礦用長距離膠帶運輸機自動張緊裝置的設計

張學院，趙 兵，楊全立，王德堂

（山東信力工礦安全檢測有限公司，山東鄒城 273500）

膠帶輸送機在工業企業中應用廣泛，是一種連續運輸設備，主要使用摩擦力驅動連續運輸物料，其中膠帶不僅屬于牽引機構，也屬于承載機構，因此在啟停和運行過程中對膠帶張緊力要求有所差異，尤其是煤礦運輸礦料過程中，由于質量、體積、數量等差異，對張緊力有不同要求。而在膠帶運輸機中，張緊裝置作為主要運輸設備，用以控制運輸過程中的張緊力變化，但是實際生產中，張緊裝置一般比較陳舊，受到安裝質量、調試水平和自動化技術等因素影響，輸送機使用缺乏可靠性，張緊力不符合要求，常出現跑偏、撕帶等問題，對接質量不高，人工難以檢測斷帶現象，對采掘運輸作業高效運行產生影響，無法滿足煤礦實際生產需求。本文設計了一種長距離膠帶運輸機自動張緊裝置，針對當前膠帶運輸機使用中存在的技術問題，優化輸送機張緊調節能力，實現自動張緊調節。

1 膠帶運輸機結構

膠帶運輸機由底座機架、皮帶、滾筒、張緊和傳動裝置、托輥等結構組成。其中滾筒分為驅動滾筒和換向滾筒，前者用于帶動皮帶運動滾動，后者用于促使皮帶轉變運動方向。電動機和減速器相結合共同帶動滾筒驅動，其與膠帶間所產生的摩擦力是膠帶所提供的牽引力。在托輥上移動的膠帶和物料可以實現自動轉動，由于彼此摩擦力較小因此可以做到長距離運輸。膠帶輸送機是利用驅動滾輪接觸膠帶產生的摩擦力實現牽引的，使用拉緊裝置拉緊皮帶，確保皮帶與驅動滾筒產生一定摩擦力，可以穩定牽引[1]。當前，膠帶運輸機中的張緊裝置包括機械絞車張緊、重錘張緊、自動液壓張緊等不同類型。其中機械絞車能夠在勻速運輸時實現自動張緊，但是絞車會長時間處于待機狀態，調節效果不好[2]。重錘張緊反應慢，安裝調修復雜。而液壓自動張緊調節比較靈活，反應快，是本文主要研究對象。

2 自動張緊裝置設計

2.1 系統架構

如圖1所示，本研究以液壓自動張緊裝置為對象，該裝置主要包括液壓系統、電控系統、機械系統三部分。其中液壓系統包括液壓站、緩沖油缸、蓄能器、張緊電機、制動器以及慢速絞車等結構，緩沖油缸可以對傳送帶運行時的振動和松弛現象起到緩解作用，能夠做到自動控制、手動控制。電控系統是利用PLC控制張緊電機輸出轉矩，利用張緊力傳感器將張力值實時反映出來，使其能夠在不同運行下動態調節張緊力[3]。該系統作為自動張緊裝置邏輯判斷、張力輸出關鍵部分，可以在內部完成控制程序和算法的運算。機械系統包括張緊小車、鋼絲繩、導向滑輪等結構，可以用于執行系統發布的張緊命令，能夠調節大范圍傳送帶張緊力，其中鋼絲繩與導向滑輪能夠將執行元件連接起來，而液壓絞車通過鋼絲繩正反向纏繞可以調節傳送帶松緊。

圖1 液壓自動張緊系統架構

2.2 控制原理

在膠帶運輸機運行過程中，運行狀態不同，張力要求也不同，利用PLC 設定的張緊參數和程序可以動態調節運輸機運行過程中的張力變化。上位機遠程將操作命令發給控制器，同時也接受控制器發回的命令，對運輸機運行動態和張力變化進行實時監測。而控制器在接收上位機的啟動命令后會即刻控制張緊力將其調整成啟動張緊力，其數值一般為正常張緊力1.5～2.0倍，關閉絞車制動器，電機正向轉緊繩，并利用液壓站將緩沖油缸填滿油料[4]。在張緊力達到啟動值后開啟制動器，此時電機停轉，液壓站也處于空載運行狀態中。PLC 在傳送帶達到正常數值時接收信號對張力進行自動控制，直到其達到正常運行張力要求。系統在接收停機命令之后由PLC 將控制信號發送出來使張緊力能夠自動調節到停機狀態下的張緊力，設定值一般為正常張力0.9倍，此時啟動絞車制動器，而液壓站則處于空載運行狀態中，并關閉電磁閥，確保液壓系統運行終止。另外，該系統中還設置了斷帶保護裝置，其可以在傳送機發生故障斷裂時降低張力直到0，此時PLC 也會發送信號要求液壓站停運，并啟動制動器，連通蓄能器和油箱，卸掉緩沖油缸的負載，將緩沖油缸關閉使張緊小車減緩運行速度，避免其重裝張緊裝置，進而起到斷帶保護作用。

2.3 硬件設計

2.3.1 硬件結構

液壓自動張緊裝置中，硬件結構包括液壓馬達、電控箱、傳感器、制動器等部分，也可以劃分成機械結構、電氣裝置、液壓裝置。

（1）機械結構。該結構經由滾筒小車直接連接皮帶，小車底部設置了專門移動軌道，摩擦力小，可以通過前后西東實現皮帶張緊，而鋼繩一側連接小車，另一側則連接液壓絞車，中間使用導向滑輪可用于轉變方向，鋼絲繩可以運送液壓絞車所產生的拉力。鋼絲繩選擇需要經過應力計算，其所設置的拉力傳感器和采集裝置能夠監測鋼絲繩拉力。

（2）電氣裝置。該裝置包括傳感器、電磁閥、控制器、通信線路等。其可以利用傳感器對張緊鋼絲繩拉力進行檢測，并將檢測結果反饋給控制中心，在控制程序下設置不同運行情況下的張緊力數值，評估張緊力。啟動時，張緊系統能夠識別判斷皮帶測速傳感器檢測信號，進而判斷輸送機運行情況，若是控制器判斷系統處于啟動狀態則會驅動液壓電機進行加速，使其增加到1.5倍張緊力大小[5]。若是皮帶轉速穩定，系統可以自動調節張緊力，使其處于正常設定值。若是檢車處于停機狀態則系統會自動降低張緊力，并啟動緊急停機，通過迅速停機手動設置張緊力。

（3）液壓裝置。該裝置包括液壓油泵、馬達、蓄能器、制動器等。其中液壓馬達用以驅動液壓絞車，其介質來源液壓泵。通過電氣控制對先導式電液比例溢流閥進行動態調節，進而實現液壓馬達轉向、轉速、轉矩等方面的控制，通過調節制動閥使液壓絞車能夠驅動小車移動，進而調整張緊力。而在小車軌道上則設置了蓄能站和緩沖油缸，同時系統通過控制電磁換向閥可以對小車滑動時的沖擊現象進行平衡調整，確保設備運行穩定可靠[6]。另外，系統通過液壓制動器和斷帶保護可以在發生故障時迅速制動，有效預防危險。

（4）通訊模塊。電控箱控制器的控制中心是微處理器，其利用模擬量數據收集電路關于張緊力拉力傳感器中的數據，并收集輸送機測速傳感器的放大、A/D 轉換信息，將其傳輸到微處理器中，利用接口電路模塊和電磁閥等設備將通信連接起來，進而控制執行元件。而控制器利用RS485串口通信則能夠與上位機實現信息交互。另外，在輸送點斷裂或是出現裂縫情況下，X 射線掃描儀可以通過發射低頻X 射線所形成的時間差確定輸送帶問題，將所收集的信息傳輸給PLC 端進行分析處理，之后顯示器會將輸送帶問題位置顯示出來，發布預警通告，并利用連鎖開關將電機電源切斷。

2.3.2 硬件系統

硬件系統是液壓自動張緊裝置設計的重要環節之一，本研究在上述原理和功能基礎上設計方便操作且合理的硬件操作系統。該系統中，PLC 控制器屬于核心部分，需要謹慎選擇，本文綜合考慮各種因素選擇西門子S7-1200作為核心控制器，其結構緊湊，運算較快，能夠安裝成導軌模式，配置了大約10-24個高速I/O 接口，并采用了PM1207電源模塊，電源輸入和輸出要求分別為120/20VAC、24VDC/2.5A，同時配置了MPI 等多個通信接口，并集成了PROFINET接口、RJ45 連接器，不僅可以提升信息傳輸速度，也能夠滿足裝置實際需求。電機則選擇三相異步電動機，其轉速可以達到1 470 r/min，功率11 kW，額定電壓在380 V。該系統中，針對油泵供應無法滿足峰值或壓力脈動這一問題，可以使蓄能器運行期間吸收壓力動脈以便供給瞬時能量，完善系統性能。本裝置蓄能器為囊式蓄能器，公稱容積和壓力分別為0.4 L、10 MPa，二者符合系統要求。液壓油泵作為動力元件可以利用電機驅動將油箱中油直接輸入到執行部件中，本系統采用液壓油泵，其壓力、功率和排量分別為12 MPa、3.2 kW、10 mL/r，基本能夠滿足系統要求。

該裝置中，張力值實時采樣系統包括張力傳感器和變送器，前者位于鋼絲繩上，可以實時采樣運輸機運行期間的張力數值，并由變送器將其放大，之后傳輸到PLC 模擬量輸入模塊中進行處理并采樣數據上傳到上位機，程序運算過程中通過上位機監控器將張力值實時展示出來，方便觀察。本系統的張力傳感器選擇GAD10礦型安全傳感器，其精度、量程、非線性度和工作電壓分別為±3%、0～10 t、低于0.25%、DC 12 V。本系統選擇的變送器是ZHZF-FD 型高精度變送器，其電壓、溫度、輸入靈敏度、分辨率分別為DC 10～33 V、-5～50 ℃、0～30 mV、65 000分度，基本能夠滿足系統要求。

2.4 軟件設計

膠帶運輸機啟停和運行操作時，液壓自動張緊裝置會采集檢測并反饋膠帶張緊力，控制器和膠帶運輸機的專屬、預設張緊力結合起來能夠準確判斷實際張緊力，而對于流量進行調整可以改變驅動電機轉速，并控制緩沖油缸，進而改變張緊力。該裝置軟件程序主要針對鋼絲繩張緊力進行信息采集、監測，判斷張緊力，并按照轉速、開關信號來判斷工況運行，對策略進行調整、控制[7]。

3 礦用長距離膠帶運輸機自動張緊裝置應用效果

長距離膠帶運輸機中應用自動張緊裝置效果顯著，該裝置自動化程度高，利用PLC 控制器、傳感器等設備自動調節張緊力，自動檢查疏松帶損傷，可以提高輸送帶自動化運行程度。同時，該裝置也能夠降低勞動強度，相對于傳統輸送機張緊裝置而言，其憑借著自動感應裝置可以實現全天候無人作業，大幅降低了人員工作壓力。另外，該裝置具有自動化控制功能，無需人工調節張緊力、檢測輸送帶損失，可以按照疏松帶運輸物料自動對張緊力進行調節，既能夠保證精度和誤檢率，同時也能夠避免頻繁啟動電機，保護設備。但該裝置在應用時也存在一些問題，例如輸送機機頭部位粉塵多，導致PLC 控制器出現粉塵堆積現象，對裝置應用產生了影響；再比如張緊傳感器中的感應彈簧由于壓縮和復位動作比較頻繁，因此彈簧容易出現嚴重變形，需要定期及時更換維修?？傊?，煤礦生產時，在應用膠帶輸送機自動裝進裝置后，由于輸送帶張緊調節不當引發的輸送機跑偏等事故發生率大幅降低，也避免了輸送帶斷帶事故發生，節省了維修和成本支出，延長了輸送機使用壽命，確保采掘工作順利、高效進行。

4 結束語

液壓自動張緊裝置在膠帶輸送機中的應用可以方便輸送機自動控制張緊力，其中的液壓自動控制系統與電磁閥相結合，并設置緩沖設備可以對振動沖擊現象進行有效平衡，靈活高效調節張緊力。系統通過配置斷帶保護、張緊力監測等功能進一步提高了膠帶輸送機運行效率和質量，保障了設備生產順利和安全，縮短了檢修時間，延長了設備使用壽命，提高了煤礦運輸工效。