楊衛(wèi)東

（西安科技大學(xué)，陜西 西安710054）

0 前言

帶式輸送機(jī)不僅適用于煤炭行業(yè)，也適用于其他需要進(jìn)行高質(zhì)量材料轉(zhuǎn)移的一些行業(yè)。以前，所有材料都是通過人力來運輸，這導(dǎo)致著運輸速度緩而且效率低。帶式輸送機(jī)的出現(xiàn)，在經(jīng)過長時間不斷的改進(jìn)和升級，現(xiàn)在可以實現(xiàn)煤炭的大量運輸，無需人工控制便可自動運輸，可以滿足運輸過程中的各種要求和不同環(huán)境下的運輸。因此在各行各業(yè)中都受到青睞。在保證帶式輸送機(jī)的傳輸距離恰當(dāng)?shù)那闆r下，又能使帶式輸送機(jī)的承載力提高，運輸?shù)男试鰪?qiáng)也不影響它的安全性，這個過程中輸送帶的輸送實現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展，有利于推動帶式輸送機(jī)一體化水平提升。在一些發(fā)達(dá)國家的工業(yè)中，在某些特殊情況下由于需要更大距離、更大運量的輸送機(jī)，已經(jīng)開始擴(kuò)大其對增強(qiáng)輸送機(jī)的系列研究，并取得了一些顯著的研究成果，并已經(jīng)生產(chǎn)出相應(yīng)的產(chǎn)品。由于輸送機(jī)在啟動和停止過程中具有明顯的緩沖，其效果主要是由于皮帶自身的粘彈性。因此，輸送機(jī)的張力在啟動和停止期間將相應(yīng)地改變，這將對輸送機(jī)的運動產(chǎn)生很大的影響。如輸送帶的工作壽命縮短等安全事故。有時候帶式輸送機(jī)不僅不能保證張緊裝置的安全性和穩(wěn)定性，而且還可能直接影響整個輸送帶的安全性和穩(wěn)定性。因此，為了確保輸送帶的輸送材料的穩(wěn)定性和安全性，必須重復(fù)優(yōu)化整個張緊裝置，以確保其始終處于正常工作狀態(tài)。

1 帶式輸送機(jī)張緊系統(tǒng)

1.1 帶式輸送機(jī)張緊系統(tǒng)的工作原理

在市面上普及率高的帶式輸送機(jī)張緊裝置是絞車張緊裝置、重錘張緊裝置和液壓張緊裝置。

（1）絞車張緊裝置涵蓋了自動絞車張緊裝置、固定絞車張緊裝置。自動絞車張緊裝置通常裝備著壓力傳感器，是為了讓帶式輸送機(jī)運行的同時，保持一定的張力。壓力傳感器的落后、機(jī)械系統(tǒng)的不完善使的各種信息滯后緩慢，導(dǎo)致了自動絞車張緊裝置不能做出正確的信號反應(yīng)，因而自動絞車張緊裝置運轉(zhuǎn)隨之發(fā)生問題。固定絞車張緊裝置及時調(diào)節(jié)張緊力的高低，在這個過程中保持著恒定的張緊力。而一旦張緊力反應(yīng)慢下來，絞車張緊的弊端往往就是絞車和控制系統(tǒng)運轉(zhuǎn)失常的罪魁禍?zhǔn)?，其中的不良后果不單單是帶式輸送機(jī)無法形成穩(wěn)定的張緊力或張緊力無力，大大打擊了安全可靠性[1]。

（2）重錘張緊裝置的關(guān)鍵在于鋼絲繩上懸掛的重錘，確保輸送機(jī)的張緊車時刻具備相當(dāng)?shù)膹埦o力。它從頭到尾都讓重物保持著一種穩(wěn)定的張緊力，更加得安全可靠。其缺點是張緊力不能調(diào)節(jié)。

（3）液壓張緊裝置的重點離不開液壓站包含的壓力，促使油缸形成了帶式輸送機(jī)的張緊力。這樣的結(jié)構(gòu)有利于在不同的輸送機(jī)工作中，也能夠擁有恰當(dāng)?shù)膹埦o力。為了確保液壓站和油缸同時能夠順利工作，在液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)不能工作時，也即是輸送機(jī)失去了穩(wěn)定的張緊力或張緊力調(diào)節(jié)失控，安全質(zhì)量大受影響[2]。

1.2 張緊裝置的功能

張緊裝置功能的發(fā)揮離不開摩擦力，而這種摩擦力來源于輸送機(jī)和滾筒間的摩擦作用，在這種力的作用下保證了輸送機(jī)具有足夠的動力。如果整個過程時刻要求機(jī)器順利工作，那么張緊裝置要從頭到尾都要跟隨著帶式輸送機(jī)的運作。由此可見，張緊裝置助力皮帶輸送帶的張緊調(diào)控，集中表現(xiàn)為[3]：

（1）提供合適的張力。能夠保持所需的張力，在皮帶和滾筒中間形成摩擦驅(qū)動著設(shè)備能夠正確操作皮帶；提供足夠的張力，使運行點滿足張力要求，防止輸送帶在起動階段，運行階段和停車階段滑動；提供足夠的張力，使輸送機(jī)具有較小的下垂，從而減少滾筒之間的運行阻力并防止偏差。

（2）補(bǔ)償輸送帶的伸長。因為輸送機(jī)具有粘彈性，如果輸送機(jī)運行相當(dāng)?shù)臅r間后，形成了一定的時間，促使張力變小，讓張緊裝置及時彌補(bǔ)輸送機(jī)的擴(kuò)張并防范未然。

（3）使輸送機(jī)在接頭處有足夠的行程并進(jìn)行修理。

（4）帶式輸送機(jī)選擇長距離輸送的情況時，能夠完美躲避起動和運轉(zhuǎn)過程中輸送帶產(chǎn)生的多余力量。

（5）減振。皮帶的作用在于隨機(jī)應(yīng)變，在啟動和制動階段的不同狀態(tài)下，以振動的不同頻次，降低了液壓自動張緊裝置運轉(zhuǎn)時的自動張緊頻次，有效削減液壓油造成的皮帶振動。

2 張緊力計算

張緊力計算是涵蓋了帶式輸送機(jī)的工作全過程所產(chǎn)生的阻力。即主要阻力Fz、附加阻力Fc、特殊阻力Ft和傾斜阻力Fq[4-7]。公式來源于文獻(xiàn)[4-7]中相關(guān)公式整理與推導(dǎo)。主要來自于王延陽的《輸煤皮帶更換阻力計算方法介紹》中相關(guān)公式。

2.1 運行阻力分析

（1）主要阻力

主要阻力是指輸送帶在回程段和承載段過程中運輸煤炭時所生成的阻力，這部分阻力在帶式輸送機(jī)運行過程中占有絕大比例的部分。在煤炭自身重力作用的影響下，由于輸送帶的彈性，輸送帶在托輥與托輥之間會呈現(xiàn)出了一種向下彎曲，通過托輥時向上彎曲的現(xiàn)象，與此同時輸送帶下的表層在托輥之間不斷被擠壓摩擦，造成主要阻力。

輸送機(jī)的主要阻力計算公式如下：

式中f為模擬摩擦系數(shù)；L為輸送機(jī)的長度；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；qro為承載了分支托輥組每米旋轉(zhuǎn)部位分量；qru為返程分支托輥組每米旋轉(zhuǎn)成分的質(zhì)量；qb為每米長度輸送帶重量；qg為每米長度輸送物流重量；δ為輸送帶傾角。

（2）附加阻力

附加阻力主要是指帶式輸送機(jī)在機(jī)頭位置煤炭加速時產(chǎn)生的摩擦力、輸送帶在尾部位置改向時的阻力以及清掃器對輸送帶的摩擦力。

式中Fba為加重帶物資與傳送段之間的摩擦力以及慣性力；Ff為加快帶煤炭和攔板間的摩擦力；F1為膠帶繞經(jīng)滾筒的阻力；Ft為滾筒軸承阻力；N1為輸送帶繞過的滾筒次數(shù)；N2為改向滾筒個數(shù)。

（3）特殊阻力

帶式輸送機(jī)在運行過程中突然發(fā)生速度突變時，會產(chǎn)生煤炭加速后與導(dǎo)料槽間的摩擦阻力；在輸送帶出現(xiàn)傾斜狀況時，調(diào)心托輥與輸送帶之間產(chǎn)生的摩擦阻力。

式中Fhb為物資與導(dǎo)物攔板摩擦產(chǎn)生的力；Fts為托輥前傾的摩擦力；

（4）傾斜阻力

在井下不同巷道之間煤炭的運輸過程中，通常需要大傾角的帶式輸送機(jī)進(jìn)行煤炭運輸，受進(jìn)料點與卸料點間的垂直高度差會對運行造成阻力，上運式與下運式輸送機(jī)的傾斜阻力方向相反。對于更為復(fù)雜的運輸路線，則需要分別計算各段阻力后對其求和得到帶式輸送機(jī)的總傾斜阻力，傾斜阻力計算公式如下：

式中H為帶式輸送機(jī)接料點到卸料點的垂直高度；

2.2 張緊力分析

（1）驅(qū)動力

式中F代表著帶式輸送機(jī)前進(jìn)滾軸的圓周力也就是輸送帶張力形成的摩擦牽引力；Fr為前進(jìn)滾軸奔入點張緊力；Fl為前進(jìn)滾軸分離點張緊力。

（2）分層逐步計算帶式輸送機(jī)的張緊力

對輸送帶進(jìn)行劃分，計算出各個分離點的張緊力后，采用逐點計算的方法對各段輸送帶的張緊力進(jìn)行計算，具體步驟如下：

Step 1：劃分區(qū)間段。首先需要將不同特征的各區(qū)間段進(jìn)行獨立劃分，劃分區(qū)間段的依據(jù)包括單位長度的煤炭重量和托輥重量，輸送帶傾角值，運行方向等，其中將滾筒段劃分到單獨區(qū)域內(nèi)進(jìn)行計算。

Step 2：特征點編號。將所有輸送帶進(jìn)行區(qū)間段劃分后，按照運行方向的順序?qū)斔蛶^(qū)間段進(jìn)行編號，在張力已知的驅(qū)動滾筒分離點開始編號。

Step 3：各區(qū)間段阻力計算。根據(jù)上一區(qū)間段阻力計算的結(jié)果，在根據(jù)不同情況下，明確各區(qū)間段總阻力值計算的合適手段。

Step 4：各段張緊力計算。

3 張緊控制系統(tǒng)原理

絞車張緊裝置和重錘張緊裝置無法自如地改變張力，液壓張緊裝置對資金投入和維護(hù)工作量的要求更高，采用皮帶上安裝張力控制系統(tǒng)的方法，能夠保持設(shè)備操作的安全水平，其工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理圖

在輸送帶確保安全工作時，電動機(jī)的驅(qū)動電流I經(jīng)過大量的公式轉(zhuǎn)換能得出輸送帶的理論張進(jìn)力F理。在接著絞車鋼絲繩上的力傳感器比對鋼絲繩上的張進(jìn)力F測反饋信號。通過對比理論張進(jìn)力F理與測量張進(jìn)力F測兩者力的高低，選擇單片機(jī)來控制，單片機(jī)接收模擬信號以便來調(diào)節(jié)電磁比例溢流閥的電流i，才能更好地操作液壓系統(tǒng)的壓力P，也就是保持離合器的間距。這要具體劃分成不同的類別：①當(dāng)F測＞F理時，離合器保持不變，改變離合器距離，讓絞車設(shè)備的鋼絲繩向相反的方向捆綁，保證鋼絲繩上的張緊力減弱；②當(dāng)F測＜F理時，操作離合器進(jìn)行改變，讓離合器長度變小，而絞車設(shè)備卷動鋼絲繩，繩拉緊了鋼絲繩上的張緊力[8]。

4 負(fù)載與電流的關(guān)系

帶式輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)選用異步交流電機(jī)，輸入功率Pr可以寫作為[9-13]：

公式中，r為定子相數(shù)；Ud為定子電壓值；Id為定子電流值；cosφd為定子的功率因數(shù)。

定子回路的功率損失其中包含了繞組的銅損耗與鐵芯磁損耗，剩余功率是在氣隙旋轉(zhuǎn)磁場運送至轉(zhuǎn)子回路的行程中所形成的電磁功率。電磁功率包括了轉(zhuǎn)子回路中繞組的銅損耗和機(jī)械功率的有效表達(dá)，它的具體表達(dá)是：

公式中，PdCu是針對定子繞組銅損耗的等效電阻值；IFe為定子繞組鐵芯內(nèi)部等效電流值；RFe指定子繞組鐵芯磁損耗等效電阻值的再現(xiàn)；Iz為轉(zhuǎn)子電流值；RzCu是轉(zhuǎn)子繞組銅損耗的等效電阻值的表現(xiàn)；Ez為轉(zhuǎn)子電動勢；cosφz為轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)。

機(jī)械功率Pm包含了傳遞帶式輸送機(jī)上的功率和機(jī)械傳動所磨損的功率，傳動效率為ηz，已知驅(qū)動滾筒得的圓周力為F，故有：

已知異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是具有指導(dǎo)性關(guān)系的，它能引導(dǎo)著我們發(fā)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械功率之間的關(guān)系，即為：

公式中，ωq為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動的角速度；n為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速p為極對數(shù)；Nz為相轉(zhuǎn)子繞組的總匝數(shù)；Kz為轉(zhuǎn)子繞組的基波繞組系數(shù)；φ為氣隙磁場中每級的主磁通量，可通過一定頻率下的定子繞組的電動勢所獲取，對于定子繞組的電動勢較強(qiáng)的表達(dá)關(guān)系式為：Ud=Ed，每一級的主磁通量的計算公式如下[14-15]：

公式中，Ed為定子電動勢；fd為定子繞組的頻率；Nd為相定子繞組的總匝數(shù)；Kd為定子繞組的基波繞組系數(shù)。

功率因素角可由公式求得：

公式中，Rz為轉(zhuǎn)子繞組的電阻；Lz為轉(zhuǎn)子電感，一般為常量；s標(biāo)志著轉(zhuǎn)差率，表示著電機(jī)能順利轉(zhuǎn)動，可以跟隨著電磁轉(zhuǎn)矩的改變而進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，兩者之間的表達(dá)關(guān)系為：

其中最大轉(zhuǎn)矩Tm對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率Sm由產(chǎn)品手冊可查得。

整合以上所有公式可得出電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流和驅(qū)動滾筒的驅(qū)動力之間的表達(dá)關(guān)系式為：

分析了帶式輸送機(jī)運行過程中張緊力的變化情況，定子電流值的大小可以根據(jù)煤炭的負(fù)載的多少計算出來，而且張緊力的大小根據(jù)煤炭負(fù)載的多少計算出來，因此通過電動機(jī)的電流的變化情況可以相應(yīng)反應(yīng)出煤炭負(fù)載的多少[16]。

在理論計算情況下，帶式輸送機(jī)的負(fù)載與電動機(jī)的電流之間存在著相應(yīng)的線性對應(yīng)關(guān)系，但是實際情況下，總會有一些差別。在實際運行狀況下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率不是一直不變的，而是會隨著不同工況而發(fā)生變化，而且?guī)捷斔蜋C(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)也會受到不同環(huán)境差別的影響，導(dǎo)致計算過程一些參數(shù)難以確定如電機(jī)內(nèi)部參數(shù)等，因此可見電機(jī)的電流與負(fù)載并非線性關(guān)系，而是非線性特性[17-19]。

5 結(jié)束語

常規(guī)方式設(shè)計的張緊裝置的動態(tài)張緊效果不佳，這種方法是基于靜態(tài)基礎(chǔ)上實現(xiàn)各階段獨立的動態(tài)設(shè)計的。張緊過程分為四階段：啟動、運行、制動和停車，在每個階段中所要求的一定張力是完全不一樣的。因此，當(dāng)發(fā)生張力超出限定范圍的情況時，就必須對張力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

張緊裝置是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，主要由張緊絞車系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。重點和難點在于如何調(diào)節(jié)張緊力的大小，因此提出了電流與力雙反饋動態(tài)張緊系統(tǒng)方案。通過電流識別輸送帶上荷載量，因此，在對電流和負(fù)載信息方面進(jìn)行分析后，可以發(fā)現(xiàn)二者明顯存在關(guān)系。電流能夠?qū)﹂]環(huán)回路進(jìn)行反饋，秘訣在于帶式輸送機(jī)電機(jī)接收電流消息，及時接收檢測電流量變化狀況，能夠?qū)碚搹埦o力的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析。經(jīng)過大量力傳感器所測的張緊力現(xiàn)實數(shù)據(jù)整理，張緊張力平衡得到很好的調(diào)控。設(shè)備運轉(zhuǎn)的全過程貫穿了負(fù)載隨時的變化的應(yīng)對智慧，順利前進(jìn)的終極奧義是輸送機(jī)從始至終都具備著合適的張力。綜上所述的電流反饋自動控制系統(tǒng)完美實現(xiàn)了常規(guī)設(shè)計中張緊力分布均衡，機(jī)智應(yīng)對整套張緊系統(tǒng)的瞬息萬變，具有高度的智能化。同時對于正在發(fā)展中的輸送機(jī)動力學(xué)研發(fā)有著指導(dǎo)性作用，更符合當(dāng)下輸送機(jī)的現(xiàn)實要求。