王亞軍

0 引言

隨著煤礦綜采技術(shù)的進(jìn)步，礦用帶式輸送機(jī)的工作能力有了較大發(fā)展，使其逐漸成為煤礦散料輸送最可靠、最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備之一[1]。礦用帶式輸送機(jī)從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)入了突飛猛進(jìn)的發(fā)展階段，其整體的運(yùn)載能力，比如極限載荷、極限速度、極限運(yùn)距、功率等出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，而且種類和結(jié)構(gòu)形式多種多樣，可滿足不同類型煤礦生產(chǎn)條件。目前，煤礦生產(chǎn)中所應(yīng)用的礦用帶式輸送機(jī)的極限運(yùn)載速度已經(jīng)超過10 m/s，皮帶（又名膠帶或傳送帶）的最大寬度超過4 m，極限載重能力高達(dá)30 000 t/h，單機(jī)最大裝機(jī)容量達(dá)6 200 kW，大大提升了煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[2]。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可知，帶式輸送機(jī)在變頻軟啟動控制、自動張緊控制以及皮帶的選材等方面仍存在一定的不足和缺陷，一些問題成為阻礙某些煤礦安全生產(chǎn)順利進(jìn)行的屏障，但國內(nèi)對此方面的研究或報(bào)道相對較少，而且輸送機(jī)生產(chǎn)廠家尚未足夠重視。

在實(shí)際生產(chǎn)中，常見的皮帶機(jī)材料為PVG整芯阻燃帶，該種皮帶的伸長率較大，在軟啟動機(jī)械設(shè)備[3]中的響應(yīng)速度較快（低于10 s），但是對于張緊系統(tǒng)快速響應(yīng)有著一定的負(fù)面影響，很多情況下無法滿足張緊力的要求，為此，可增加變頻控制內(nèi)容，從而適應(yīng)皮帶的張緊過程。針對以上情況，文中對帶式輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，包括防爆變頻、張緊結(jié)構(gòu)以及皮帶選材等方面，最終提升輸送機(jī)的工作能力和經(jīng)濟(jì)效益。

1 防爆變頻控制的應(yīng)用及改造

1.1 應(yīng)用原理

防爆變頻控制的原理為通過矢量控制手段實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的無極調(diào)速功能[4]。為了保證速度調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和可靠性，需要在帶式輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)位置設(shè)置速度傳感器，但是受限于煤礦生產(chǎn)條件，速度傳感器的安裝往往存在較大困難，而且增加后期的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。若通過其他傳感器來精確地表征速度，可有效地改善這一問題，比如無速度傳感器。無速度傳感器為矢量控制，符合變頻控制機(jī)理，其在工作中主要根據(jù)滾筒驅(qū)動電機(jī)的關(guān)鍵模擬量參數(shù)，比如勵磁電流、轉(zhuǎn)矩電流等轉(zhuǎn)化為速度參數(shù)和轉(zhuǎn)矩參數(shù)，最終完成矢量控制，在常見的異步電動機(jī)中有著良好的應(yīng)用效果，能夠在較低工作頻率下輸出較高精度的參數(shù)監(jiān)測值，保證變頻控制的可靠性。

文中針對帶式輸送機(jī)的工作條件和能力，提出增設(shè)ZJT系列隔爆變頻器作為核心控制元件。該系統(tǒng)的變頻器為德國SIEMENS公司生產(chǎn)，能夠在井下復(fù)雜、惡劣的環(huán)境下保持良好的工作性能，其電路系統(tǒng)選用兩部分的3300VDC400A模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)兩倍轉(zhuǎn)矩的啟動能力。

1.2 應(yīng)用效果分析

在防爆變頻控制下，帶式輸送機(jī)可表現(xiàn)出的特性有如下。

（1）軟啟動的緩沖特性

帶式輸送機(jī)的軟啟動功能是保證輸送機(jī)工作壽命的最重要功能之一。通過防爆變頻控制，能夠有效地調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)在啟動和停車時的速度和轉(zhuǎn)矩，降低皮帶隊(duì)機(jī)械部件的沖擊，并減緩電流突變對電網(wǎng)的沖擊。為了避免過載，皮帶的選材一般為柔性材料，能夠存儲較大的機(jī)械能量，而變頻控制能夠有效地控制這種能量的釋放。為了匹配皮帶的這一性能，文中提出運(yùn)用S型加減速啟動，能夠使得啟動或停車的緩沖效果更佳。

（2）低頻重載啟動特性

在煤礦物料運(yùn)輸過程中，帶式輸送機(jī)的工況隨時會出現(xiàn)短時間內(nèi)快速停車、再啟動。在該變頻控制條件下，可實(shí)現(xiàn)低頻重載啟動，即基于無速度傳感器矢量控制條件下，實(shí)現(xiàn)較低工作頻率下的高轉(zhuǎn)矩啟動，一般能夠達(dá)到1.5～2倍的額定轉(zhuǎn)矩，大大縮短啟動時間。

（3）低速皮帶檢驗(yàn)特性

皮帶在工作中長期承受重載磨損，是易失效部件，需要定期維修維護(hù)，而低速檢驗(yàn)是保證正常生產(chǎn)不可缺少的環(huán)節(jié)。通過無級變頻調(diào)速，能夠在長期不同的低速條件下實(shí)現(xiàn)檢修工作。

（4）功率平衡調(diào)節(jié)特性

大型的帶式輸送機(jī)由多個驅(qū)動電機(jī)組成，各個電機(jī)之間的同步需要進(jìn)行特定的處理，以保證其功率的平衡性。在啟動或停車時，各個電機(jī)的響應(yīng)時間差應(yīng)該足夠小，而且當(dāng)其中一臺電機(jī)出現(xiàn)故障時，其它電機(jī)仍然能夠保證正常的運(yùn)載能力。為此，文中提出通過對變頻器的速度控制定義的方式來實(shí)現(xiàn)不同電機(jī)速度差的調(diào)節(jié)，這樣以來，能夠非常方便地改變各個電機(jī)的電流特性，使其最終達(dá)到平衡水平。

（5）智能通訊特性

文中所增設(shè)的防爆變頻器受控于SIEMENS公司生產(chǎn)的S7-300系列PLC，能夠通過軟件編程實(shí)現(xiàn)智能通訊方式，便于工作人員遠(yuǎn)程操控。帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中，每臺變頻器內(nèi)部裝有一臺S7-200系列PLC作為從站，主站S7-300與從站S7-200通過PROFIBUS進(jìn)行通訊，實(shí)時對各變頻器進(jìn)行監(jiān)控，以保證系統(tǒng)的動態(tài)可靠性。

1.3 變頻控制系統(tǒng)的施工改造

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐條件，文中總結(jié)對防爆變頻控制系統(tǒng)施工的主要改造內(nèi)容如下。

（1）驅(qū)動部電機(jī)與減速器底盤的改造

為了便于安裝，需要將當(dāng)前異步電機(jī)與減速器之間的機(jī)械軟啟動設(shè)備（液力耦合器）移除，使其改裝為具有彈性特征的柱銷齒式聯(lián)軸器；對于減速器，需要將其底盤拆除，通過焊接方法設(shè)計(jì)工裝，固定電機(jī)座。

（2）變頻器的調(diào)試工作

為了保證低帶式輸送機(jī)速重載的能力，需要對變頻器進(jìn)行不斷地調(diào)試，保證最佳設(shè)置條件，特別是在皮帶更換或維修后。

（3）尾部電機(jī)供電系統(tǒng)的改造

目前，帶式輸送機(jī)尾部的電機(jī)額定電壓為660 V，而輸送機(jī)驅(qū)動滾筒位置的4臺異步電機(jī)的額定電壓均為1 140 V，因此，需要統(tǒng)一處理，將尾部的的變壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其輸出的額定電壓為1 140 V。

2 液壓張緊系統(tǒng)的改造

2.1 張緊系統(tǒng)類型分析

根據(jù)帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作條件，可將其張緊方式分為固定式和移動式兩種[5]。其中，固定式張緊主要用于改向滾筒位置的皮帶拉緊，包括螺旋張緊、鋼絲繩滾筒拉緊等方式。移動式張緊包括絞車?yán)o、重力拉緊和自動拉緊等方式。文中針對常見的張緊方式進(jìn)行分析。

（1） 螺旋拉緊方式

在螺旋拉緊方式中，移動件為活動架，因此需要改向滾筒的主軸安裝至活動架。螺旋拉緊的移動副為導(dǎo)軌式，拉緊工作時活動件上面的螺母與活動架同步運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)皮帶的張緊和松弛。該種拉緊方式機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡單，安裝維護(hù)方便，但是最大拉緊行程有限，對于大型長距離輸送機(jī)不太適用。

（2） 重力拉緊方式

重力拉緊是一種廣泛應(yīng)用于各種帶式輸送機(jī)的拉緊方式，其結(jié)構(gòu)非常簡單，可通過重錘或重力車的自重實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的行程，使得皮帶張緊。重力拉緊方式具有較大的靈活性，適用于各種工況，能夠較好地補(bǔ)償皮帶的松弛度。該種拉緊方式無需額外的驅(qū)動，拉緊行程自動調(diào)整，但是拉緊力是恒定的，難以調(diào)節(jié)。重力拉緊適用于固定式長距離運(yùn)輸機(jī)，在長期的工作中具有高可靠性特點(diǎn)，在安裝的時候需要預(yù)留重力裝置較大的空間，較小空間范圍內(nèi)不適用。

（3）固定絞車張緊方式

固定絞車?yán)o需要借助于特定的絞車工具，一般該種絞車的占地空間較小，運(yùn)動時通過鋼繩的拉緊作用，而鋼繩纏繞在某個小滾筒上，由蝸輪蝸桿減速器實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)傳動。固定絞車?yán)o方式的張緊效率非常高，極限張緊力較大，在空間較為狹小的條件下有著良好的應(yīng)用效果。但是，該種張緊方式同樣不能夠自動調(diào)節(jié)，而且當(dāng)絞車出現(xiàn)故障問題時，較大的張緊力將瞬間丟失，整體的可靠性相對較低。

2.2 張緊系統(tǒng)的改造要求

根據(jù)以上幾種拉緊方式的工作原理可知，其均無法根據(jù)帶式輸送機(jī)驅(qū)動滾筒的牽引力自動實(shí)現(xiàn)張緊力的調(diào)節(jié)，因此存在一定的局限性[6]。對于大載荷長距離輸送機(jī)而言，較大的工作載荷下的皮帶將出現(xiàn)更大的彈性滑動現(xiàn)象，這對于連續(xù)的啟動和停車有著嚴(yán)重的影響。為此，文中提出一種自動張緊系統(tǒng)的改造方案。在確定改造方案之前，需要對張緊系統(tǒng)的改造要求進(jìn)行分析。

（1）對于長距離輸送要求的帶式輸送機(jī)自動張緊，不但要求其張緊力較大，保證皮帶的最大摩擦力，而且能夠在勻速運(yùn)行階段保持長時間的穩(wěn)定張力，變化幅度不能過大。

（2）對于自動張緊系統(tǒng)，要求其對于機(jī)械響應(yīng)的靈敏度足夠高。若張緊系統(tǒng)響應(yīng)較慢，將導(dǎo)致皮帶在重載松弛條件下運(yùn)行，不但會增加功耗，還會降低皮帶的使用壽命，在較長距離輸送時發(fā)生波涌現(xiàn)象。響應(yīng)靈敏、張力大是張緊系統(tǒng)安全性的基本保證。

（3）自動張緊系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)要充分考慮慣性作用。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，承載物料的皮帶將存在較大的慣性，而且與摩擦力之間存在動平衡關(guān)系。張緊裝置工作時，要保證慣性作用的后滯位移，若無法及時得到補(bǔ)償，會造成帶式輸送機(jī)工作的及其不穩(wěn)定。在國內(nèi)，采用軟啟動控制的帶式輸送機(jī)并不多，使得啟動或停車的加速度非常大，使得自動張緊裝置無法實(shí)時響應(yīng)。由工程實(shí)踐可知，變頻軟啟動控制與自動張緊控制的結(jié)合有著良好的應(yīng)用效果。

2.3 液壓自動張緊系統(tǒng)改造

根據(jù)張緊系統(tǒng)的改造要求可知，張緊裝置需要恰當(dāng)?shù)靥幚砥嵝泽w所存儲和釋放的機(jī)械能量。為了緩沖這種能量對于輸送機(jī)滾筒的負(fù)面影響，文中在拉緊系統(tǒng)中增設(shè)蓄能器，從而有效地降低皮帶的連續(xù)波動。

液壓自動張緊系統(tǒng)的改造結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，可以看出，該種張緊系統(tǒng)是基于固定絞車張緊裝置而改造的。該種張緊系統(tǒng)在輸送機(jī)運(yùn)行時，將通過電機(jī)帶動定量泵向拉緊油缸前腔充油，使油缸活塞桿產(chǎn)生拉緊力，拉緊力大小通過溢流閥控制其上限。在正常運(yùn)行時，油泵電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，此時靠蓄能器保證皮帶正常運(yùn)行的穩(wěn)定拉緊力。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過壓力設(shè)定值范圍時，由壓力繼電器判定壓力的上下限來判定油泵電機(jī)的工作狀態(tài)。

圖1 改造后的張緊系統(tǒng)示意圖

3 皮帶材料的優(yōu)化改進(jìn)

3.1 常見皮帶材料分類及特點(diǎn)

一般地，帶式輸送機(jī)中所選用的皮帶多數(shù)為柔性材料。根據(jù)內(nèi)部芯結(jié)構(gòu)及材料的不同，可將皮帶核心材料分為織物層芯和鋼絲繩芯兩種類型。其中，織物層芯類型的皮帶根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可以分為分層織物層芯和整體編織織物層芯兩類，這兩種織物層芯具有顯著的不同點(diǎn)。

整體編織織物層芯類型的具備更好的等強(qiáng)度和柔韌性，在高強(qiáng)度張力下有著良好的抗沖擊性，發(fā)生橫向撕裂的概率較小，但是由于伸長率較大，易跑偏[7]，對于拉緊行程的要求較高；鋼絲繩芯類型的皮帶設(shè)置有很多柔性良好的微細(xì)鋼絲，可根據(jù)鋼絲的直徑和并列間距的不同可分為多種強(qiáng)度系列或型號，通過強(qiáng)性粘合膠料與編制物料粘合而成，其在縱向的抗拉強(qiáng)度非常高，而且延伸率較小，因此相比于整體編織織物層芯類型的皮帶所需要的拉緊行程更小。

3.2 皮帶材質(zhì)改進(jìn)

文中所研究的帶式輸送機(jī)所采用的皮帶為鋼絲繩芯型皮帶，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)可知，其長時間工作后，皮帶發(fā)生磨損厚度降低，最終磨至鋼絲繩芯。當(dāng)鋼絲繩芯暴露于空氣中時，將快速發(fā)生氧化，而且空氣的顆粒將加速磨粒磨損，最終導(dǎo)致疲勞損壞、抽絲或斷裂，大大降低皮帶的工作壽命，嚴(yán)重時將發(fā)生安全事故。

通過多次調(diào)研與試驗(yàn)，文中發(fā)現(xiàn)采用整芯皮帶（PVG）可有效地消除鋼絲繩芯型皮帶的耐磨能力以及強(qiáng)度方面的不足。該種類型的皮帶在防撕裂能力和抗疲勞性能方面均超過鋼絲繩芯型皮帶，更適用于當(dāng)前的帶式輸送機(jī)工作環(huán)境。試驗(yàn)結(jié)果表明，該種皮帶的質(zhì)量較為輕便、功耗較小、安裝連接方便，但是需要更大的拉緊行程。針對自動張緊系統(tǒng)的改造，該種皮帶在張緊方面完全滿足工作要求。根據(jù)論證結(jié)果，將整芯皮帶替代鋼絲繩芯皮帶的技術(shù)改進(jìn)是一種有非常有必要和有效的手段。

4 結(jié)語

在本文所研究的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的改造條件下，其在各種工況下的啟動、停車等過程均表現(xiàn)出更強(qiáng)的穩(wěn)定性和安全性，更符合重載、長距離和大功率帶式輸送機(jī)的工作要求，滿足工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

根據(jù)長時間的現(xiàn)場實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)可知，運(yùn)用防爆變頻控制、自動張緊系統(tǒng)以及皮帶材質(zhì)改進(jìn)三種有段有著相輔相成的收益效果。整體而言，該種類型的改造成本較低，契合實(shí)際，后期的維護(hù)維修耗費(fèi)較少，質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性均符合煤礦的綜采需求。

參考文獻(xiàn)：

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