郭洪麗

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦，山西長治046200）

0 引言

帶式輸送機(jī)是一種大型運(yùn)輸設(shè)備，經(jīng)過最近幾年的發(fā)展已經(jīng)成為長距離、大功率以及高帶速的現(xiàn)代化設(shè)備?？墒窃趯?shí)踐的過程中，也出現(xiàn)了一定的問題，比如響應(yīng)速度慢，經(jīng)常出現(xiàn)打滑與斷裂等現(xiàn)象。張緊裝置能夠給運(yùn)輸機(jī)構(gòu)提供較大的張力，為機(jī)構(gòu)的安全運(yùn)行提供有效地保障。當(dāng)前常見的液壓張緊裝置廣泛選用分段式獨(dú)立設(shè)計，從而可以把張緊過程劃分為如下幾個階段：啟動階段；正常運(yùn)行階段；制動階段；停止運(yùn)行階段等。對于不同的運(yùn)動階段可以配置與之對應(yīng)的張力范圍，假如檢測到張力不在相應(yīng)的范圍時，那么系統(tǒng)就會對執(zhí)行單元進(jìn)行調(diào)整?？墒窃撓到y(tǒng)并不能依據(jù)靜態(tài)過程對張力進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，同時其調(diào)節(jié)精確度相對較差，往往表現(xiàn)出余量過大或者不足的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)了張力過勁或者太小的現(xiàn)象。在以往的研究中，鄢闖[1]簡單介紹了帶式輸送機(jī)的常見故障與相關(guān)處理措施，胡春梅[2]研究了帶式輸送機(jī)的重錘機(jī)械張緊，很少有學(xué)者對帶式輸輸送機(jī)的液壓自動張緊進(jìn)行研究。基于此，本文提出了運(yùn)用PLC進(jìn)行動態(tài)調(diào)整的液壓張緊控制裝置。該系統(tǒng)可以依據(jù)自適應(yīng)對張緊力進(jìn)行調(diào)整，與此同時對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，該系統(tǒng)能夠有效地克服傳統(tǒng)張緊系統(tǒng)的不足，為帶式輸送機(jī)的智能化發(fā)展提供參考。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)包括3個系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)。其中，液壓系統(tǒng)包括液壓站、蓄能器、緩沖油缸、張緊力產(chǎn)生設(shè)備等幾個組成單元。而張緊力產(chǎn)生設(shè)備包括張緊電機(jī)、制動器以及相應(yīng)的慢速絞車等幾個子單元，其可以給運(yùn)輸機(jī)提供張力，通常情況下緩沖油缸主要用來緩解傳送帶在工作的過程中所產(chǎn)生的振動以及松弛現(xiàn)象。電控系統(tǒng)運(yùn)用PLC對張緊電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，與此同時在張緊力傳感器的幫助下進(jìn)行張緊力的實(shí)時監(jiān)測，這樣在經(jīng)過張緊力信息處理的過程中可以對張緊力進(jìn)行調(diào)整。電控單元是控制自動張緊力與數(shù)值輸出的核心單元，在電控單元中可以執(zhí)行控制程序以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算等。對于機(jī)械控制系統(tǒng)而言，其包括張緊小車、鋼絲繩、慢速絞車、導(dǎo)向滑輪等。其中，執(zhí)行系統(tǒng)張緊動作的單元是慢速液壓絞車，能在較大范圍內(nèi)對張緊力進(jìn)行調(diào)整。鋼絲繩以及導(dǎo)向輪與執(zhí)行單元進(jìn)行過連接，通過液壓絞車正反正對鋼絲繩進(jìn)行的運(yùn)動方向進(jìn)行調(diào)整，從而可以調(diào)節(jié)傳送帶的松緊調(diào)節(jié)[3]。圖1所示為相應(yīng)的液壓自動張緊總體結(jié)構(gòu)。

圖1 帶式輸送機(jī)液壓自動張緊裝置結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)控制原理

通過分析圖2所示的液壓自動張緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理可以發(fā)現(xiàn)，由于液壓運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行的過程中需要張緊裝置提供不同的張緊力。可以借助PLC設(shè)置相應(yīng)的張緊力參數(shù)以及程序，進(jìn)而對運(yùn)輸機(jī)的各個狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整[3]。通過上位機(jī)遠(yuǎn)程向控制器發(fā)出操作指令，同時上位機(jī)還可以接受來自于調(diào)控器發(fā)出的指令，從而可以實(shí)時監(jiān)測運(yùn)輸機(jī)的張緊力狀態(tài)。當(dāng)控制器接收到啟動信息后，可以發(fā)出控制信號，進(jìn)而將張緊力調(diào)整為與啟動狀態(tài)相匹配的張緊力，而張緊力的數(shù)值設(shè)定為正常狀態(tài)下的1.5～2倍的范圍，這樣可以使得張緊絞車的制動器處于關(guān)閉狀態(tài)，而張緊電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，使得繩子處于拉緊狀態(tài)。與此同時可以借助液壓站向緩沖油缸充油。假如張緊力達(dá)到啟動設(shè)置的數(shù)值時，那么相應(yīng)的制動器將會啟動，進(jìn)而張緊電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，最終使得液壓站處于空載運(yùn)行狀態(tài)[4]。假如傳送速度處于正常工作的數(shù)值，那么可以借助PLC對自動控制張力進(jìn)行控制，從而使得自動張緊裝置處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。假如系統(tǒng)接收到停止運(yùn)行信號時，那么這時PLC通過給張緊力傳輸停止工作的信號后，將張緊力調(diào)整為停機(jī)狀態(tài)的數(shù)值。同時相應(yīng)的設(shè)備也做出相應(yīng)的動作，比如絞車制動器處于啟動狀態(tài)，所有的電磁閥也會處于關(guān)閉狀態(tài)，同時液壓系統(tǒng)也會處于停止工作的狀態(tài)[5]。

圖2 液壓自動張緊裝置具體結(jié)構(gòu)原理

該系統(tǒng)還設(shè)置了斷帶保護(hù)裝置，假如傳動帶出現(xiàn)斷裂時，那么相應(yīng)的傳送帶張緊力將會下降到0。PLC可以將信號傳遞給液壓站將其設(shè)置為停止運(yùn)行的工作狀態(tài)，同時絞車制動器處于啟動狀態(tài)，將蓄能器與油箱接通，這樣可以使得緩沖油缸處于卸載的狀態(tài)。

2 硬件方案設(shè)計及選型

由于系統(tǒng)的運(yùn)行離不開硬件的支撐，因此必須選擇合適的硬件系統(tǒng)。因此依據(jù)上述需要設(shè)計出合適的硬件操作系統(tǒng)[6]。

該硬件系統(tǒng)中，PLC是核心硬件單元，選用西門子S7-1200可編程控制器。其具有緊湊的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行速度快、能夠滿足導(dǎo)軌形式的安裝、設(shè)置有10~24個I/O接口、電源單元選用PM1207。與此同時集成了PROFINET接口、專用RJ45連接器，從而能夠極大地提高數(shù)據(jù)傳輸效率，能夠滿足該系統(tǒng)的需要。張緊電機(jī)選用三相異步電機(jī)，其型號為Y180L-4型，轉(zhuǎn)速為1 470 r/min，對應(yīng)的功率為11 kW，電機(jī)的額定電壓選選定為380 V。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)在工作的過程中，由于油泵供油時并不能滿足峰值需要以及更好地調(diào)整壓力脈動等情況，而設(shè)置的蓄能器可以較好地吸收壓力脈動情況，進(jìn)一步可以有效地提高系統(tǒng)的性能。本設(shè)計選用蓄能器的型號為NXQ-L型，公稱容積達(dá)到0.4 L，相應(yīng)的壓力為10 MPa，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)該蓄能器能夠滿足系統(tǒng)的需要。在該系統(tǒng)中，液壓油泵是液壓系統(tǒng)的動力單元，當(dāng)電動機(jī)驅(qū)動可以將油箱中的油液輸送給執(zhí)行單元。選用的液壓油泵型號為NBT3-D10F，額定功率選為3.2 kW，相應(yīng)的排量為10 mL/r，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)該液壓油泵能夠滿足系統(tǒng)的需要[7]。

該系統(tǒng)張力值采樣系統(tǒng)由張力傳感器和張力變送器兩個單元組成。通常張力傳感器設(shè)置在鋼絲繩上，其能夠?qū)埩M(jìn)行采樣，將張力物理信號轉(zhuǎn)化成為4～20 mA的電信號，將改電信號傳輸給PLC控制單元，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理傳輸給上位機(jī)，同時能夠?qū)埩M(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。該張力傳感器選用本質(zhì)安全傳感器，其型號為UAD10，其控制精度范圍在±300，量程范圍在0～10 t范圍內(nèi)，相應(yīng)的工作電壓為12 V，工作溫度在-5～+50℃范圍內(nèi)，分辨力精度可以達(dá)到65 000分度，量程可調(diào)節(jié)的范圍在2～30 mV的范圍內(nèi)，經(jīng)過分析該型號的張力傳感器能夠滿足工程的需要。

3 軟件方案設(shè)計

本設(shè)計在軟件開發(fā)的過程中，充分結(jié)合張緊裝置中運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行時出現(xiàn)的彈性以及波動性問題，從程序的層面發(fā)出控制指令控制張緊小車存在的振蕩問題[8]。圖3所示為相應(yīng)的張緊力控制流程。

圖3 帶式輸送機(jī)張緊力控制流程

4 應(yīng)用效果分析

山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦某巷設(shè)計長度大約為1 200 m左右，該巷道選用的掘進(jìn)工藝為綜合機(jī)械化掘進(jìn)，在巷道日常掘進(jìn)作業(yè)中應(yīng)用的是SSJ-800型帶式輸送機(jī)來運(yùn)輸煤及矸石，該帶式輸送機(jī)所采用的驅(qū)動方式為雙電機(jī)驅(qū)動，每臺電機(jī)為40 kW的額定功率，輸送機(jī)的具體安裝長度設(shè)計為400 m，該巷道在掘進(jìn)前200 m時，該帶式輸送機(jī)所用的張緊方式主要為傳統(tǒng)液壓張緊方式，該種張緊方式在實(shí)際應(yīng)用中時常會發(fā)生故障，在巷道掘進(jìn)前期，由于帶式輸送機(jī)張緊方式的不科學(xué)、不合理，引發(fā)該輸送機(jī)出現(xiàn)了4次的斷帶事故，張緊裝置經(jīng)常發(fā)生故障，僅維修該輸送機(jī)的人力物力成本就高達(dá)15萬元左右。

2020年4月經(jīng)相關(guān)技術(shù)人員的實(shí)地考察研究，決定更換該輸送機(jī)的原張緊裝置，應(yīng)用新型帶式輸送機(jī)液壓自動張緊裝置后，直到2020年10月，經(jīng)6個月左右的實(shí)地應(yīng)用觀察，人們發(fā)現(xiàn)自從應(yīng)用該新型液壓自動張緊裝置后，該帶式輸送機(jī)從沒發(fā)生一起由于張緊裝置不當(dāng)而引發(fā)的斷帶停機(jī)事故，可節(jié)約輸送機(jī)輸送機(jī)維修維護(hù)成本70萬元左右。

5 結(jié)束語

帶式輸送機(jī)皮帶張緊裝置是保障帶式輸送機(jī)安全高效運(yùn)行的重要部件，在工程實(shí)踐的過程中發(fā)現(xiàn)，該帶式輸送機(jī)液壓自動張緊裝置不僅具有簡單的張緊帶式輸送機(jī)皮帶的功能，而且能夠有效地實(shí)時監(jiān)測張緊力的變化情況，根據(jù)帶式輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行所需的張力情況對皮帶的張緊力進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，其能夠優(yōu)化張緊力的工作過程，達(dá)到帶式輸送機(jī)自動張緊的目的，總之，通過應(yīng)用該帶式輸送機(jī)液壓自動張緊裝置一方面能有效減少帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中所需的人力物力維護(hù)成本，另一方面可實(shí)時張緊皮帶有助于進(jìn)一步提高帶式輸送機(jī)的運(yùn)行效能，該裝置具有一定的推廣應(yīng)用價值。