王曉賓

汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦 山西 呂梁 033000

帶式輸送機(jī)作為礦井運(yùn)輸物料及煤炭的設(shè)備，其工作性能在很大程度上制約著煤炭資源的開采。隨著開采量的不斷加大，目前我國(guó)的帶式輸送機(jī)逐步向著大運(yùn)距、大容量、高速度的方向發(fā)展，單條帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸距離已經(jīng)達(dá)到10km，運(yùn)量也超過(guò)5000t/h。在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于工況環(huán)境及運(yùn)載重量等因素的影響，使得其在運(yùn)輸過(guò)程中及不穩(wěn)定，常常出現(xiàn)膠帶斷裂、跳帶等問(wèn)題，所以設(shè)計(jì)一款液壓張緊自動(dòng)控制系統(tǒng)十分重要[3,4]，本文通過(guò)分析帶式輸送機(jī)不同工況下的張緊力，設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)液壓張緊自動(dòng)控制系統(tǒng)，為帶式輸送機(jī)高效運(yùn)行提供保障[1]。

2 液壓張緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓張緊系統(tǒng)由多個(gè)部分組建而成，其中較為主要的有電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，通過(guò)系統(tǒng)本身的PLC控制端及機(jī)械、液壓、電氣間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)由集中控制箱控制不同張力信號(hào)，同時(shí)系統(tǒng)給出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械及液壓部件的自動(dòng)控制。液壓系統(tǒng)作為張緊系統(tǒng)中最為復(fù)雜的部分，其由不同的元件及部分組合而成，其中最為主要的有液壓泵站、換向閥等。

液壓油箱的設(shè)計(jì)選用帶有呼吸氣囊和呼吸閥的閉式設(shè)計(jì)油箱，避免油液與污濁空氣進(jìn)行接觸，保證油液的清潔。泵站采用集成閥塊，通過(guò)疊加布置形式保證后期拆裝方便。油箱選用316L型不銹鋼進(jìn)行制作，同時(shí)設(shè)置護(hù)罩，適應(yīng)礦井惡劣的工況環(huán)境。在油箱的下部設(shè)置蓄能器，有效降低占地面積。在油箱內(nèi)設(shè)有加熱器，確保在低溫情況下仍能正常運(yùn)行。

比例溢流閥時(shí)液壓系統(tǒng)最重要的元件，通過(guò)控制器控制比例溢流閥，起到調(diào)節(jié)油壓，自動(dòng)調(diào)節(jié)張力的作用。比例溢流閥設(shè)計(jì)為錐形閥，通過(guò)比例電磁鐵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電磁鐵充滿油并連接至端口時(shí)，當(dāng)油量較少時(shí)仍能保證恒定運(yùn)行，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)放大控制壓力實(shí)現(xiàn)電磁鐵的電流調(diào)整。比例溢流閥通過(guò)改變放大板上的指令值調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力。當(dāng)指令變化值發(fā)生變化時(shí)，此時(shí)放大板會(huì)改變PWM(脈寬調(diào)制)，實(shí)現(xiàn)電磁鐵的電流控制，比例電磁鐵會(huì)將電流轉(zhuǎn)為機(jī)械能，再通過(guò)電樞稍直接作用于彈簧上。達(dá)到自動(dòng)控制。

液壓泵選選擇軸向柱塞變量泵，液壓泵的參數(shù)可以根據(jù)液壓系統(tǒng)需要的張力進(jìn)行計(jì)算獲得，通過(guò)選用這種液壓泵可以達(dá)到輸出流量與輸出速度及泵排量的比例關(guān)系。輸出流量可以從零到最大值無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，同時(shí)采用模糊控制及PID控制，使液壓張緊速度更快且更穩(wěn)定。馬達(dá)同樣選擇軸向柱塞定量馬達(dá)，其適用于移動(dòng)機(jī)械，隨著高壓側(cè)與低壓側(cè)的壓力差而調(diào)節(jié)扭矩，其結(jié)構(gòu)較為緊湊，啟動(dòng)扭矩效率高。

基于帶式輸送機(jī)張緊系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)過(guò)程的特性，選擇液壓張緊系統(tǒng)的電氣元件，電氣系統(tǒng)是帶式輸送機(jī)液壓張緊自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部件。在進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮防爆特性，設(shè)計(jì)一款防爆型控制箱，控制箱的內(nèi)部主要由、觸摸屏、、觸摸屏、輸入輸出繼電器、電機(jī)保護(hù)、接觸器以及電源組成。其中控制箱中PLC為關(guān)鍵元件，其主要用于采集傳感器的數(shù)據(jù)，如溫度、速度、電壓等參數(shù)。根據(jù)收集反饋的數(shù)據(jù)對(duì)液壓站電機(jī)、比例閥、電磁閥進(jìn)行控制，同時(shí)通過(guò)對(duì)皮帶發(fā)出控制作用，從而達(dá)到控制皮帶的作用。電控系統(tǒng)控制框架圖如1所示。

圖1 電控系統(tǒng)控制框架圖

控制箱由于在井下進(jìn)行工作，其處于易燃易爆粉塵中，選定防爆殼體，在控制箱的內(nèi)部面板上設(shè)計(jì)多個(gè)按鈕控制張緊系統(tǒng)，控制面板上帶有液晶顯示屏，實(shí)時(shí)觀察及監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行情況及運(yùn)行參數(shù)情況。PLC為控制箱的核心本文綜合考慮后選定S7-1200型控制器，其具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）指令處理速度快，能夠滿足高需求；（2）集成多種通信接口，如PROFIBUS、MPI；（3）具有高速計(jì)算輸出模塊及伺服定位控制I/O模塊；（4）能夠自行組態(tài)，可以根據(jù)操作人員要求進(jìn)行選擇安裝；（5）硬件設(shè)計(jì)較為緊湊，節(jié)省控制柜的空間；（6） 集成的PROFINET接口能夠用于PLC的編程，HMI通信。接口配置專用的RJ45連接器，能夠提升數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)能夠支持多種協(xié)議如TCP/IPnative、S7通信等。

控制箱的液晶顯示器選用TPC 7062Ti觸摸屏，顯示器與控制器通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，可以監(jiān)控張緊系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，同時(shí)將部分重要的張緊數(shù)據(jù)附加于PLC，使得張緊系統(tǒng)能夠更好的解決帶式輸送機(jī)出現(xiàn)的情況。液晶顯示器設(shè)置界面如圖2所示。

圖2 液晶顯示器設(shè)置界面圖

TPC7062Ti觸摸屏屬于MCGS嵌入版。主要顯示由PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)用與監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)和狀態(tài)。觸摸屏能夠與其他硬件設(shè)備進(jìn)行連接，同時(shí)TPC7062Ti擁有先進(jìn)的Cortex-A8 CPU。顯示屏主要應(yīng)用了TFT液晶顯示屏，搭配四線電阻式觸摸屏，分辨率為4096*4096，并且裝配了專用的MCGS嵌入式組態(tài)工具。內(nèi)部設(shè)置有參數(shù)設(shè)置窗口，對(duì)不同的帶式輸送機(jī)工況下的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3 仿真模擬研究

對(duì)于液壓系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析，采用Matlab進(jìn)行液壓系統(tǒng)的性能分析，對(duì)于液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析可以觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性。液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性非常重要，不穩(wěn)定的系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)用。液壓系統(tǒng)仿真階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 仿真階躍響應(yīng)曲線

從圖3可以看出，液壓系統(tǒng)的單位躍階響應(yīng)初始時(shí)間為0.66s，此時(shí)系統(tǒng)輸出張力，響應(yīng)速度較快，同時(shí)經(jīng)過(guò)8.52s時(shí)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定輸出張力1.36kN，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。所以設(shè)計(jì)的液壓張緊系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，能夠滿足礦井生產(chǎn)需求，可以應(yīng)用于礦井帶式輸送機(jī)。

4 結(jié)論

本文為了設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)液壓張緊自動(dòng)控制系統(tǒng)，首先介紹了帶式輸送機(jī)液壓的張緊自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體組成，然后給出系統(tǒng)液壓部分的設(shè)計(jì)，對(duì)液壓設(shè)備的選擇及液壓設(shè)備特點(diǎn)、液壓設(shè)備工作原理等進(jìn)行分析。同時(shí)介紹了液壓張緊自動(dòng)控制系統(tǒng)的電氣部分設(shè)計(jì)方案，對(duì)核心元件PLC和觸摸屏進(jìn)行選型，最后通過(guò)仿真研究發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的液壓張緊系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，能夠滿足礦井生產(chǎn)需求。