姚 旭

（晉能控股煤業(yè)集團雁崖煤業(yè)有限公司，山西大同037003）

皮帶運輸機是一種利用滾筒和皮帶的連續(xù)摩擦驅(qū)動實現(xiàn)快速穩(wěn)定運輸貨物的機械，是煤礦運輸中普遍采用的一種運輸設(shè)備。當(dāng)前，皮帶輸送機在使用中常常出現(xiàn)打滑、跑偏等情況，造成運輸系統(tǒng)的中斷，一旦出現(xiàn)這種情況，必須立即停止運轉(zhuǎn)，否則會對整個運輸體系的安全運行造成威脅。帶式輸送機出現(xiàn)打滑現(xiàn)象后，會造成物料的過量堆積，當(dāng)堆積數(shù)量超過一定的閾值，就會對皮帶造成磨損，甚至使電動機發(fā)熱、燒毀，影響企業(yè)的生產(chǎn)效率，造成經(jīng)濟損失。造成打滑的主要因素是：皮帶超載、膠帶張緊力不夠、傳動滾筒膠帶磨損、滾筒破損、落料部位大量堵塞等。晉能煤業(yè)集團公司下屬煤礦反映，皮帶運輸車在長途運輸中經(jīng)常發(fā)生打滑現(xiàn)象，其原因是拖車的出力比回程皮帶的總阻力小，由此導(dǎo)致滾筒和膠帶的間歇性打滑，打滑將導(dǎo)致傳動滾筒包膠的磨損，使皮帶打滑現(xiàn)象進一步加劇。本文在查閱了國內(nèi)外相關(guān)資料后，提出了解決拖尾及皮帶打滑的技術(shù)措施，即采用牽引力傳感器檢測其張力，并根據(jù)其張力進行張緊度的實時調(diào)整，以避免打滑現(xiàn)象的出現(xiàn)。但是，該技術(shù)在調(diào)節(jié)皮帶時會有一些時間延遲，特別是在拉力調(diào)整達到預(yù)期效果前，長距離輸送時會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，依然會損壞尾滾筒和膠帶。

針對以上技術(shù)問題，研制一種用于皮帶輸送機的拉力測量調(diào)整機構(gòu)，使其能夠?qū)蟛康尿?qū)動力進行自動調(diào)整，以保證其在一定程度上達到返程時的拖曳阻力。同時保證了后滾筒在各種工作條件下的起動和運轉(zhuǎn)都不會發(fā)生打滑。

1 尾部驅(qū)動力自動調(diào)節(jié)裝置組成及工作原理

對滾筒和膠條間的滑動進行了研究和分析發(fā)現(xiàn)，造成這種打滑的主要是由于皮帶在回路中的運轉(zhuǎn)阻力變大，沒有能適時地減小皮帶輸送機的后部電機的速度，從而提高了后部的驅(qū)動力。導(dǎo)致皮帶運輸機的后軸傳動滾筒的驅(qū)動力比回路皮帶的傳動要小，使?jié)L筒和皮帶間產(chǎn)生滑動。為了解決這種情況，本文提出了在皮帶運輸機的后端安裝一種張緊度檢測調(diào)整機構(gòu)，通過對皮帶的拉力進行即時監(jiān)測，并依據(jù)預(yù)設(shè)拉力范圍，實現(xiàn)了對電動機速度的實時調(diào)整。通過對皮帶輸送機的后部驅(qū)動力進行調(diào)整，達到速度、張力雙閉環(huán)的控制，可降低皮帶輸送機的皮帶發(fā)生滑動現(xiàn)象，延長滾筒和皮帶的使用年限。

皮帶運輸機的尾端驅(qū)動力自動調(diào)整機構(gòu)主要包括：張緊和監(jiān)控、反饋控制兩部分。拉伸探測設(shè)備是一種安裝在普通皮帶傳送機（見圖1）的后滾筒和上調(diào)整滾筒之間的傳送帶，并且被固定在尾箱上（見圖2)，由此可以對皮帶傳送帶在工作期間的傳送帶的拉力進行實時監(jiān)控，使控制系統(tǒng)能夠更好地對傳動滾筒的旋轉(zhuǎn)速度進行更精確的控制，然后對皮帶運輸機的驅(qū)動力進行了控制。

圖1 普通帶式輸送機尾部結(jié)構(gòu)

圖2 加裝張力檢測裝置的帶式輸送機尾部結(jié)構(gòu)

該監(jiān)視與反饋饋控制由控制器、變頻器、編碼器及壓力傳感器等組成。利用壓力傳感器，實現(xiàn)皮帶張緊力的實時檢測，并將采集到的壓力數(shù)據(jù)信號向該控制器發(fā)送，并根據(jù)所設(shè)置的驅(qū)動滾筒速度和壓力傳感器的探測值之間的關(guān)系，進行電機速度的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對皮帶運行速度的控制。在該控制系統(tǒng)中，增加了編碼裝置，可以實現(xiàn)速度、張力的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

在拉力不足時，卷筒、皮帶會發(fā)生明顯的打滑現(xiàn)象，控制器在接收到壓力信號時，會降低變頻電流，進一步降低了驅(qū)動馬達的轉(zhuǎn)速，降低了尾軸傳動滾筒的空轉(zhuǎn)，防止?jié)L筒與皮帶出現(xiàn)無效摩擦，避免了滾筒和皮帶的損壞，提高了滾筒和皮帶的使用年限。在張力逐漸增加的情況下，在收到壓力信號后，會增加變頻電流，進而增加電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到與張力相匹配的目的。

2 張緊檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本論文研制的張緊測試設(shè)備，主要由安裝座、壓力桿、安裝架組成。圖3介紹了張力檢測裝置的結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵部件為張力檢測滾筒和壓力傳感器。張力檢測滾筒與支架相連，支架與壓力桿連接。壓力連桿的一端鉸鏈連接在鉸鏈支座上（鉸鏈固定在尾箱的頂端）上，壓力連桿的另外一端與壓力傳感器（壓力傳感器被固定在尾箱的頂部）相配合。

圖3 張力檢測裝置結(jié)構(gòu)

本發(fā)明的張力檢測設(shè)備是在常規(guī)皮帶運輸機的后座上安裝的，其輸送帶在轉(zhuǎn)向滾筒、張力檢測滾筒和后輪驅(qū)動滾筒之間，能夠?qū)ζл斔蛶г谶\轉(zhuǎn)期間的張力進行更準(zhǔn)確的實時檢測。

3 自動調(diào)節(jié)尾部驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)模型

3.1 尾部驅(qū)動裝置控制模型

以DTL120 皮帶運輸機為例（見圖4)，它是一種三驅(qū)動模式（頭雙驅(qū)動，尾部單驅(qū)動）。

圖4 DTL120帶式輸送機的三滾筒驅(qū)動關(guān)系

通過對尾軸Ⅲ段的受力分析，參考《DTⅡ(A)型帶式輸送機設(shè)計手冊》，為了保證帶式運輸機的正常工作，對尾軸的應(yīng)力進行了研究，發(fā)現(xiàn)在實際操作中，皮帶的張緊力符合下列要求：

式中：F、F4——皮帶運輸車后部f和e的張緊力；

FU——皮帶運輸機后部傳動Ⅲ上傳動滾筒對膠條的外周驅(qū)動力；

μ——傳動滾筒與膠帶之間的摩擦因數(shù)；

φ——膠帶在驅(qū)動滾筒上的圍包角。

皮帶運輸車的傳動滾筒軸動力計算：

式中：ν——膠帶輸送速度；

P——電機功率；

η——傳動效率；

η′——電壓降系數(shù)，一般取0.90～0.95；

η″——多電機驅(qū)動不平衡系數(shù)，一般取0.90～0.95。

DTL120 帶式輸送機是三滾筒驅(qū)動，選用功率為500kW的變頻式永磁電機，傳輸效率η為1，電壓降系數(shù)η′取0.93，多電機驅(qū)動不平衡系數(shù)η″取0.92。本文將摩擦系數(shù)的值定為0.35，DTL120 型皮帶運輸機尾軸Ⅲ轉(zhuǎn)鼓的圍包角φ為205°，則歐拉系數(shù)eμφ取值為3.5。通過對上述公式（1）和（2）進行聯(lián)立，可以得到壓力傳感器檢測結(jié)果和電機轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系n(P)，其關(guān)系式如下：

3.2 自動調(diào)節(jié)控制算法

首先，要按照礦山的實際需要，對皮帶運輸機進行總體設(shè)計，并對其關(guān)鍵尺寸進行計算，根據(jù)計算的數(shù)據(jù)進行控制模式的確定。壓力傳感器安裝在張緊測試儀上，對當(dāng)前皮帶輸送機的壓力進行實時測量，從而得出傳動系統(tǒng)的輸出速度。其次，為防止實時變化的運煤量造成電動機的實時速度調(diào)節(jié)，建立了一個用于預(yù)測的尾端傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)模型，并與預(yù)測模型的預(yù)測值相比較，并給出了一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。

4 系統(tǒng)運行效果及分析

晉能煤炭集團公司礦井已投入使用裝有尾部驅(qū)動力自動調(diào)節(jié)裝置的帶式輸送機。為進一步檢驗這種自控系統(tǒng)的精確性、反饋調(diào)節(jié)的及時性和效率，對礦井中帶式輸送機的相關(guān)數(shù)據(jù)進行了長期的采集與分析。本文對從2022 年6 月9 日0：00 到24：00 之間的尾端自動調(diào)節(jié)裝置所得到的數(shù)據(jù)進行仿真，其結(jié)果在圖5、圖6和圖7中顯示。

圖5 張緊裝置的壓力傳感器實時監(jiān)測值

圖6 尾部驅(qū)動處膠帶遠行過程中實時張緊力模擬圖

圖7 尾部驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速監(jiān)測值

根據(jù)圖5、圖6的分析，可以看出，在尾端傳動膠帶上的張力與壓力傳感器的監(jiān)控數(shù)值呈線性關(guān)系，能夠精確地、即時地測量皮帶的張緊力，使電機的速度得到更好的調(diào)節(jié)。通過與圖7的比較和分析，皮帶運輸車的后軸傳動電機的速度是按照皮帶在后輪驅(qū)動力的張緊力實時改變而調(diào)整的，而且可以在一個特定的時間內(nèi)調(diào)整電機的速度，保證皮帶運輸車的工作穩(wěn)定和效率。

5 結(jié)語

通過對皮帶輸送機滑行的原因進行了分析，通過對匹配電動機的轉(zhuǎn)速與實際運煤量關(guān)系的研究，提出了一種由張力探測和監(jiān)控反饋控制組成的自動尾軸驅(qū)動機構(gòu)。本論文研制的張緊測試系統(tǒng)，適合于各種皮帶運輸機的尾端傳動機構(gòu)，能對皮帶的拉力進行實時監(jiān)測，并根據(jù)預(yù)設(shè)的張力范圍和預(yù)設(shè)的張力區(qū)間，對電機的速度進行實時調(diào)整，從而實現(xiàn)對電機的速度和對尾端的驅(qū)動力的調(diào)整。保證了后部驅(qū)動功率與回程膠帶的運轉(zhuǎn)阻力相等，從而更好地保證皮帶輸送機的工作穩(wěn)定和效率。本論文所研制的皮帶輸送機的尾端驅(qū)動自動調(diào)整機構(gòu)，可以實現(xiàn)皮帶輸送機的速度、張力雙閉環(huán)控制，降低系統(tǒng)的失效，保證其在任意運轉(zhuǎn)狀態(tài)下不發(fā)生打滑，提高了滾筒和皮帶的使用年限，對減少企業(yè)的運營成本具有重要的意義。