曹 偉

（山西焦煤汾西礦業(yè)中興煤業(yè)， 山西 交城 030500）

0 引言

隨著煤礦井下大功率、先進(jìn)的采掘設(shè)備應(yīng)用推廣，煤炭產(chǎn)量不斷增加，對帶式輸送機(jī)運(yùn)輸可靠性、穩(wěn)定性以及運(yùn)輸效率等方面提出更高要求[1-2]。帶式輸送機(jī)由于負(fù)載大、運(yùn)輸距離長，在輸送帶自重、運(yùn)輸物料重力以及牽引力等作用下出現(xiàn)一定程度伸出情況，若不對伸長量進(jìn)行補(bǔ)償容易導(dǎo)致輸送帶出現(xiàn)打滑、跑偏等故障，給帶式輸送機(jī)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(jī)提供一定張力，可提升帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性[6-7]。隨著煤礦井下帶式輸送機(jī)控制方式、驅(qū)動方式等不斷發(fā)展，帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中輸送帶張緊力呈現(xiàn)時變性、非線性的特征，文中就依據(jù)帶式輸送機(jī)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(jī)張緊力始終在合理范圍內(nèi)，提升帶式輸送機(jī)運(yùn)行的可靠性。

1 帶式輸送機(jī)運(yùn)行受力分析

帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)向滾筒、驅(qū)動滾筒、輸送帶、機(jī)架以及托輥等，輸送帶通過驅(qū)動、轉(zhuǎn)向滾筒閉環(huán)實現(xiàn)輸送帶上物料運(yùn)輸，通過調(diào)整轉(zhuǎn)向滾筒與驅(qū)動滾筒間距離即可實現(xiàn)輸送帶張緊程度（張緊力）的調(diào)整[8-9]。帶式輸送機(jī)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(jī)運(yùn)行時，受滾筒與輸送帶間作業(yè)力影響上部輸送帶張緊、下部松弛，具體正常運(yùn)行時輸送帶受力情況如圖1 所示。

圖1 正常運(yùn)行時輸送帶受力示意圖

設(shè)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(shù)。求解公式（1）并結(jié)合邊界條件T（θ=0）=T2求得T=T2e-μθ。

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

驅(qū)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(qū)動力可通過增大滾筒與輸送帶間摩擦系數(shù)、提升輸送帶張緊力以及增大輸送帶與滾筒間包角實現(xiàn)。其中提升輸送帶張緊力不需要改變輸送機(jī)結(jié)構(gòu)，僅增加張緊力控制裝置即可實現(xiàn)，因此提升帶式輸送機(jī)張緊力即為增設(shè)張緊力控制裝置。

2 張緊力控制裝置設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)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(jī)運(yùn)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(jié)構(gòu)組成包括有機(jī)械系統(tǒng)（組成包括張緊絞車、鋼絲繩以及移動小車等）、電氣控制系統(tǒng)（包括張緊檢測裝置、電控站等）以及液壓控制系統(tǒng)（包括液壓制動器、液壓馬達(dá)以及蓄能器等）等，具體如圖2 所示。電控站根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制程序調(diào)整液壓馬達(dá)輸出扭矩、轉(zhuǎn)速等，絞車轉(zhuǎn)動張緊收放鋼絲繩從而帶動移動小車運(yùn)動，達(dá)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(wěn)、吸收張緊力調(diào)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(jié)構(gòu)示意圖

2.2 關(guān)鍵組成單元選型

1）PLC 控制器。該設(shè)備是整個張緊力控制裝置電控系統(tǒng)的核心組成，依據(jù)控制需要選用的PLC 控制器型號為S7-200 系列，該P(yáng)LC 控制器內(nèi)CPU 處理單元為226AC/DC/RLY 處理器，可基于Windows 系統(tǒng)編程。系統(tǒng)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(xiàn)液壓控制的核心元件，通過對液壓系統(tǒng)溢流壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，可控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)扭矩，進(jìn)而控制鋼絲繩收放量，實現(xiàn)輸送帶張緊程度調(diào)節(jié)。根據(jù)張緊力需要并結(jié)合煤礦井下環(huán)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(diào)節(jié)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(xiàn)輸送帶張緊力實時監(jiān)測。由于控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令均以傳感器監(jiān)測獲取到的輸送帶張力為基礎(chǔ)，因此對傳感器性能穩(wěn)定、監(jiān)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(xiàn)張緊力監(jiān)測結(jié)果傳輸，采用的傳感器監(jiān)測范圍為1 000～10 000 kN，測量偏差在1%以內(nèi)。

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(xì)分為啟動、加速至穩(wěn)定運(yùn)行、正常運(yùn)行及保壓、停機(jī)這4 個階段。

1）啟動階段。電控箱供電后首先應(yīng)進(jìn)行自檢，若發(fā)現(xiàn)張緊力低于預(yù)警值時則認(rèn)為系統(tǒng)存在液壓或者機(jī)械故障，應(yīng)停機(jī)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(diào)整啟動壓力，同時松開液壓絞車制動抱閘，液壓馬達(dá)工作并拉緊鋼絲繩；檢測到施加到輸送帶上的預(yù)緊力為正常預(yù)緊力的1.4～1.5 倍時，則認(rèn)為帶式輸送機(jī)具備有啟動條件，則帶式輸送機(jī)正常啟動。

2）加速至穩(wěn)定運(yùn)行階段。當(dāng)帶式輸送機(jī)完成啟動后溢流閥將供液壓力調(diào)整至正常值，絞車在液壓馬達(dá)驅(qū)動下送繩，直至輸送帶張緊力降至設(shè)計預(yù)緊力；此后絞車液壓抱閘抱緊，確保張緊力控制裝置在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行。

3）正常運(yùn)行及保壓階段。帶式輸送機(jī)運(yùn)行時輸送帶張緊力會隨著負(fù)載變化，用傳感器監(jiān)測張緊力并將結(jié)果傳輸給PLC；當(dāng)張緊力波動超過設(shè)定值的10%時，電磁換向閥通電并通過控制絞車轉(zhuǎn)動實現(xiàn)張緊力調(diào)節(jié)，確保張緊力始終在設(shè)定范圍內(nèi)。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(jìn)行調(diào)節(jié)。

4）停機(jī)階段。電控系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)信號后，溢流閥將壓力調(diào)整至停機(jī)壓力，換向閥動作后絞車轉(zhuǎn)動并松繩，直至輸送帶張緊力恢復(fù)至停機(jī)設(shè)定值；隨后換向閥復(fù)位，液壓系統(tǒng)停止運(yùn)行，帶式輸送機(jī)得以平穩(wěn)停機(jī)。

2.3.2 張緊力手動控制

當(dāng)需要對帶式輸送機(jī)進(jìn)行維護(hù)時，可將張緊力控制裝置控制方式調(diào)整為手動模式，此時可通過控制按鈕實現(xiàn)緩沖液壓缸伸縮或者絞車正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制，從而實現(xiàn)帶式輸送機(jī)張緊力手動調(diào)節(jié)控制。

3 張緊力控制裝置技術(shù)優(yōu)勢

1）相對于帶式輸送機(jī)使用的常規(guī)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(jié)合，使得張緊力控制裝置最大張緊行程可達(dá)到20 m，輸送帶具備有更大的伸縮調(diào)節(jié)范圍，便于接頭及后續(xù)維修工作開展。

2）采用傳感器可實現(xiàn)輸送帶張緊力實時監(jiān)測，為張緊力調(diào)整提供基礎(chǔ)；此外張緊力調(diào)節(jié)裝置可根據(jù)帶式輸送機(jī)在啟動、制動及平穩(wěn)運(yùn)行等階段的運(yùn)輸需要，對張緊力進(jìn)行分區(qū)段精準(zhǔn)控制，降低輸送帶磨損以及能耗。

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

4）當(dāng)輸送帶出現(xiàn)斷帶故障時，輸送帶上張緊力會出現(xiàn)明顯波動，傳感器將監(jiān)測信號迅速傳輸給電控系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)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(jié)語

為提升煤礦井下長距離運(yùn)輸帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性，文中在對帶式輸送機(jī)運(yùn)行期間受力分析基礎(chǔ)上，提出一種帶式輸送機(jī)張緊力控制裝置。該控制裝置將液壓油缸、張緊絞車相結(jié)合，不僅可為滿足帶式輸送機(jī)在不同運(yùn)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(jié)構(gòu)、關(guān)鍵零部件以及張緊控制方式等內(nèi)容進(jìn)行分析。文中所提張緊力控制裝置對提升帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、節(jié)省運(yùn)行成本等方面有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。