帶式輸送機張緊力控制機構的設計分析

韓光華

（中鼎國際工程有限責任公司，江西 南昌 330096）

作為煤礦開采過程中的重要運輸工具，帶式輸送機不僅結構簡單、載重量大、運輸距離長，而且維修保養也很簡單，因此在煤礦井道長距離轉運過程中被廣泛應用。近些年，隨著我國煤礦開采技術的不斷革新，煤炭開采效率也得到顯著提高，所以對帶式輸送機在運輸穩定性以及運輸效率方面的要求更高。為了有效提高我國帶式運輸機的運輸能力，特意在20世紀80年初期進行了輸送帶液壓張緊裝置的引進，經過多年研究、創新，我國的自主研發的張緊裝置具有穩定性高、智能化程度高等優點。除此以外，因為輸送帶所需張緊力具有時變性、非線性等變化特點，所以在該裝置在動態穩定性方面的要求極高，本文特對此進行重點研究。

1 帶式輸送機摩擦傳動原理

1.1 輸送帶受力分析

帶式輸送機的機械組成主要分為五大部分：第一部分驅動滾筒；第二部分轉向滾筒；第三部分托輥；第四部分輸送帶；第五部分支架。其中，轉向滾筒以及驅動滾筒的主要作用就是纏繞輸送帶，輸送帶的松緊程度可以通過量轉向滾筒和驅動滾筒之間的距離進行調節。當輸送機處于停止狀態時，滾筒兩端的輸送帶具有相等的張力；當輸送機處于正常工作狀態時，輸送帶受力情況如圖1所示，在與驅動滾筒相遇點A處輸送帶張力增大，而在與驅動滾筒分離點B 處輸送帶張力減小，所以纏繞在驅動滾筒上的輸送帶上端緊，下端松。

如圖1 所示，輸送帶處于圓弧段摩擦包角部分，將其假設為撓性體，并且不承受任何彎曲應力，此外要將分離點、相遇點處輸送帶所受張力分別假設為T和T+dT，輸送帶在滾筒兩點處支反力假設為dTN，那么此段輸送帶實際受力情況如下所示：

式中：θ——輸送帶上研究點和起始點所形成包角度數；

μ——驅動滾筒和輸送帶接觸部分摩擦系數。

對方程組（1）進行求解，并將T（θ=0）=T2邊界條件代入方程，可計算出包角圓弧上輸送帶所受張力T：

1.2 摩擦驅動力計算

假設驅動滾筒和輸送帶兩者之間所形成的包角角度為λ，那么相遇點處所受張力計算公式如下所示：

則輸送帶在驅動滾筒上所受摩擦力F表示式如下所示：

從上述公式可知，有三種方式可以提高輸送帶運輸驅動力。第一種是加大輸送包角；第二種是增大滾筒與輸送帶之間摩擦系數；第三種是增加輸送帶張力。其中，增加輸送帶張力主要就是通過張緊力控制機構來實現的[1]。

2 張緊力控制機構的作用

張緊力控制機構在帶式輸送機中所起作用主要表現在以下5個方面：

（1）在與驅動滾筒接觸處為輸送帶提供了充足的張緊力，從而避免因張緊力過小導致輸送帶打滑現象發生。

（2）在托架中間處為輸送帶提供了充足的張緊力，從而避免因輸送帶松弛過大導致煤料拋灑的現象發生。

（3）通過改變張緊力大小可對輸送帶拉伸變形進行補償，或者是對輸送帶蠕變變形進行補償。

（4）輸送機無論是在啟動狀態，還是在停止狀態，都會因慣性作用而使輸送帶承受載荷沖擊，此時可通過改變張緊力來減小載荷沖擊影響。

（5）為輸送帶提供完足夠的行程以便進行皮帶拼接操作。

3 張緊力控制機構設計方案

3.1 機構組成

為了確保張緊行程以及張緊力的充足，同時還要避免突變與沖擊現象的發生，因此張緊力控制機構是借助液壓缸和張緊絞車相結合方式進行設計的。其組成結構可分為三部分:第一部分是機械系統；第二部分是液壓控制系統；第三部分是電氣控制系統。由圖2可知，機械系統的構成主要包含鋼絲繩、移動小車以及拉進絞車等；液壓系統的構成主要包含制動器、液壓馬達以及緩沖油缸等；電氣控制系統的構成主要包含電氣檢測裝置以及電控站等。

液壓馬達通過電控站程序控制扭矩轉速輸出，驅動絞車運行，通過鋼絲繩纏繞收緊，以此確保移動小車動作，從而對輸送帶張緊力進行改變，除此以外，液壓控制系統還能對張緊力載荷沖擊進行吸收，從而確保整個張緊系統的穩定[2]。

3.2 關鍵零部件選型

（1）PLC 控制器。作為電氣控制系統的重要組成部分，本控制系統所采用的PLC 控制器為西門子57-200 控制器，其處理器型號為CPU 226AC/DC/RLY，不僅編程操作簡單，而且邏輯運算等功能也得到有效實現。

（2）電液比例溢流閥。作為液壓控制系統的重要組成部分，電液比例溢流閥不僅可以對液壓溢流壓力進行調節，還可以對液壓馬達的扭矩輸出進行調節，從而對輸送帶的松弛程度進行調節。按照控制系統需求，本次所選電液比例溢流閥型號為E-BG-10，不僅具有較大的調節范圍，而且對液壓油的干凈程度要求也很低。

（3）拉力傳感器。能夠對系統張緊力進行實時檢測，因為系統張力檢測值會對電氣控制系統產生影響，所以對拉力傳感器的檢測性能要求提出了更高要求。因此本系統所采用的傳感器、壓力變送器型號分別為LD206、LD920。

3.3 張緊力控制工作原理

張緊力控制系統控制模式主要包括兩種，其如下所示。

3.3.1 自動控制模式

（1）啟動。啟動電氣控制箱后，電氣控制系統首先要對當前系統張緊力進行檢測，假如報警值大于張緊力值，那么電氣控制系統會自動判斷系統存在故障，機器停止運轉；假如報警值小于張緊力值時，那么液壓泵就正常啟動，給液壓缸進行沖液，調整電液比例溢流閥溢流壓力，與此同時打開液壓抱閘，液壓馬達進行扭矩輸出拉緊鋼絲繩，當張緊力檢測值達到正常值1.5倍左右，電氣控制系統就會自行判斷設備滿足啟動條件，然后讓液壓馬達關閉，開啟刮板運輸機進行運轉。

（2）加速至穩定運行。刮板運輸機由加速狀態進入穩定運行狀態時，通過電液比例溢流閥將壓力調至正常值，電磁閥切換方向，馬達驅動絞車使鋼絲繩松弛，直到張緊力恢復到正常值，液壓抱閘動作鎖死，電磁換向閥保持在中位，系統運行狀態開始保持穩定。

（3）正常運行和保壓階段。在正常運行狀態，當輸送帶發生張緊力波動時，PLC 控制器會實時獲取張緊力檢測值，當波動檢測范圍超過10%設定值時，系統就會通過電磁換向閥控制絞車正反轉，從而對輸送帶的松弛程度進行調節，直至預緊力恢復到正常狀態為止，隨后電磁換向閥復位。

（4）制動停機階段。當停機信號發出后，電氣控制系統通過電液比例溢流閥將系統壓力調至停機狀態，電磁換向閥開始控制絞車運轉讓鋼絲繩松弛，直到輸送帶張緊力減小至停機值為止，隨后電磁換向閥復位，輸送機停機保持穩定。

3.3.2 手動控制模式

在進行帶式運輸機檢修時，所有液壓系統動作都必須通過手動控制模式進行調整。

4 系統應用優勢

（1）與傳統張緊方式相比，本文所采用的張緊方式不僅具有更大的張緊行程，同時輸送帶的張緊調節范圍也更大。

（2）能對張緊力進行實時檢測，并將檢測結果及時反饋給PLC 控制器，對輸送帶張緊程度調節提供了堅實基礎。除此以外，還能根據設備實際運行狀況對張緊力進行精確控制，從而使輸送帶的磨損消耗得到有效降低。

（3）在帶式輸送機開啟或者緊急制動工況下，因為本系統采用的是液壓缸和張緊絞車相結合的方式設計的，所以可以通過液壓系統對載荷沖擊進行吸收，從而保證張緊系統的穩定。

（4）當斷帶故障發生時，電控系統會及時接收檢測系統反饋的斷帶信號，系統將張緊絞車抱閘鎖死，與此同時，液壓系統會將載荷慢慢卸載，從而減小斷帶故障對張緊系統的損傷破壞[3]。

5 結論

為了使帶式輸送機的穩定性以及工作能力得到有效提高，首先本文對輸送帶工作原理進行詳細分析，結果表明張緊力的增大對帶式輸送機驅動力的提高起著至關重要的作用，其次對張緊力控制機構補償輸送帶拉伸變形、降低料拋次數以及抑制皮帶打滑等作用進行分析，并以此基礎，對張緊力控制機構的工作原理以及部件組成進行重點研究，結果表明，此張緊機構在增加張緊行程、節約設備成本以及減小收載荷沖擊等方面都具有明顯優勢，所以值得面向社會推廣應用。