長距離運輸帶式輸送機張緊力控制裝置設計應用*

李梅香

(山西焦煤西山煤電機電廠, 山西 太原 030053)

0 引 言

帶式輸送機是目前最有效的輸送設備之一,它廣泛應用于煤礦、港口、冶金和電廠等企業。目前,帶式輸送機正向著大運距、大運量、大傾角等多元化方向發展。張緊裝置是帶式輸送機的重要組成部分,其對輸送機的平穩啟動和正常運行起著極其重要的作用。隨著我國礦井開采范圍以及產量不斷提升,高功率帶式輸送機因其高運速、大運量以及長距離特點而在煤礦井下應用不斷增加[1]。然而,帶式輸送機易受到煤炭生產條件、使用環境等因素影響,其輸送帶張力容易出現較大波動并產生一定的伸縮量,嚴重時帶式輸送機還會出現打滑。

基于此,筆者針對帶式輸送機啟動、運行以及停機等過程進行分析,通過配備張緊裝置并采用變頻器、異步電機來實現張緊力調節,最終達到提升帶式輸送機運輸可靠性的目的[2]。

1 變頻張緊裝置設計

1.1 變頻張緊裝置結構組成及原理

為滿足帶式輸送機啟動和正常運行狀態下所必須的足夠張力和行程,使系統便于調節和控制,設計了帶式輸送機變頻張緊裝置結構,該結構包括控制柜、監測單元、機械傳動單元、張緊小車等,如圖1所示。

圖1 變頻張緊裝置結構示意圖

控制柜內部變頻器、PLC 等是張緊力控制系統的核心控制單元,其主要功能是與其他設備進行信息通信。機械傳動單元主要包括變頻電機(帶編碼器)、減速器、機械制動器、儲纜滾筒等,變頻電機端頭編碼器將信號傳輸至變頻器,從而使得變頻器控制模式變為矢量控制;機械制動器處于常閉狀態,PLC 控制電磁鐵通電后可將其打開;監測單元依靠張緊傳感器監測鋼絲繩張緊力信號并將信號傳輸給 PLC,張緊小車沿軌道前后移動,實現張緊力調整。具體張緊控制過程如下。

(1) 啟動準備階段。啟動前,集控中心向張緊裝置發出啟動準備指令,變頻器啟動、機械制動打開,電機驅動儲纜滾筒轉動收緊鋼絲繩直至輸送帶張緊力達到預先設定值;此后驅動絞車始終處于張緊力控制狀態,并向控制中心發出反饋信號[3]。

(2) 正常啟動階段。帶式輸送機啟動時,上部輸送帶從機頭(驅動滾筒)向機尾運動、下部輸送帶從機尾向機頭運動,運動時間根據輸送帶鋪設長度決定,耗時在幾秒到幾十秒不等。帶式輸送機啟動初期,輸送帶張力會明顯降低,因此要使變頻電機快速響應以驅動儲纜滾筒轉動回收鋼絲繩,使得輸送帶張緊力恢復至啟動張緊力。

(3) 正常運行階段。正常運行階段,輸送帶需要的張緊力明顯小于啟動階段,因此在帶式輸送機正常啟動后,變頻電機會緩慢反轉、張緊小車會緩慢牽引,輸送帶張緊力預先設定斜率緩慢降低,直至張緊力降至運行張緊力;此時機械制動開啟、制定彈簧鎖住絞車,變頻電機及變頻器停止工作并處于待機狀態。

(4)動態調整階段。帶式輸送機運行期間,輸送帶張緊力會隨著運輸載荷、外界環境等變化而改變。張緊力可通過張力傳感器進行實時監測,當超過規定閾值上限或者下限時,張緊裝置在控制柜作用下動作,確保運行張緊力始終在規定范圍內[4]。

(5)停機階段。帶式輸送機停止運行后,變頻電機緩慢反轉、張緊小車沿著軌道緩慢前移,直至帶式輸送機張緊力降至0。

1.2 張緊裝置結構分析設計

1.2.1 電機參數的確定

張緊裝置是帶式輸送機的重要配套設備,張緊裝置需要根據帶式輸送機運行情況合理確定最大張緊行程L、最大張緊力F。張緊裝置應依據L、F合理確定內部元器件以及運行參數,張緊裝置電機參數選擇流程如圖2所示。

圖2 張緊裝置電機參數選擇流程

張緊裝置選用的電機額定轉速n=1 450 r/min,依據張緊最大行程L、啟動時間t可確定張緊裝置運行速度v;通過電機轉速n、儲纜滾筒最小半徑r,可對機械傳動機構傳動比i進行計算,具體公式為i=nr/v;根據最大張緊力F、儲纜滾筒最大半徑R,可對電機扭矩T進行計算,具體公式為T=FR/i;為確保張緊裝置運行安全,給定一個安全系數Sa,則確定的電機額定轉Tm=TSa,通過上述參數即可確定選用的電機功率[5]。

1.2.2 張緊裝置控制張力變頻調節

張緊裝置對張力變頻的調節可通過變頻器對電機運行的矢量控制調整來實現,具體如圖3所示。

圖3 變頻器矢量控制示意圖

長距離帶式輸送機慣性大且輸送帶具備黏彈性特征等問題,因此在啟動過程中輸送帶張力峰值較高。為確保帶式輸送機具備較好的靜、動特性,文中采用的張緊裝置應依據現場運行工況確定張緊力控制策略,各運行工況下張緊力給定情況如圖4所示。

圖4 各工況下張緊力調整示意圖

(1) 啟動過程。輸送帶彈塑形變形發生在啟動過程中,只有給輸送帶提供足夠的牽引力才能避免輸送帶打滑,張緊裝置應施加較大的張緊力Fs;在t1時刻啟動時,輸送帶在驅動滾筒分離點后方變得松弛,當張緊力小于啟動張緊力下限Fsd時,張緊裝置在張緊力實際值Fs0位置開始按照斜率K1迅速增加,使得張緊力可快速增加至啟動張緊力Fs。張緊裝置在啟動階段可對輸送帶進行補償,避免出現打滑或者重載無法啟動等問題[6]。

(2) 工作狀態調整階段。帶式輸送機完成啟動后進入到正常運行階段,此階段驅動裝置主要用來克服各組成部件的摩擦力,使其不會受到慣性力作用。因此,可適當降低張緊力以減少設備磨損,提升帶式輸送機使用壽命。張緊裝置將張緊力由Fs按照斜率K2降至Fr。

(3) 正常運行張緊力控制。正常運行階段,張緊力控制在Fr±10%Fr范圍內,運行期間張緊力上限及下限分別為Fru、Frd。張緊力在正常范圍內時,張緊裝置始終處于待機狀態;若實際張緊力超過設定上限或者下限時,則按照斜率K2將張緊力調整至Fr,此后張緊裝置繼續待機[7]。

2 現場應用效果

在西山煤電官地礦 3203 運輸大巷構建試驗平臺,對張緊裝置應用效果進行分析。3200 運輸大巷鋪設的帶式輸送機運輸長度達到3 500 m,輸送帶寬度為 1 200 mm。以往帶式輸送機采用重錘張緊方式,其張緊力保持不變且張緊量較小,帶式輸送機在重載啟動時易出現打滑情況且輸送帶磨損較為嚴重。安裝張緊裝置后,帶式輸送機始終保持平穩運行,張緊裝置可依據帶式輸送機運行工況自動調整張緊力,其在滿足原煤運輸基礎上可減少輸送帶、托輥以及滾筒等設備磨損;同時張緊裝置張緊力調整響應時間為2.5 s以內,應用期間未出現控制張緊力超調問題,現場取得較好應用效果[8]。

3 結 語

文中對張緊裝置結構組成、運行原理進行分析,給出電機關鍵參數選擇流程以及張緊力控制方法。構建的張緊裝置結構簡單,設備性能穩定且便于后續維護。張緊裝置可根據帶式輸送機運行工況自動調整張緊力,在啟動階段施加較大的張緊力、張緊量,以補償啟動期間長距離輸送帶的彈塑性變形,避免出現打滑或者重載啟動困難問題;在正常運行階段,張緊裝置可將張緊力保持在合理范圍內,既可滿足運輸需求又可減少設備磨損及能耗。官地礦3203運輸大巷帶式輸送機應用表明,該張緊裝置運行平穩,可滿足帶式輸送機長距離運輸啟動以及正常運行需要,應用期間未出現重載啟動困難或者打滑等問題。