帶式輸送機拉緊裝置的設(shè)計與應(yīng)用研究

薛三年

(山西西山白家莊礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 太原 030022)

0 引言

與汽車運輸相比，長距離大功率帶式輸送機的投資和維護(hù)成本低，目前廣泛應(yīng)用于礦山、港口、建材等行業(yè)。與國外機械工業(yè)強國相比，目前我國的長距離大功率帶式輸送機在設(shè)計、生產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)方面還有一定差距。為了防止皮帶發(fā)生打滑，提高輸送機滾筒的摩擦力，帶式輸送機一般都配套拉緊裝置，我國對拉緊裝置的研究和應(yīng)用起步較晚，在理論設(shè)計和生產(chǎn)實際中都缺乏經(jīng)驗，因此，研究帶式輸送機拉緊裝置及其控制系統(tǒng)具有重要意義。

1 帶式輸送機拉緊裝置概述

帶式輸送機拉緊裝置是一種集機械技術(shù)、液壓技術(shù)和自動控制技術(shù)于一體的裝置，在設(shè)計初期需要充分考慮其布置、安裝、結(jié)構(gòu)和工作原理等因素。

1.1 布置原則

通過查閱帶式輸送機相關(guān)文獻(xiàn)和技術(shù)資料，結(jié)合運行維護(hù)工作中的經(jīng)驗，在布置拉緊裝置時需考慮以下幾個基本原則：①拉緊裝置最好接近驅(qū)動裝置即主動帶輪一段，以保證驅(qū)動裝置附近的皮帶張力保持不變，這是因為拉緊裝置遠(yuǎn)離驅(qū)動裝置布置時會受到加速度的影響，從而不能滿足驅(qū)動裝置附近的最小張力；②拉緊裝置最好布置在皮帶張力最小處或松邊處；③確定拉緊行程時將皮帶接頭長度考慮在內(nèi)，確定張力大小時將輸送機各種運行工況考慮在內(nèi)。

1.2 安裝位置

在長距離、大運量和不同工況影響下，拉緊裝置的安裝位置顯得尤為重要。例如在電機啟動和制動時，理想的過程應(yīng)是平滑而緩慢的加速過程，若拉緊裝置不能配合電機的速度變化而動態(tài)調(diào)整皮帶的張力，則皮帶極易發(fā)生變形而影響設(shè)備的穩(wěn)定性。圖1為帶式輸送機拉緊裝置安裝位置示意圖，由于帶式輸送機的坡度超過5%且運輸距離超過300 m，因此，拉緊裝置安裝在主動帶輪的空載側(cè)，其配合主動帶輪減小張力變化的效果最好。

圖1 帶式輸送機拉緊裝置安裝位置示意圖

1.3 結(jié)構(gòu)劃分

本文研究的帶式輸送機拉緊裝置主要包括三部分：機械部分、液壓部分和電控部分。機械部分主要包括絞車、拉緊油缸、道軌、滑輪、鋼絲繩等。液壓部分包括蓄能器、截止閥、壓力繼電器、溢流閥和定量泵等。電控部分包括傳感器和電控箱等。

1.4 工作原理

皮帶的張力通過安裝在鋼絲繩上的拉力傳感器進(jìn)行采集，然后與給定張緊力進(jìn)行比較，經(jīng)電壓比較電路處理后的電壓信號經(jīng)過脈沖頻率處理后發(fā)給控制器。控制器對脈沖頻率信號和帶式輸送機的工作狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷并發(fā)出控制信號，控制信號通過繼電器和磁力啟動器驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)或制動，電機正轉(zhuǎn)則拉緊油缸拉伸，張力變大；電機反轉(zhuǎn)則拉緊油缸縮回，張力減小。

2 拉緊裝置液壓系統(tǒng)分析

2.1 結(jié)構(gòu)和工作原理

圖2為拉緊裝置液壓系統(tǒng)原理圖，在帶式輸送機啟動階段和穩(wěn)定運行階段，拉緊力的控制方式不同。啟動階段，電磁閥打開，當(dāng)油泵中的液壓油進(jìn)入后，電控箱發(fā)出電機啟動信號；定量泵在電機帶動下將前腔充滿液壓油，從而在活塞上產(chǎn)生壓力，溢流閥的作用是限制張力上限，蓄能器的作用是緩沖皮帶張力的波動，吸收外部干擾引起的松邊伸長量。運行階段，油泵電機不工作，該裝置的拉緊力由電控系統(tǒng)控制，電控系統(tǒng)通過拉力傳感器采集的數(shù)據(jù)，判斷此時所需張緊力，從而控制液壓系統(tǒng)動作產(chǎn)生給定張緊力;壓力繼電器的作用是保證張緊力在控制范圍內(nèi)，壓力繼電器能控制電磁閥，進(jìn)而控制液壓回路，當(dāng)壓力超過上限時，壓力繼電器關(guān)閉油泵電機，張緊力減小，當(dāng)壓力低于下限時，壓力繼電器打開油泵電機，張緊力增大。

圖2 拉緊裝置液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 液壓系統(tǒng)的連接方式

液壓系統(tǒng)的連接采用高壓膠管，高壓膠管是一種專門輸送有一定溫度和壓力液體的管路，具體的連接方式如圖3所示。液壓泵站通過一根長膠管與一根短膠管分別與蓄能站和油缸有桿腔接頭座連接，然后通過另一根膠管連接到無桿腔接頭座，這樣液壓泵站與蓄能站、油缸的連接就完成了。液壓泵站通過一根長膠管與馬達(dá)泄油口連接，絞車與液壓泵站的連接分別使用兩根長膠管，一根連接“絞車正轉(zhuǎn)”接口，另一根連接絞車反轉(zhuǎn)接口。

圖3 液壓系統(tǒng)各部件連接示意圖

2.3 主要元件選型

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能的執(zhí)行元件，其性能的好壞直接決定了拉緊裝置的質(zhì)量和使用壽命。液壓系統(tǒng)中各類型閥的應(yīng)用很多，如液控單向閥、電磁溢流閥、三位四通電磁換向閥、卸荷溢流閥等均在不同場合發(fā)揮各自作用，應(yīng)根據(jù)不同工作特性進(jìn)行選型。除液壓缸和閥之外，液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元件還有電機、泵和拉力傳感器等。表1給出了本文研究的液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件選型。

表1 液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件選型表

3 拉緊裝置電控系統(tǒng)分析

電控部分主要是指電控箱，它是整個裝置的關(guān)鍵部件，主要的電氣元件有可編程控制器(PLC)、繼電器、斷路器和電源模塊等。其工作原理為：上位機的啟停等控制信號發(fā)送給PLC，PLC根據(jù)控制信號和鋼絲繩上采集的拉力信號，判斷此時絞車是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。可編程控制器PLC是拉緊裝置電控系統(tǒng)的核心，根據(jù)裝置所需采集信號的輸入量和控制信號輸出量選擇適合本系統(tǒng)的PLC型號。一般PLC選擇需要考慮輸入和輸出端口的改進(jìn)和維修裕量、數(shù)據(jù)存儲容量、通訊接口等，本文選擇西門子公司生產(chǎn)的S7-200，這款PLC采用CPU224XP，具有14路數(shù)字輸入接口、10路數(shù)字輸出接口、2路模擬信號輸入通道和1路模擬信號輸出通道。

CPU224XP的外部接線圖如圖4所示，系統(tǒng)采用交流220 V、直流24 V電源進(jìn)行供電，圖中未連接的端口可以用于功能擴展和升級。

圖4 CPU224XP的外部接線圖

拉緊裝置的PLC程序通過STEP7開發(fā)環(huán)境梯形圖進(jìn)行編制，軟件編寫的具體步驟為：首先實現(xiàn)程序化模塊，包括主程序模塊、手/自動模塊、加熱器和冷卻器模塊、各類型控制模塊等，然后結(jié)合輸入輸出量編輯拉緊裝置的變量表，根據(jù)流程圖編制程序塊中的梯形圖，最后編制通信和硬件組態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

4 應(yīng)用特點

拉緊裝置在帶式輸送機應(yīng)用中表現(xiàn)出如下特點：

(1) 啟動特性好。帶式輸送機的皮帶、拉緊油缸和拉力傳感器形成一個有機的整體，皮帶的張力可以適度調(diào)節(jié)，特別是在啟動階段，拉緊裝置可使皮帶拉緊1.4倍左右，避免打滑錯位。

(2) 響應(yīng)快。在外部負(fù)載波動、電機啟停階段和機尾移動等過程中，皮帶上的張力不斷振蕩，拉緊裝置能夠快速調(diào)節(jié)張力，減少“打帶”和“斷帶”故障。

(3) 遠(yuǎn)程控制。拉緊裝置的電控系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口可實現(xiàn)與皮帶機集控系統(tǒng)的連接，方便地面工作人員進(jìn)行皮帶機狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。

(4) 提高了皮帶機各部件使用壽命。運行時皮帶的張緊力保持在一定范圍內(nèi)，避免了皮帶的快速老化，降低了托輥的損壞率，使皮帶機的故障率和維護(hù)成本降低。

5 結(jié)束語

目前國內(nèi)的帶式輸送機液壓絞車自動張緊裝置的動態(tài)響應(yīng)不佳，皮帶張力不能及時調(diào)整，容易造成皮帶過緊或過松等情況，嚴(yán)重時還會拉斷皮帶。本文研究的拉緊裝置在恒張力控制方面表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能，皮帶上的張緊力能夠隨著皮帶運輸機運行狀態(tài)或負(fù)載的變化而進(jìn)行及時調(diào)整，避免了皮帶打滑現(xiàn)象的發(fā)生。