帶式輸送機中的張緊模塊設計

摘 要：為了實現帶式輸送機傳送帶張緊力的自動化控制，本文設計了一種新型張緊模塊。在該模塊中，張緊力傳感器用于采集傳送帶張緊力，進而引導控制器驅動同步電機，利用線圈滾筒完成鋼絲繩拉拽，進行傳送帶張緊力自動化調整。在試驗過程中，本文分別測試了配置張緊模塊前、后傳送帶張緊力的變化，證實了張緊模塊對傳送帶張緊力調整的自動化程度和靈敏程度。

關鍵詞：帶式輸送機；張緊模塊；傳感器

中圖分類號：TD 528" " " 文獻標志碼：A

目前，隨著我國經濟快速發展，各種資源的需求規模和需求總量不斷擴大，促進了礦產采掘業的興盛與繁榮。在各種礦井下，為了保證采掘出的礦物能夠及時運出，需要大量使用帶式輸送機[1]。與其他類型的運輸機構相比，帶式輸送機具有比較突出的特點。帶式輸送機的機械結構較簡單，便于在礦井下組裝和安置。帶式輸送機以傳送帶為主要運輸工具，傳送帶平鋪面積大、物料運載效率高[2]。同時，帶式輸送機的結構也易于拓展，在長距離井道內，將多個帶式輸送機配置在一起即可有效完成運輸。在帶式輸送機的各種構成模塊中，傳送帶最重要。只有將傳送帶調整到合理的張緊度，才能更好地完成物料運輸[3]。傳送帶的張緊度過大，可能會導致傳送帶始終處于極限受力狀態，進而發生斷裂。傳送帶的張緊度過小，可能在傳送過程中出現打滑跑偏等問題，無法有效運輸。因此本文設計了帶式輸送機的張緊模塊，以期取得更好的物料運送效果。

1 帶式輸送機的張緊模塊設計

1.1 張緊模塊的結構原理

從機械結構上看，帶式輸送機的張緊模塊一般由絞車、游動小車、儲帶滾筒、張緊滾筒、鋼絲繩、滑道和伸縮片等部分組成。其中，伸縮片為6～8組，每組長度為2m～3m，輸送帶經過機頭卸載滾筒、改向滾筒、張緊滾筒以及儲帶滾筒后到達尾部滾筒。張緊滾筒與游動小車連接，游動小車安裝于滑道上，并由鋼絲繩與絞車連接。游動小車與絞車間采用雙組鋼絲繩連接，當絞車正向轉動時，可使游動小車后移并拉緊輸送帶；當絞車反向轉動時，可使游動小車前移并進行松帶。絞車功率較大，一般固定安裝在機頭前部。

當巷道掘進到位，需要對帶式輸送機進行拉尾時，利用絞車開關反向按鈕，使絞車反向轉動，游動小車在絞車帶動下前移，并對輸送帶進行松帶處理，然后對輸送機進行拉尾。拉尾到位后，利用按動絞車開關正向按鈕，使絞車滾筒正向轉動。游動小車在滾筒和鋼絲繩帶動下后移。后移過程中輸送帶被拉緊，當輸送帶張緊到合適張緊度時停止絞車轉動，并鎖止游動小車位置。

在現有的帶式輸送機中，張緊模塊普遍存在3個缺點。1） 自動化水平低。游動車張緊裝置主要利用人工開啟絞車并進行松帶、緊帶，需要多人配合張緊施工，裝置自動化水平低，人工張緊勞動作業強度大。2） 安全系數低。帶式輸送在拉尾過程中需要由絞車、游動小車對輸送帶進行松帶，松帶時需要人工拖拽張緊鋼絲繩，因此在拖拽過程中很容易發生鋼絲繩傷人事故。同時，隨著張緊力增大，游動小車與軌道間容易發生脫軌事故，張緊裝置安全性差。3） 張緊精度低。當原張緊裝置對輸送帶進行張緊時，主要采用人工判斷張緊度，張緊完后，輸送帶無法根據帶式輸送機運輸物料質量和輸送帶空載、重載狀態自動調整輸送帶張緊度，裝置張緊自動化水平低。

1.2 張緊模塊的結構設計

針對帶式輸送機中張緊模塊普遍存在的問題，本文進行了張緊模塊結構設計，設計結果如圖1所示。

在本文的張緊模塊中，張緊筒直接和傳送帶接觸，二者間的接觸距離決定了張進度的調整幅度。同步永磁電機利用控制器帶動線圈滾筒旋轉，線圈滾筒上纏繞的鋼絲繩會隨著線圈滾筒的旋轉拉伸或松弛。鋼絲繩分別從底端和上端連接到張緊筒，再分別配合2組固定滑輪形成調動。鋼絲繩上配置張力傳感器，可以測量張緊度。

從上述結構設置可以看出，本文設計的張緊模塊具有2個特點。第一，該模塊配置了專門的張緊力傳感器，對傳送帶的張緊度具有更高的分辨率，可以更靈敏地發現傳送帶是否處于合理的張緊狀態。第二，當傳感器測得張緊度不合理時，可以利用電機和控制器進行自動調整，避免人工調整的煩瑣和不及時。本文張緊模塊中的張緊力傳感器、同步電機的相關參數配置見表1。

本文主要根據張緊力傳感器和同步電機的設計要求和其中的各項技術指標進行張緊模塊的設計。一方面，需要保證張緊模塊在功能上滿足使用需求，例如，需要達到傳感器對張緊力的靈敏度指標要求和同步電機對額定功率的指標要求。另一方面，需要滿足安全性需求。例如，為了保證張緊力傳感器在不同環境下的工作適應性，應在大跨度溫度范圍內測試其工作狀態，保證其在低溫和高溫環境下均能正常使用，滿足帶式輸送機在不同場合下的工作需要。

1.3 張緊傳感器的配置

在帶式輸送機張緊模塊的結構中，張緊力傳感器具有核心作用，也是能夠實現傳送帶張緊度自動控制的關鍵所在。張緊力傳感器放置于拽拉張緊筒的鋼絲繩的起始段，可以有效感知張緊筒與傳送帶間的接觸程度，即傳送帶張緊力的大小。在實際使用中，為了達到自動控制和調整傳送帶張緊度的效果，本文事先設定好張緊力的閾值范圍。例如，將張緊力下限閾值設為B、上限閾值設為A。傳感器采集的張緊力如果小于下限閾值B，那么控制器就會使線圈滾筒逆時針旋轉，從而拉緊鋼絲繩，縮短張緊筒與傳送帶間的距離，增加二者間的張緊力。如果傳感器采集的張緊力大于上限閾值A，那么控制器就會使線圈滾筒順時針旋轉，從而放松鋼絲繩，增大張緊筒與傳送帶間的距離，減少二者間的張緊力。張緊力傳感器的局部配置情況如圖2所示。

本文還對張緊力傳感器的結構進行了特殊配置。與張緊筒連接的鋼絲繩將張緊力大小作為輸入傳送至傳感器內部。該輸入會使應力器和張力彈簧發生變化，進而由螺栓接口將張緊力是否合適反饋到整個張緊模塊的控制中樞。

1.4 張緊模塊的控制框圖

根據本文的設計結果可知，帶式輸送機的張緊模塊涉及多個單元，其控制過程也比較復雜。本文的張緊模塊總體控制框圖如圖3所示。

張緊模塊的控制系統隸屬于帶式輸送機的總控系統，主要用于執行張緊模塊的控制任務。為了便于編寫控制程序，本文采用模塊化的PLC為主要控制器。PLC能夠進行頻率級別的控制，其目的是利用頻率調整永磁同步電機的控制時序，以取得理想的轉速控制效果。同步電機又可以對線圈滾筒進行精確控制，從而合理調整鋼絲繩，并控制張緊筒和傳送帶間的接觸，進而對傳送帶張緊度進行合理控制。在該過程中，鋼絲繩和張緊筒間的張緊力傳感器具有至關重要的作用，也是張緊模塊PLC控制系統的重要參考指標。制動器的配置需要考慮緊急情況下的制動處理，避免鋼絲繩折斷等。

2 帶式輸送機張緊模塊的性能測試

本文針對帶式輸送機傳送帶張緊程度控制不靈敏、控制過程自動化程度低等問題，設計了一款張緊模塊。這款張緊模塊利用傳感器采集鋼絲繩上的張緊力，進而對張緊滾筒進行調整和控制。除了張緊模塊結構設計，本文還對傳感器和控制系統進行了詳細設計。下文將采用性能測試試驗，檢驗張緊模塊的設計效果。

第一組試驗，觀察沒有采用本文張緊模塊的常規帶式輸送機傳送帶張緊力的變化情況，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，傳送帶張緊力的觀察范圍為1000N～

5000N，觀察的實踐窗口設為0s～50s。帶式輸送機開始工作后，隨著運行時間不斷增加，張緊力的滾筒和傳送帶表面間的接觸面積不斷變大，導致傳送帶的張緊力持續下降。體現在圖4中的曲線上，傳送帶張緊力從最初的4800N開始不斷下降。帶式輸送機運行50s后，傳送帶張緊力已經降至2000N以下。可見，常規帶式輸送機無法對傳送帶張緊力進行有效調整和持續控制，只能采用人工方式進行調整。

第二組試驗，在帶式輸送機上配置本文的張緊模塊，對傳送帶張緊力進行自動調整，再次觀察傳送帶張緊力的變化情況，如圖5所示。

從圖5可以看出，從監測時刻開始，傳送帶的張緊力約為3300N，并且不斷下降。當張緊力低于3000N這個設定的閾值以后，張緊力傳感器迅速捕捉到該信息，并通知張緊模塊的控制系統，啟動張緊力的自動調整。控制系統不斷拉緊鋼絲繩，傳送帶的張緊力得到恢復，并在28s附近達到峰值。此時超出了4000N這個上限閾值，傳感器再次捕捉到該信息，控制系統逐漸將張緊力調小。最終傳送帶的張緊力穩定在4000N，使傳送帶保持最佳的運輸效率。

3 結論

帶式輸送機的結構易于拓展，在長距離井道內，只需要將多個帶式輸送機配置在一起即可有效完成運輸。在帶式輸送機的各種構成模塊中，傳送帶最重要。只有將傳送帶調整到合理的張緊度，才能更好地完成物料運輸。傳送帶的張緊度過大，可能會導致傳送帶始終處于極限受力狀態，進而發生斷裂。傳送帶的張緊度過小，在傳送過程中可能會出現打滑跑偏等問題，無法有效運輸。本文進行了帶式輸送機張緊模塊的設計，該模塊配置了張緊力傳感器和控制系統，可以進行傳送帶張緊力自動化調整。

參考文獻

[1]毛君，陳迪，陳洪月.帶式輸送機不停機托輥更換車結構設計及特性分析[J].機械設計，2024，41（1）：125-133.

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[3]吳鵬龍.鋁土礦綜采工作面連續導向帶式輸送機替換傳統刮板輸送機工業性試驗[J].世界有色金屬，2023（3）：49-51.