帶式輸送機變頻自動張緊裝置設計與應用研究

閆 杰

（山西忻州神達能源集團有限公司安全監察督查部， 山西 忻州 034000）

引言

煤炭需求量的不斷增大，極大地推動了煤炭行業的飛速發展，煤炭掘進工作量逐年增大，對煤炭生產設備的要求越來越苛刻[1-2]。帶式輸送機作為綜采工作面重要的設備，對其的發展和更新是必然趨勢，其中張緊裝置已經實現了機電液一體化[3]。目前帶式輸送機使用的張緊裝置多為液壓張緊和變頻自動張緊，由于液壓張緊存在漏油、故障難修復等問題，逐漸被變頻自動控制裝置取代，變頻自動張緊裝置在滿足帶式輸送機張緊要求的同時，能夠避免液壓張緊存在的種種問題。變頻自動張緊裝置多采用永磁同步電機，充分發揮其低速帶載能力好的優勢，使變頻張緊裝置結構簡化，保證較高的驅動效率[4-6]。針對某煤炭企業帶式輸送機液壓張緊裝置存在的漏油問題，開展變頻自動張緊裝置設計與應用研究具有重要意義。

1 帶式輸送機概況

煤炭企業使用的為可伸縮帶式輸送機，具體型號為DSJ160/350/3×500，結構布置如圖1 所示，其負責將原煤由井下綜采工作面運輸至地面。目前煤炭行業使用較多的輸送設備基本都是可伸縮帶式輸送機，因其設置了儲帶倉，得到了廣泛認可。儲帶倉在機尾伸縮自移動作時，能夠自動控制輸送帶長度的變化，確保輸送帶張緊裝置正常運行。帶式輸送機卸料之后，輸送帶將會由換向滾筒和驅動滾筒收放在儲帶倉內，經過數次折返之后再次回到機尾的改向滾筒位置。張緊裝置拖動小車時，儲帶倉中使改向滾筒之間的間距增大，將機尾自移產生的多余輸送帶儲存至儲帶倉，相反，儲帶倉釋放輸送帶，機尾自移動作結束，張緊裝置停止工作，輸送機正常運行。

圖1 帶式輸送機布置簡圖

2 變頻自動張緊裝置結構設計

2.1 總體布置

根據帶式輸送機實際情況，完成了變頻自動張緊裝置結構設計，如圖2 所示。由圖2 可以看出，張緊裝置中的張緊滾筒兩邊均設置了制動器和驅動電機，與軌道上張緊小車之間采用的是鋼絲繩和滑輪組結構。在帶式輸送機中輸送帶張力出現較大的變化時，張力傳感器數值增加，開啟制動器，電機將會驅使連接張緊小車的鋼絲繩和滑輪組，使小車產生相應的移動，實現張緊力調節目的；一旦張緊裝置產生的張緊力趨于穩定，電機停止轉動，張緊小車停止，關閉制動器，輸送帶張力達到穩定狀態并運行。

圖2 變頻自動張緊裝置

2.2 張緊力設定

帶式輸送機常見的工況包括啟動、滿載運行和受控停機，各個工況下張緊力設定值關系如下頁圖3 所示，輸送機滿速運行時的張力設定值使用F0表示。帶式輸送機慢速運行時張緊裝置不運行，張力保持在一定范圍，通常為90%～110%，一旦超出范圍，張緊裝置開始進行張力調整。帶式輸送機啟動工況時，張緊裝置優先工作，張緊小車移動直至張力傳感器數值接近設定值，張緊力滿足設定范圍要求之后啟動輸送機；輸送機停機工況時，張緊裝置保持工作片刻之后輸送機停止運行；帶式輸送機工作時出現斷帶時，張力傳感器數值劇降，張緊裝置控制主機立刻停機。輸送機不同工況下，均有PLC 對張力傳感器數據進行分析，與設定值比對之后調節變頻器頻率和方向，之后實現電機轉向和轉速的控制，實現各工況下張力的調整。

圖3 帶式輸送機不同工況所需張緊力

3 主要構件設計

3.1 鋼絲繩

煤礦井下工作環境較為惡劣，帶式輸送機利用等級為T2，載荷狀態為L2，工作級別為M2。設計時需要考慮降低鋼絲繩受力的情況，得出張緊小車受力情況，如圖4 所示。啟動工況張緊力最大為450 kN，計算得單根鋼絲繩受力為75 kN，直徑不小于22 mm。選擇了7×18 型鋼芯鋼絲繩，直徑為24 mm，抗拉強度為1770 MPa，最小破斷力為334 kN。安全系數為4時，鋼絲繩破斷力為300 kN，小于334 kN，滿足使用要求。

圖4 張緊小車受力簡圖

3.2 滑輪與張緊滾筒

張緊裝置滑輪結構選擇繩槽兩側夾角為25°，槽底半徑尺寸為14.4 mm，滑輪的名義直徑尺寸為480 mm，圓整之后取滑輪直徑為500 mm。由經驗公式可得，張緊滾筒的名義直徑為不小于504 mm，取520 mm。張緊滾筒厚度尺寸以接近鋼絲繩直徑為宜，取厚度值為24 mm，容繩量不小于180 m，滾筒的長度取0.7 m，具有一定的富余量，確保張緊裝置使用可靠。

3.3 電機選型

電機作為張緊裝置的驅動力來源，其選型依據為功率參數。經計算可得，張緊小車的張緊驅動功率為45 kW。此處選擇的是電機直驅模式，布置方式如圖5所示，取軸承效率為0.98、聯軸器效率為0.98、滑輪組效率為0.95，計算總效率為0.893。計算得出，電機功率不小于70.56 kW，選擇型號為TYZD-110/45（380）的電機，額定輸出功率為110 kW，滿足設計要求。

圖5 電機直驅布置

3.4 變頻器與傳感器選型

帶式輸送機張緊裝置選擇型號為ACS550-01-246A-4 的變頻器，能夠匹配電機使用。該變頻器采用的是四象變頻器，具有電機無調速的功能，確保帶式輸送機的安全工作。依據變頻張緊裝置啟動工況的最大張力為75 kW 的情況，選擇了型號為GAD100 的張力傳感器，如圖6 所示，屬于礦用本安型儀器，具有很好的防爆性能，能滿足在煤炭井下復雜工作環境中工作的要求。

圖6 GAD100 型張力傳感器

4 應用效果評價

為了驗證帶式輸送機變頻張緊裝置設計的合理性，將其應用于某煤礦服役中的DSJ160/350/3×500型帶式輸送機中進行試運行，跟蹤記錄張緊裝置的應用情況。應用結果表明，變頻張緊裝置結構合理，工作穩定可靠，能夠實現啟動、滿速運行和停車工況下的自動張緊功能。檢測結果顯示，相較于液壓張緊裝置，變頻張緊裝置響應時間縮短了約12%，振幅降低了近20%，張緊力達到穩定狀態的時間減少了近15%，取得了很好的應用效果。