長距離運輸帶式輸送機張緊力控制裝置研究

曹 偉

（山西焦煤汾西礦業中興煤業， 山西 交城 030500）

0 引言

隨著煤礦井下大功率、先進的采掘設備應用推廣，煤炭產量不斷增加，對帶式輸送機運輸可靠性、穩定性以及運輸效率等方面提出更高要求[1-2]。帶式輸送機由于負載大、運輸距離長，在輸送帶自重、運輸物料重力以及牽引力等作用下出現一定程度伸出情況，若不對伸長量進行補償容易導致輸送帶出現打滑、跑偏等故障，給帶式輸送機高效安全工作帶來一定影響[3-5]。采用張緊裝置給帶式輸送機提供一定張力，可提升帶式輸送機運行穩定性[6-7]。隨著煤礦井下帶式輸送機控制方式、驅動方式等不斷發展，帶式輸送機運行過程中輸送帶張緊力呈現時變性、非線性的特征，文中就依據帶式輸送機張緊力變化特點提出一種張緊力控制裝置，可確保帶式輸送機張緊力始終在合理范圍內，提升帶式輸送機運行的可靠性。

1 帶式輸送機運行受力分析

帶式輸送機結構有轉向滾筒、驅動滾筒、輸送帶、機架以及托輥等，輸送帶通過驅動、轉向滾筒閉環實現輸送帶上物料運輸，通過調整轉向滾筒與驅動滾筒間距離即可實現輸送帶張緊程度（張緊力）的調整[8-9]。帶式輸送機在未啟動時上部及下部輸送帶受到的張緊力一致；而帶式輸送機運行時，受滾筒與輸送帶間作業力影響上部輸送帶張緊、下部松弛，具體正常運行時輸送帶受力情況如圖1 所示。

圖1 正常運行時輸送帶受力示意圖

設定輸送帶與滾筒分離點B 位置張緊力為T，相遇點A 位置張緊力為T+dT，滾筒在A、B 兩點間施加到輸送帶上的作用力為dTN，則與滾筒接觸位置輸送帶受力可通過下述公式表示：

式中：θ 為起算點與研究點間夾角；μ 為滾筒與輸送帶間摩擦系數。求解公式（1）并結合邊界條件T（θ=0）=T2求得T=T2e-μθ。

將驅動滾筒與輸送帶間包角設定為λ，則相遇點A 位置輸送帶張力T1=T2eμλ。

驅動滾筒給輸送帶摩擦力F 可通過式（2）計算：

從上述公式可看出，增加滾筒作用到輸送帶上的驅動力可通過增大滾筒與輸送帶間摩擦系數、提升輸送帶張緊力以及增大輸送帶與滾筒間包角實現。其中提升輸送帶張緊力不需要改變輸送機結構，僅增加張緊力控制裝置即可實現，因此提升帶式輸送機張緊力即為增設張緊力控制裝置。

2 張緊力控制裝置設計

2.1 結構組成

為確保張緊力控制裝置給輸送帶提供足夠的張緊行程以及張緊力，并避免帶式輸送機運行過程中張緊力突變的問題，張緊力控制裝置采用液壓油缸、張緊小車組合方式，具體結構組成包括有機械系統（組成包括張緊絞車、鋼絲繩以及移動小車等）、電氣控制系統（包括張緊檢測裝置、電控站等）以及液壓控制系統（包括液壓制動器、液壓馬達以及蓄能器等）等，具體如圖2 所示。電控站根據預先設定的控制程序調整液壓馬達輸出扭矩、轉速等，絞車轉動張緊收放鋼絲繩從而帶動移動小車運動，達到改變輸送帶張緊力的目的；張緊緩沖油缸可確保張緊力平穩、吸收張緊力調整過程中可能存在的沖擊或者波動。

圖2 張緊力控制裝置結構示意圖

2.2 關鍵組成單元選型

1）PLC 控制器。該設備是整個張緊力控制裝置電控系統的核心組成，依據控制需要選用的PLC 控制器型號為S7-200 系列，該PLC 控制器內CPU 處理單元為226AC/DC/RLY 處理器，可基于Windows 系統編程。系統通信處理器選用CP342-5、接觸器型號為3TF46331XB4。

2）溢流閥。該裝置是實現液壓控制的核心元件，通過對液壓系統溢流壓力進行調節，可控制液壓馬達轉扭矩，進而控制鋼絲繩收放量，實現輸送帶張緊程度調節。根據張緊力需要并結合煤礦井下環境特點，選用的溢流閥型號為EBG-10，該溢流閥對液壓油清潔程度要求較低且壓力調節范圍在1～24.5 MPa。

3）傳感器。張緊力控制裝置中傳感器主要作用是實現輸送帶張緊力實時監測。由于控制系統發出的控制指令均以傳感器監測獲取到的輸送帶張力為基礎，因此對傳感器性能穩定、監測精度等有較高要求。采用的傳感器型號為LD206 型并配合型號LD920 壓力變送器實現張緊力監測結果傳輸，采用的傳感器監測范圍為1 000～10 000 kN，測量偏差在1%以內。

2.3 張緊力控制方式

張緊力控制裝置具備有手動以及自動兩種控制方式。

2.3.1 張緊力自動控制

張緊力自動控制過程可細分為啟動、加速至穩定運行、正常運行及保壓、停機這4 個階段。

1）啟動階段。電控箱供電后首先應進行自檢，若發現張緊力低于預警值時則認為系統存在液壓或者機械故障，應停機檢查；若張緊力可滿足要求則啟動液壓泵并為液壓缸供液，電液比例閥調整啟動壓力，同時松開液壓絞車制動抱閘，液壓馬達工作并拉緊鋼絲繩；檢測到施加到輸送帶上的預緊力為正常預緊力的1.4～1.5 倍時，則認為帶式輸送機具備有啟動條件，則帶式輸送機正常啟動。

2）加速至穩定運行階段。當帶式輸送機完成啟動后溢流閥將供液壓力調整至正常值，絞車在液壓馬達驅動下送繩，直至輸送帶張緊力降至設計預緊力；此后絞車液壓抱閘抱緊，確保張緊力控制裝置在穩定狀態運行。

3）正常運行及保壓階段。帶式輸送機運行時輸送帶張緊力會隨著負載變化，用傳感器監測張緊力并將結果傳輸給PLC；當張緊力波動超過設定值的10%時，電磁換向閥通電并通過控制絞車轉動實現張緊力調節，確保張緊力始終在設定范圍內。同時張緊力控制裝置中蓄能器以及緩沖液壓缸也可對小范圍張緊力波動進行調節。

4）停機階段。電控系統發出停機信號后，溢流閥將壓力調整至停機壓力，換向閥動作后絞車轉動并松繩，直至輸送帶張緊力恢復至停機設定值；隨后換向閥復位，液壓系統停止運行，帶式輸送機得以平穩停機。

2.3.2 張緊力手動控制

當需要對帶式輸送機進行維護時，可將張緊力控制裝置控制方式調整為手動模式，此時可通過控制按鈕實現緩沖液壓缸伸縮或者絞車正轉、反轉控制，從而實現帶式輸送機張緊力手動調節控制。

3 張緊力控制裝置技術優勢

1）相對于帶式輸送機使用的常規液壓油缸張緊方式而言，文中采用的張緊方式將液壓油缸、張緊絞車相結合，使得張緊力控制裝置最大張緊行程可達到20 m，輸送帶具備有更大的伸縮調節范圍，便于接頭及后續維修工作開展。

2）采用傳感器可實現輸送帶張緊力實時監測，為張緊力調整提供基礎；此外張緊力調節裝置可根據帶式輸送機在啟動、制動及平穩運行等階段的運輸需要，對張緊力進行分區段精準控制，降低輸送帶磨損以及能耗。

3）在帶式輸送機制動、啟動或者載荷出現小幅變化時，張緊力控制裝置中內置的蓄能器、緩沖液壓油缸等可確保輸送帶上張緊力平穩，避免帶式輸送機在后期運行期間出現打滑問題。

4）當輸送帶出現斷帶故障時，輸送帶上張緊力會出現明顯波動，傳感器將監測信號迅速傳輸給電控系統，系統實現張緊絞車抱閘的同時將油缸與蓄能器連通，液壓油缸緩慢卸荷，降低輸送帶斷帶故障以及張緊力控制裝置帶來的沖擊影響。

4 結語

為提升煤礦井下長距離運輸帶式輸送機運行穩定性及可靠性，文中在對帶式輸送機運行期間受力分析基礎上，提出一種帶式輸送機張緊力控制裝置。該控制裝置將液壓油缸、張緊絞車相結合，不僅可為滿足帶式輸送機在不同運行工況下輸送帶張緊力控制需要，而且張緊行程較大。對張緊力控制裝置結構、關鍵零部件以及張緊控制方式等內容進行分析。文中所提張緊力控制裝置對提升帶式輸送機運行穩定性、節省運行成本等方面有一定的應用優勢。