皮帶機尾部驅動力自動調節裝置設計及應用分析

姚 旭

（晉能控股煤業集團雁崖煤業有限公司，山西大同037003）

皮帶運輸機是一種利用滾筒和皮帶的連續摩擦驅動實現快速穩定運輸貨物的機械，是煤礦運輸中普遍采用的一種運輸設備。當前，皮帶輸送機在使用中常常出現打滑、跑偏等情況，造成運輸系統的中斷，一旦出現這種情況，必須立即停止運轉，否則會對整個運輸體系的安全運行造成威脅。帶式輸送機出現打滑現象后，會造成物料的過量堆積，當堆積數量超過一定的閾值，就會對皮帶造成磨損，甚至使電動機發熱、燒毀，影響企業的生產效率，造成經濟損失。造成打滑的主要因素是：皮帶超載、膠帶張緊力不夠、傳動滾筒膠帶磨損、滾筒破損、落料部位大量堵塞等。晉能煤業集團公司下屬煤礦反映，皮帶運輸車在長途運輸中經常發生打滑現象，其原因是拖車的出力比回程皮帶的總阻力小，由此導致滾筒和膠帶的間歇性打滑，打滑將導致傳動滾筒包膠的磨損，使皮帶打滑現象進一步加劇。本文在查閱了國內外相關資料后，提出了解決拖尾及皮帶打滑的技術措施，即采用牽引力傳感器檢測其張力，并根據其張力進行張緊度的實時調整，以避免打滑現象的出現。但是，該技術在調節皮帶時會有一些時間延遲，特別是在拉力調整達到預期效果前，長距離輸送時會出現打滑現象，依然會損壞尾滾筒和膠帶。

針對以上技術問題，研制一種用于皮帶輸送機的拉力測量調整機構，使其能夠對后部的驅動力進行自動調整，以保證其在一定程度上達到返程時的拖曳阻力。同時保證了后滾筒在各種工作條件下的起動和運轉都不會發生打滑。

1 尾部驅動力自動調節裝置組成及工作原理

對滾筒和膠條間的滑動進行了研究和分析發現，造成這種打滑的主要是由于皮帶在回路中的運轉阻力變大，沒有能適時地減小皮帶輸送機的后部電機的速度，從而提高了后部的驅動力。導致皮帶運輸機的后軸傳動滾筒的驅動力比回路皮帶的傳動要小，使滾筒和皮帶間產生滑動。為了解決這種情況，本文提出了在皮帶運輸機的后端安裝一種張緊度檢測調整機構，通過對皮帶的拉力進行即時監測，并依據預設拉力范圍，實現了對電動機速度的實時調整。通過對皮帶輸送機的后部驅動力進行調整，達到速度、張力雙閉環的控制，可降低皮帶輸送機的皮帶發生滑動現象，延長滾筒和皮帶的使用年限。

皮帶運輸機的尾端驅動力自動調整機構主要包括：張緊和監控、反饋控制兩部分。拉伸探測設備是一種安裝在普通皮帶傳送機（見圖1）的后滾筒和上調整滾筒之間的傳送帶，并且被固定在尾箱上（見圖2)，由此可以對皮帶傳送帶在工作期間的傳送帶的拉力進行實時監控，使控制系統能夠更好地對傳動滾筒的旋轉速度進行更精確的控制，然后對皮帶運輸機的驅動力進行了控制。

圖1 普通帶式輸送機尾部結構

圖2 加裝張力檢測裝置的帶式輸送機尾部結構

該監視與反饋饋控制由控制器、變頻器、編碼器及壓力傳感器等組成。利用壓力傳感器，實現皮帶張緊力的實時檢測，并將采集到的壓力數據信號向該控制器發送，并根據所設置的驅動滾筒速度和壓力傳感器的探測值之間的關系，進行電機速度的調節，從而實現對皮帶運行速度的控制。在該控制系統中，增加了編碼裝置，可以實現速度、張力的閉環調節。

在拉力不足時，卷筒、皮帶會發生明顯的打滑現象，控制器在接收到壓力信號時，會降低變頻電流，進一步降低了驅動馬達的轉速，降低了尾軸傳動滾筒的空轉，防止滾筒與皮帶出現無效摩擦，避免了滾筒和皮帶的損壞，提高了滾筒和皮帶的使用年限。在張力逐漸增加的情況下，在收到壓力信號后，會增加變頻電流，進而增加電動機的轉速，從而達到與張力相匹配的目的。

2 張緊檢測裝置的結構設計

本論文研制的張緊測試設備，主要由安裝座、壓力桿、安裝架組成。圖3介紹了張力檢測裝置的結構，關鍵部件為張力檢測滾筒和壓力傳感器。張力檢測滾筒與支架相連，支架與壓力桿連接。壓力連桿的一端鉸鏈連接在鉸鏈支座上（鉸鏈固定在尾箱的頂端）上，壓力連桿的另外一端與壓力傳感器（壓力傳感器被固定在尾箱的頂部）相配合。

圖3 張力檢測裝置結構

本發明的張力檢測設備是在常規皮帶運輸機的后座上安裝的，其輸送帶在轉向滾筒、張力檢測滾筒和后輪驅動滾筒之間，能夠對皮帶輸送帶在運轉期間的張力進行更準確的實時檢測。

3 自動調節尾部驅動裝置控制系統模型

3.1 尾部驅動裝置控制模型

以DTL120 皮帶運輸機為例（見圖4)，它是一種三驅動模式（頭雙驅動，尾部單驅動）。

圖4 DTL120帶式輸送機的三滾筒驅動關系

通過對尾軸Ⅲ段的受力分析，參考《DTⅡ(A)型帶式輸送機設計手冊》，為了保證帶式運輸機的正常工作，對尾軸的應力進行了研究，發現在實際操作中，皮帶的張緊力符合下列要求：

式中：F、F4——皮帶運輸車后部f和e的張緊力；

FU——皮帶運輸機后部傳動Ⅲ上傳動滾筒對膠條的外周驅動力；

μ——傳動滾筒與膠帶之間的摩擦因數；

φ——膠帶在驅動滾筒上的圍包角。

皮帶運輸車的傳動滾筒軸動力計算：

式中：ν——膠帶輸送速度；

P——電機功率；

η——傳動效率；

η′——電壓降系數，一般取0.90～0.95；

η″——多電機驅動不平衡系數，一般取0.90～0.95。

DTL120 帶式輸送機是三滾筒驅動，選用功率為500kW的變頻式永磁電機，傳輸效率η為1，電壓降系數η′取0.93，多電機驅動不平衡系數η″取0.92。本文將摩擦系數的值定為0.35，DTL120 型皮帶運輸機尾軸Ⅲ轉鼓的圍包角φ為205°，則歐拉系數eμφ取值為3.5。通過對上述公式（1）和（2）進行聯立，可以得到壓力傳感器檢測結果和電機轉速之間的對應關系n(P)，其關系式如下：

3.2 自動調節控制算法

首先，要按照礦山的實際需要，對皮帶運輸機進行總體設計，并對其關鍵尺寸進行計算，根據計算的數據進行控制模式的確定。壓力傳感器安裝在張緊測試儀上，對當前皮帶輸送機的壓力進行實時測量，從而得出傳動系統的輸出速度。其次，為防止實時變化的運煤量造成電動機的實時速度調節，建立了一個用于預測的尾端傳動系統的轉速數據模型，并與預測模型的預測值相比較，并給出了一個穩定的轉速。

4 系統運行效果及分析

晉能煤炭集團公司礦井已投入使用裝有尾部驅動力自動調節裝置的帶式輸送機。為進一步檢驗這種自控系統的精確性、反饋調節的及時性和效率，對礦井中帶式輸送機的相關數據進行了長期的采集與分析。本文對從2022 年6 月9 日0：00 到24：00 之間的尾端自動調節裝置所得到的數據進行仿真，其結果在圖5、圖6和圖7中顯示。

圖5 張緊裝置的壓力傳感器實時監測值

圖6 尾部驅動處膠帶遠行過程中實時張緊力模擬圖

圖7 尾部驅動電機轉速監測值

根據圖5、圖6的分析，可以看出，在尾端傳動膠帶上的張力與壓力傳感器的監控數值呈線性關系，能夠精確地、即時地測量皮帶的張緊力，使電機的速度得到更好的調節。通過與圖7的比較和分析，皮帶運輸車的后軸傳動電機的速度是按照皮帶在后輪驅動力的張緊力實時改變而調整的，而且可以在一個特定的時間內調整電機的速度，保證皮帶運輸車的工作穩定和效率。

5 結語

通過對皮帶輸送機滑行的原因進行了分析，通過對匹配電動機的轉速與實際運煤量關系的研究，提出了一種由張力探測和監控反饋控制組成的自動尾軸驅動機構。本論文研制的張緊測試系統，適合于各種皮帶運輸機的尾端傳動機構，能對皮帶的拉力進行實時監測，并根據預設的張力范圍和預設的張力區間，對電機的速度進行實時調整，從而實現對電機的速度和對尾端的驅動力的調整。保證了后部驅動功率與回程膠帶的運轉阻力相等，從而更好地保證皮帶輸送機的工作穩定和效率。本論文所研制的皮帶輸送機的尾端驅動自動調整機構，可以實現皮帶輸送機的速度、張力雙閉環控制，降低系統的失效，保證其在任意運轉狀態下不發生打滑，提高了滾筒和皮帶的使用年限，對減少企業的運營成本具有重要的意義。