皮帶機智能張緊裝置的應用研究

李建芳

（晉能控股裝備制造集團金鼎山西煤機有限責任公司皮帶機制造分公司， 山西 晉城 048000）

引言

皮帶機是利用滾筒驅動輸送帶進行物料傳輸的設備，具有結構簡單、傳輸效率高、經濟性好的優點，輸送帶在運行過程中需要保持一定的張力才能進行有效的運轉。由于輸送帶具有黏彈性特性，在運行過程中若出現載荷沖擊現象，沖擊力在輸送帶內將依次傳輸，從而導致輸送帶在部分區域的松弛、打滑、跑偏，特別是隨著大運量、長距離、高帶速皮帶機的不斷應用，這種現象表現得更明顯，因此在皮帶機系統上都設置有液壓張緊裝置，用于對輸送帶的張緊力進行調節，保證在運行過程中的可靠性[1]。

目前常用的液壓張緊裝置控制結構復雜、張緊系統反饋速度慢，無法有效解決輸送帶長度變化時導致的響應速度慢、控制精度差的不足，因此本文提出了一種新的皮帶機智能張緊裝置，該張緊裝置采用了永磁變頻電機驅動控制，響應速度快、控制精度高，能夠滿足皮帶機在不同工況下的制動要求。

1 皮帶機永磁變頻張緊裝置

為了滿足皮帶機在不同工況下的制動需求，本文所提出的皮帶機永磁變頻張緊裝置結構如圖1 所示[2]。

由圖1 可知，在運行過程中由張力傳感器對輸送帶的運行張力進行實時監測，并將監測結果傳輸到控制箱內，控制系統根據監測結果和皮帶機的運行狀態，對當前張緊力的合理性進行分析，根據分析結果確定系統的調整量，然后輸出控制信號給變頻控制裝置，變頻控制裝置控制永磁電機的運行，實現對輸送帶張緊力的快速調整。

圖1 皮帶機永磁變頻張緊裝置結構

為了提升系統的控制精度，該控制系統采用了內外環雙級控制結構，其采用矢量控制模式能夠對電機的定子電流進行解耦，完成對磁場和電磁轉矩的分別控制，從而確保在調節過程中的控制穩定性。

2 多狀態下智能張緊裝置控制邏輯

皮帶機在運行過程中的運行狀態不同，其對張緊裝置的要求也不同，根據皮帶機的運行情況，可將其分為啟動階段、穩定運行階段及制動階段，為了保證皮帶機在不同情況下張緊的可靠性，對皮帶機在不同狀態下的張緊需求進行了分析[3]。

1）啟動階段，是指皮帶機由靜止狀態到穩定運行的狀態。此時皮帶機的控制系統控制驅動電機運行，保證作用在皮帶上的張緊力大于皮帶穩定運行時的正常張力，避免在啟動過程中皮帶的打滑，此時的張緊力應為穩定運行時張力的1.5～2.0 倍。

2）穩定運行階段，是指皮帶機在勻速運行的階段。該階段下輸送帶的張緊力基本保持不變。

3）制動階段，是指皮帶機在制動情況下的運行狀態。此狀態下會在輸送帶內產生極大的制動沖擊，制動沖擊在皮帶黏彈性的特性下沿皮帶傳播。為了避免打滑，需要保持皮帶張緊力不小于正常運行張力的0.9 倍。在不同階段情況下的張力如下頁圖2 所示[4]。

圖2 不同階段情況下的張力示意圖

3 仿真分析

為了對該張緊裝置的應用效果進行分析，利用AMESim 及MATLAB 仿真分析[5]軟件建立傳統液壓張緊和永磁張緊的仿真分析模型，對相同工況下不同張緊方案的應用效果進行對比分析，在進行仿真時，設置皮帶機啟動的時間為139 s，當運行到199 s時給皮帶一個載荷沖擊，則不同張緊裝置下皮帶機的張緊力變化情況如圖3 所示。

圖3 不同張緊方式的應用效果對比

由圖3 可知，在張緊的過程中永磁變頻張緊和液壓張緊在剛開始時均會產生一個小幅度的下降，這是輸送帶的黏彈性導致的，永磁張緊時的下降時間為0.5 s，而液壓張緊的下降時間為2.4 s。在調節過程中永磁張緊裝置經過11 s 可達到設定的啟動張緊值，而液壓張緊裝置需要經過25 s 才能達到啟動張緊值。在調節過程中液壓張緊裝置的最大超調量約為0.97 kN，永磁張緊的最大超調量僅0.42 kN，比液壓張緊降低了56.7%。

從第140 s 時皮帶機開始轉為正常運行模式，采用永磁變頻張緊時，僅需要5.2 s 即可達到穩定運行時的張力，而采用液壓張緊的情況下，需要11.6 s 才能達到穩定運行張力。并且通過對整個調節過程的對比分析，采用永磁變頻張緊的情況下在調節的過程中張力波動曲線更平滑、超調量更小，其調節精度、反應速度均全面優于液壓張緊裝置。

皮帶機在載荷沖擊下的張緊裝置速度變化曲線如圖4 所示。

圖4 載荷沖擊下的速度變化曲線

由圖4 可知，當受到載荷沖擊的情況下，永磁變頻張緊裝置能夠快速地響應，反應速度比液壓張緊方式提升了3 s，在調節的過程中永磁變頻張緊裝置的最大調速值為0.089m/s，遠超液壓張緊裝置0.047m/s的調速值，從波動發生到調節完成，永磁變頻張緊裝置用時3.7 s，液壓張緊裝置用時10.4 s，調節用時降低了64.4%，調節速度快、調節精度高、平穩性好。

4 結論

1）皮帶機智能張緊裝置采用了內外環雙級控制結構，能夠完成對磁場和電磁轉矩的分別控制，從而確保在調節過程中的控制穩定性。

2）皮帶機運行可分為啟動階段、穩定運行階段及制動階段，啟動階段的張緊力應為穩定運行時的1.5～2.0 倍，制動階段的張緊力應為穩定運行時的0.9 倍。

3） 新的張緊裝置能夠將張緊動作速度提升64.4%，將張緊力超調量降低56.7%，調節速度快、調節精度高、平穩性好。