带式输送机张紧装置的自动控制研究

王东伟

（大同煤矿集团华盛虎峰煤业有限公司， 山西 河津 043302）

引言

矿井中输送物料采用的带式输送机输送范围大，结构比较简单，生产效率和输送能力都比较高。但是由于矿井的井下工作环境比较恶劣，工况又有多种复杂情况，因此，对输送装置的要求严格，一旦发生事故不仅影响经济效益，甚至有可能危及工作人员的人身安全[1-2]。因为带式输送机是利用输送带和滚筒之间的相互摩擦力，实现对物料的输送，那么其中的张紧装置在整个输送机中就具有非常重要的作用，其不仅会影响工作效率，而且与输送机的正常运行有着很大的相关性。所以，张紧装置能否进行快速响应、是否能够可靠地运行，对带式输送机的安全高效至关重要。

在输送机进行启动、变速运行以及停机的过程中，受到的张力是发生变化的，因而要求张力装置也能够及时自动反应。目前的一些自动张力装置速度较慢、结构复杂，因此，结合目前的智能控制以及变频等先进技术，采用永磁变频自动张紧装置进行自动控制，可以更快速合理地调整张力，因此，该装置具有更高的安全高效性。

1 永磁变频自动张紧装置介绍

永磁变频自动张紧装置提供相应的带式输送机需要的张紧力，同时可以根据来自主控系统的指令和张力传感器传来的信号对输送带的张力进行自动实时地调整，保证带式输送机能够时时刻刻处于正常的工作状态。

永磁变频系统通过驱动卷筒，使张紧输送带能够在合理范围内迅速准确地对张紧力进行调整，在满足不同的工作状态下，确保输送的机动性能，不仅可以提高张紧装置的响应速度，而且它的结构更加紧凑，布置起来更加灵活，安全性和可靠性更有保障[3-4]，相对矿井来说，具有更大的收益价值。该装置的组成如图1所示。

图1 装置组成图

该装置主要利用控制箱，即PLC控制系统，将张力传感器的监测值与设定值进行对比，达到控制的目的。工作原理图如图2所示。

图2 工作原理图

当带式输送机刚开始启动以及运行和停机时，经过张力传感器的监测，控制系统控制张紧滚筒进行张紧和松带操作，达到实时控制输送机的张力值在正常范围内的目的。

2 永磁变频自动张紧装置电气控制系统的设计

2.1 电气控制箱的设计

通过对PLC控制系统进行编程，实现了张紧装置的自动控制，并且能够与带式输送机的主控系统保持信号传输。PLC控制系统通过对控制系统的控制信号、张力传感器的信号监测等等输入信号[5]，经过逻辑的运算处理，然后输出信号来对张紧装置进行动作控制，它运算速度快、应用灵活、模块化，是电气控制箱的最主要部分，其控制工作图如图3所示。

图3 PLC系统流程图

利用PLC控制系统，当监测的张力数据通过信号反馈给系统时，若数据在本身系统设定的合理范围内时，张紧装置不进行任何操作；而当监测的张力数据超出了设定的合理范围时，由PLC系统输出信号，电机进行工作控制，使制动器进行松闸操作，同时，张紧滚筒在电机正转和反转的工作下，对输送带进行松紧操作，达到控制张力的作用[6]，从而保证输送机能够正常而且稳定地工作。

2.2 变频器的设计

变频器能在电机进行启动时实现软启动功能，减小对电机设备的冲击，能够延长设备的使用寿命，因此在矿井中应用比较广泛。常规的变频器一般是利用整流器，先将工频交流电转变为直流电，再将直流电转变为能够改变电压和频率的交流电投入使用，启动电动机。这个过程利用二极管和逆变技术进行。但是这个过程不能让能量进行双向流动，也就是说传统变频器只能电机工作的时候同时工作，电动机回馈的能量只能被消耗掉，不仅浪费了能量，而且存在安全隐患。所以采用四象限变频器应用于张紧装置的自动控制系统中，见图4。

变频器主要包括了控制电路和主电路，其中主电路又包括了逆变器、整流器和直流滤波。经过滤波形成的直流电，可以消除整流电路和逆变电路的干扰。这个变频器能够实现能量的双向流动，将电动机回馈的能量送至电网，达到节能的目的。通过精准控制，可以按照电动机的实际情况，根据所需要的电源电压进行相应的提供，从而使张紧装置能够按照实际情况提供张紧力，保障输送机的稳定运行。

图4 变频器组成

3 张力装置自动控制实例

3.1 现场带式输送机张紧力计算

煤矿带式输送机型号为DTL120，带宽1 200 mm，输送长度为290 m，输送量为1 200 t/h，路线布置近似水平，带速为3.15 m/s。从图5中可以知道，张力的作用有多个节点，对每个节点进行依次计算分析。

图5 带式输送机张力分析示意图

采用逐点计算法，得到各节点的张力：

又根据摩擦力条件及摩擦传动，可得：

式中：u0为滚筒和输送带之间的摩擦因数，取0.3；C0为摩擦力备用系数，取1.2；α为围包角，取8.17°。从而求得S1=86.3×103N。

又依据悬垂度的要求需要小于在承受载力的段带最小张力处，该处的张力值为S6=164.8×103N，计算所得满足要求。又因为S2≈76.3 kN，S3=79.1 kN，根据数据计算张紧装置的张紧力，应该为155.4 kN，所以，设置正常情况下的张紧装置的张紧力为160 kN。

因为带式输送机在不同的矿井工作情况下，它所需要提供的张紧力是不一样的，比如，在刚开始启动时，带式输送机的工作速度会一直发生变化，那么输送带需要的张紧力就是需要不断发生变化的，受动静张力的影响，需要对输送带增加驱动力，为了平衡动张力的影响而增大牵引力。因此，在自动装置控制时设置的启动张紧力，要在正常工作情况的张紧力上增加0.5倍，从而留有余地，那么，根据上述计算的结果，正常工作情况下的张紧力为160 N，则启动张紧力为240 N。同时，要让带式输送机停止，进行制动，此时要减小牵引力，而又受到惯性力的影响，张紧装置提供的张紧力减小，因此，在自动装置控制时设置的制动张紧力，在正常工作情况下减小，也要留有空余，取正常情况下的0.9倍，即0.6×160 kN=144 kN。

3.2 自动控制效果

利用永磁变频自动张紧装置，根据计算所得的实际数据，设置完系统的设定值后，也就是计算所得的启动紧张力240 kN，还有制动紧张力216 kN。对带式输送机的张紧装置的响应及相关参数进行实验。

当给输送带加载冲击载荷时，利用自动控制，张紧装置可以立即发生响应，进行相应的操作。在达到最大紧张速度0.089 m/s时，耗时为180 s，而直到182 s，速度依然没有改变，并且在183 s的时候，停止了所有动作，在这个时间段，张紧速度并没有超过合理范围，控制效果非常好。自动控制效果不仅能够瞬时响应，张紧速度更加迅速，而且可以保持方向不发生变化，同时，它能够重新复原到稳定状态的过程更加平稳而且消耗时间更短。

4 结论

利用永磁变频自动张紧装置在带式输送机启动时，能够快速达到所需的张力值，而且对设备的冲击更小，过程更加平稳，设备的损害更小，响应速度更快；而当带式输送机在受到载荷冲击时，依然能够迅速响应，而且恢复到稳定状态并且继续稳定的工作的时间非常短，具有非常强的抗干扰能力。该设备在矿井中具有很好的应用推广价值。