長距離大型帶式輸送機張緊裝置研究

雷春福

（山西汾西正文煤業有限責任公司，山西 孝義 032302）

引言

隨著礦井采掘生產范圍的不斷增加，帶式輸送機鋪設長度、運載量以及功率等均隨之不斷增大[1]。裝機功率在1 000 kW 以及運輸距離超過2 000 m 以上的大型長距離帶式輸送機應用更為普遍。為提高帶式輸送機驅動能力以及運載量，帶式輸送機一般通過多機驅動[2-3]。帶式輸送機在驅動力、負載等影響下，輸送帶長度、張緊力等會出現一定變化，從而導致滾筒與輸送帶間摩擦力出現波動，嚴重時會導致輸送帶打滑甚至發生火災事故，給礦井生產安全以及運輸效率等帶來制約[4-5]。張緊裝置是確保輸送機張緊力穩定的主要裝置，其主要作用為給輸送帶提供足夠張緊力避免出現打滑，給輸送帶蠕變進行補償，降低沖擊載荷影響，給輸送帶接頭提供一定行程，降低運輸物料灑落量以及輸送帶磨損程度等[6]。依據現場實際需要自動調整輸送帶張緊力對增強帶式輸送機運行可靠性以及效率等均有顯著的促進意義，文中結合以往研究成果對帶式輸送機張緊裝置展開研究，以期更好地促進礦井運輸工作開展。

1 張緊裝置結構及運行控制分析

1.1 張緊裝置結構

采用張緊裝置可為帶式輸送機輸送帶提供足夠的張緊力，避免輸送帶與滾筒貼合位置出現張緊力過小，引起打滑；同時可確保鄰近兩托輥間輸送帶有足夠張力，避免輸送帶出現懸垂量過大或者過度松弛等情況，降低輸送帶上物料拋灑量；給輸送帶合適的張緊力可在一定程度上減少輸送帶磨損量。礦井常用的張緊裝置按照結構類型可分為重錘式、固定式以及自動拉緊式等，自動拉緊式是現階段礦井帶式輸送機拉緊控制的主要類型[7-9]。

研究對象選擇山西某礦南三采區運輸巷內布置的帶式輸送機，該帶式輸送機鋪設長度2 690 m、輸送帶寬度1 600 mm、額定運載量1 500 t/h，采用機頭雙電機驅動方式，電動機功率均為800 kW，單臺電機均配備有1175NRT 低速逆止器、4×SHI251-2300 防爆盤形制動器。根據該帶式輸送機結構并結合以往研究成果，提出的自動張緊裝置結構如圖1 所示。

圖1 自動張緊裝置結構示意圖

自動張緊裝置結構包括有支撐支架、鋼絲繩、滾筒、永磁變頻電機以及繩輪組等，拉緊力的提供通過永磁變頻電機實現，電機運行可靠性及穩定性等會直接影響自動張緊裝置張緊力提供效果以及張緊力控制精準度。自動張緊裝置電控系統是實現裝置運行控制的核心，結構包括有變頻調速控制器、隔爆操作箱、張力傳感器等，用以對帶式輸送機輸送帶各個時期張緊力進行監測，并自動控制張緊裝置運行。采用的張力傳感器型號為ETG 型，該傳感器額定工作電流、電壓分別為0.03 A、10 V，可滿足帶狀、條狀以及線狀物體張力監測需要；床干起輥面直徑、長度分別為60 mm、450 mm，檢測信號經調理電路后可輸出4～20 mA電流信號或者0～10 V 電壓信號，測量誤差控制在1%以內，可實現輸送帶張緊力精準檢測。

1.2 運行控制

帶式輸送機輸送帶張緊力變化與工作階段有密切關系，為簡化分析過程，依據帶式輸送機主要工作狀態差異，將張緊力調節控制分為初期啟動階段、啟動至正常運行階段、正常運行階段3 個部分。

1）初期啟動階段。此階段運行時拉緊力控制系統發出信號，確保張緊裝置提供的張緊力稍微高于正常張緊力，避免在初期啟動階段輸送帶出現跑偏、打滑等故障。一般情況下，在初期啟動階段張緊裝置提供的張緊力應為正常張緊力的1.4～1.8 倍。

2）啟動至正常運行階段。在此階段范圍內張緊裝置提供的張緊力逐漸向正常值調整，當帶式輸送機正常運行后，張緊裝置提供的張緊力應降至正常張緊力。

3）正常運行階段。在此階段運行時張緊裝置提供的張緊力應確保輸送帶平穩運行；當輸送帶受到的張緊力偏低時，控制系統應發出控制指令，適當增加張緊裝置提供的張緊力，確保輸送帶受到的張緊力始終處于正常范圍內。

帶式輸送機在重載、輕載、靜載以及動態工況下對張緊力要求有一定的差異，在實際控制過程中帶式輸送機運行工況與張緊力設定對比結果如圖2 所示。

圖2 帶式輸送機運行工況與張緊力設定對比結果

張緊裝置張緊力調節依靠永磁同步電機實現，電機運行通過矢量控制系統，系統包括有內外環聯級結構。通過傳感器監測電機實際轉速，對比分析實際轉速與期望轉速并得到轉速差；通過PID 控制器按照期望轉速相對應的期望電流（iqref）；對比分析期望電流（iqref）、實際電流（is）得到電流差（i△），通過不斷調整實際電流確保電流差（i△）=0；電機輸入電流通過逆變轉換、SVPWM調節后得到精準控制量，張緊裝置依據實際需要調節張緊力。

2 張緊裝置模擬分析及實際應用效果分析

2.1 模擬分析

采用Matlab 軟件對比分析傳統張緊力控制裝置與文中所述永磁變頻控制張緊裝置，具體啟動階段模擬對比結果見圖3。從圖3 中看出，采用文中所述在對張緊力進行自動控制時，在啟動階段張緊力會首先有所降低，經過0.5 s 后張緊力緩慢增加，永磁變頻控制張緊裝置張緊力緩慢增加，時間較傳統的液壓張緊裝置提前約2.0 s；啟動12 s 輸送帶張緊力達到預先設定值，而傳統的液壓張緊裝置耗時約為26 s，張緊力穩定時間減少約14 s；永磁變頻控制張緊裝置、液壓張緊裝置張緊力最大超調量分別為0.48 kN、0.92 kN，表明永磁變頻控制張緊裝置張緊力控制更為精準。從Matlab 模擬結果看出，永磁變頻控制張緊裝置張緊力調節響應速度更快，張緊力曲線變化更為平穩，可更好地滿足帶式輸送機張緊力控制需要。

圖3 Matlab 模擬結果

2.2 現場應用效果分析

在山西某礦3500 運輸大巷帶式輸送機上使用文中所述張緊力控制裝置，對張緊力控制裝置硬件以及通信系統進行構建，具體現場情況如圖4 所示。現場應用表明，采用永磁變頻控制張緊裝置后，張緊力控制耗時縮短約7.5 s，控制誤差降低約18%，超調量降低約2.9%。永磁變頻控制張緊裝置現場運行平穩，在監測期間未出現任何故障，同時可依據帶式輸送機運行控制需要自動調節張緊力，現場應用后，可有效提高帶式輸送機張緊力調節速度以及精度，提高煤炭運輸效率。

圖4 裝載永磁變頻控制張緊裝置帶式輸送機的現場應用情況

3 結語

隨著帶式輸送機鋪設長度、負載量等不斷增加，帶式輸送機工作條件更趨復雜，為提高長距離大型帶式輸送機可靠性及穩定性，文中在以往研究成果基礎上結合工作經驗提出一種自動張緊控制裝置，該裝置動力源為永磁同步電機，并依靠傳感器監測結果根據需要自動調整張緊力。

采用Matlab 軟件對比分析傳統的液壓張緊裝置與永磁同步電機張緊裝置應用效果，發現永磁同步電機張緊裝置在張緊力響應速度、控制精度以及超調量等方面均表現出明顯優勢。現場應用后，永磁同步電機張緊裝置可滿足井下大型帶式輸送機張緊力控制需求，在一定程度上提升帶式輸送機運行可靠性。