/140-1600帶式輸送機自動張緊液壓機主要由張緊液壓缸、蓄能液壓油源、液壓控制閥塊、PLC程序控制柜、與慢速卷揚小車、檢測系統（固定滑輪處的拉力傳感器、張緊油缸上位移傳感器、液壓系統壓力充電器）組成。系統主要特點如下：

（1）通過拉力傳感器精確檢測皮帶張力并反饋到控制系統，進行輸送帶小調整。根據需要設定拉緊力后，通過電液比例閥實現皮帶的恒力狀態。

（2）通過位移傳感器，檢測張緊油缸工作位置，實現卷揚機對輸送帶大調整。確保張緊油缸始終在有效調整范圍內（工作原點至最大工作位置，根據現場調試情況自由設置）。

（3）通過壓力傳感器檢測張緊腔壓力、并反饋給系統。通過比例溢流閥、補壓電磁球閥、保壓蓄能器對系統壓力實現保壓、限壓、穩壓范圍（7.5～8.5MPa）的控制，確保輸送帶的張力控制在有效范圍，提高系統安全、穩定性的同時，增加輸送帶的使用壽命。

（4）動態性能好，減小啟動和停車過程中拉緊力突變，防止出現斷繩和斷帶事故。

4.2 液壓工作原理

4.2.1 主系統壓力設定

系統啟動時，由電動機帶動油泵1（或者油泵2）提供系統壓力油，在啟動油泵電機前常閉電磁溢流閥的電磁鐵通電，使油泵電機低壓啟動。當油泵電機啟動后，電磁鐵斷電，通過系統電觸點壓力表設定系統壓力，調整溢流閥直至設定系統最高壓力（12MPa）。此時，3位4通電磁閥處于中位。

4.2.2 控制系統壓力設定

3位4通電磁閥右邊電磁鐵通電。張緊油缸活塞桿縮回油缸全行程（此時根據情況張緊輪處于松開狀態）通過系統壓力表，調整拉力最高壓力限制溢流閥（設定為9MPa）。避免液壓拉緊力過大，防止輸送帶與鋼絲繩安全系數降低。通過數字壓力表設定拉緊壓力。將拉緊壓力控制在7.5~8.5MPa。當拉緊油缸壓力，低于7.5MPa系統自動補壓。

4.2.3 系統工作點調整

當系統壓力設定好后，設定位移傳感器位置：設定活塞桿伸出1800mm位置為張緊油缸工作原點，設定活塞桿伸出300mm位置為張緊油缸最大工作點，也是兩位置檢測開關安裝位置。該張緊系統長時間工作在原點位置，隨著皮帶的變形量（拉長量?L）增加，張緊力變小，系統壓力降低至拉緊力最低設定壓力。系統補壓，直至拉緊壓力達到最大壓力設定點。補壓過程結束，系統處于保壓。此時油缸行程會縮短?L。此過程稱為小調整。當?L=1500時，系統自動啟動卷揚機，收緊皮帶，至張緊油缸工作原點。此過程稱為張緊系統大調整，電液比例溢流閥自動調整張緊腔壓力為最低張緊壓力。使皮帶在工作狀態下可以自動調整拉長量。油缸回到工作原點。比例溢流閥自動調整到拉力傳感器設定的恒壓（8.5MPa）

4.2.4 啟動與停機壓力設定

通過PLC控制，當系統接到啟動或停止信號，比例溢流閥自動調整系統張緊力為5MPa。減少啟動、停機的張力突變。

4.3 液壓站主要結構與配置

YBZ-21/140-1600帶式輸送機自動張緊液壓控制系統使用的液壓油源，大部分是按傳統安裝方式，將蓄能器、油泵電機立式內置安裝于油箱內。這種方法有兩個優點，一是結構緊湊，二是如果發生泄漏，直接漏回油箱[2]。但是，這種傳統的安裝方法存在三大缺點：一是接頭泄漏不易發現泄漏點，設備故障率高；二是維修不方便；三是更換和修理油泵電機、蓄能器時會有一部分液壓油帶出油箱，污染環境[3]。

筆者公司設計開發的液壓控制油源，采用立式外置電機油泵、蓄能器的安裝方式：通過一個截止閥將濾油器與油泵進口分開，通過一節無縫鋼管將濾油器固定在油箱內，截止閥固定在油箱外并與油泵連接。油泵的出口，通過一個無縫鋼管，竄過油箱另一面與蓄能器連接。這種安裝方式克服了傳統內置式安裝的缺點，并且使用維護方便，縮短了維修時間。

液壓系統為自動保壓型液壓站。最高操作油壓9MPa，張緊壓力油源來自液壓站，額定工作油壓8MPa，系統事故低油壓為額定油壓的7MPa，事故高油壓設定9MPa（根據現場調試實際情況和要求設定）。為了增加系統可靠性，液壓系統采用主泵和備用泵雙系統供油方式。主泵和備用泵互為備用，當一泵出現故障，系統自動切換至備用泵。獨有的專利技術，可在不斷電不停機的情況下安全更換或維修損壞的泵組。液壓系統自帶的蓄能裝置（本次張緊系統、置配XNQ-63/31.5蓄能器2只），在停電失去動力情況下，仍然可以長時間穩壓。系統采用數字球閥，使液壓系統抗污染能力強，反應快，大大提高了系統的可靠性和穩定性。

油泵、電磁閥組、壓力控制器、液位變送器等主要元器件選用國內外著名品牌力士樂或北京華德，質量可靠、方便維修；液壓站主要由油泵機組、集成式油路塊、囊式蓄能罐、油箱、控制閥組及表計等組成。在每臺油泵出口裝有一電磁溢流閥，控制液壓系統的最高工作壓力，確保系統安全工作，保護電機空載啟動，同時在油泵的出口還裝有單向閥，以阻止停泵時產生的回流。液壓站通過油泵機組向氣囊式蓄能器充油，氣囊產生壓縮從而存儲液壓能，在電控指令和控制閥組的作用下，蓄能罐的液壓油或油泵打壓的液壓油經液壓閥快速流向操作閥塊，而將液壓能轉變為機械能，從而驅動張緊油缸調整皮帶張緊力。

對液壓模塊進行三維優化設計，使其內部彎路少，泄漏點少，并采用高性能的電磁球閥作為保壓止泄元件，保證了液壓站保壓時間長。在液壓泵進油口設有油濾清器，保證油泵可靠工作，在油泵的出油口設有安全溢流閥。在液壓站上設有壓力傳感器，對液壓系統進行控制與檢測，并有接點供上位機采用。每套操作供油系統有2臺電動油泵，一臺工作、一臺備用。油泵的最高工作壓力為28MPa，滿足了壓力油操作系統的要求。

4.5 張緊油缸

張緊液壓缸選擇低摩擦液壓控制系統專用缸，具有低阻力、高精度特性。油缸的缸筒采用整體45#無縫特種鋼管探傷后加工制成。缸體經過高精度鏜孔、熱處理、珩磨等工序確保了缸的精度與耐磨性。活塞環采用45#精加工后表面滲氮，具有極高的強度與耐磨性與抗變形性能。活塞桿采用40Cr鍛鋼整體鍛造，分粗加工、半精加工、調質處理、精加工、表面熱處理、精磨等嚴格工序制成，保證了缸的精度與長期穩定的工作要求。

缸體的密封滿足以下特點：高剛性、密封摩擦阻力小、密封可靠壽命長等特點[4]。本次油缸設計活塞密封采用格萊密封、活塞桿密封采用斯特密封。與傳統的O型圈U/Y型圈密封相比：啟動摩擦阻力小，適合液壓隨動控制要求；耐壓、耐高速、耐磨性、耐久性，都比O型圈U/Y型圈密封好。

活塞密封圈由一個潤滑性能良好，摩擦因數小的滑環和一個充當彈性體的橡膠圈組成[5]。滑環材料為摩擦因數極低的填充聚四氟，所以，油缸啟動平穩、無爬行。能夠滿足比例控制閥的性能指標，進而達到系統精度控制。活塞桿密封，將密封滑環制成階梯型，并有一個忍口、密封件的斜面部分利用流體動力作用保護油膜，使之返回工作腔，從而提高密封性能。

4.6 電氣控制及主要元件

YBZ-21/140-2000帶式輸送機自動張緊液壓機，配有專用電控箱，控制面板上，采用觸摸屏，實現自動設定開、停機壓力、張緊壓力、防沖擊壓力，面板上裝有轉換開關和控制按鈕，用于本地控制和模式切換。

采用西門子系列PLC為控制中央處理單元，結合外部傳感器，集成自動控制、狀態監視、故障報警、自動報表功能。

PLC控制器、控制模塊、觸摸屏采用西門子S7-1200系列，軟啟動器、通用電氣元件和傳感器采用施耐德或歐姆龍品牌產品。

5 運行與操作

給定張緊力8.5MPa(根據實際情況、現場調整設定)。系統接到自動開啟輸送帶信號。張緊機主油泵啟動，此時3位4通電磁換向閥處于中位。比例溢流閥自動系統壓力達到系統啟動壓力4.5MPa。3位4通電磁換向閥右側電磁鐵通電，卷揚機電機低速運轉。當張緊油缸到達工作原點，位置傳感器發出信號，輸送帶驅動電機啟動。比例溢流閥壓力逐漸升高8.5MPa,此過程（根據現場需要設定時間）張緊壓力上升到由比例溢流閥設定工作壓力為8.5MPa。當鋼絲繩拉力傳感器達到與系統恒壓工作壓力為8.5MPa時，卷揚機停止工作。此時，輸送帶進入恒壓工作狀態。

系統接到自動關機輸送帶信號，比例溢流閥自動系統壓力達到從8.5MPa逐漸減少至4.5MPa，輸送帶電機停機。

當張緊機安裝調試、壓力設定、工作原點調整等工況時，可以手動實現張緊油缸張緊、松開、卷揚機卷、方等手動獨立操作。

6 結束語

液壓張緊自2022年2月份改造以來，目前運行正常，現場設備由于采用雙泵組合及對原有油缸和蓄能器的改造，提高了設備安全可靠性，另外在原有基礎上增加了位移和拉力傳感器，使得以前無法參考的指標，現在有了具體數據。