带式输送机变频自动张紧装置设计与应用研究

闫 杰

（山西忻州神达能源集团有限公司安全监察督查部， 山西 忻州 034000）

引言

煤炭需求量的不断增大，极大地推动了煤炭行业的飞速发展，煤炭掘进工作量逐年增大，对煤炭生产设备的要求越来越苛刻[1-2]。带式输送机作为综采工作面重要的设备，对其的发展和更新是必然趋势，其中张紧装置已经实现了机电液一体化[3]。目前带式输送机使用的张紧装置多为液压张紧和变频自动张紧，由于液压张紧存在漏油、故障难修复等问题，逐渐被变频自动控制装置取代，变频自动张紧装置在满足带式输送机张紧要求的同时，能够避免液压张紧存在的种种问题。变频自动张紧装置多采用永磁同步电机，充分发挥其低速带载能力好的优势，使变频张紧装置结构简化，保证较高的驱动效率[4-6]。针对某煤炭企业带式输送机液压张紧装置存在的漏油问题，开展变频自动张紧装置设计与应用研究具有重要意义。

1 带式输送机概况

煤炭企业使用的为可伸缩带式输送机，具体型号为DSJ160/350/3×500，结构布置如图1 所示，其负责将原煤由井下综采工作面运输至地面。目前煤炭行业使用较多的输送设备基本都是可伸缩带式输送机，因其设置了储带仓，得到了广泛认可。储带仓在机尾伸缩自移动作时，能够自动控制输送带长度的变化，确保输送带张紧装置正常运行。带式输送机卸料之后，输送带将会由换向滚筒和驱动滚筒收放在储带仓内，经过数次折返之后再次回到机尾的改向滚筒位置。张紧装置拖动小车时，储带仓中使改向滚筒之间的间距增大，将机尾自移产生的多余输送带储存至储带仓，相反，储带仓释放输送带，机尾自移动作结束，张紧装置停止工作，输送机正常运行。

图1 带式输送机布置简图

2 变频自动张紧装置结构设计

2.1 总体布置

根据带式输送机实际情况，完成了变频自动张紧装置结构设计，如图2 所示。由图2 可以看出，张紧装置中的张紧滚筒两边均设置了制动器和驱动电机，与轨道上张紧小车之间采用的是钢丝绳和滑轮组结构。在带式输送机中输送带张力出现较大的变化时，张力传感器数值增加，开启制动器，电机将会驱使连接张紧小车的钢丝绳和滑轮组，使小车产生相应的移动，实现张紧力调节目的；一旦张紧装置产生的张紧力趋于稳定，电机停止转动，张紧小车停止，关闭制动器，输送带张力达到稳定状态并运行。

图2 变频自动张紧装置

2.2 张紧力设定

带式输送机常见的工况包括启动、满载运行和受控停机，各个工况下张紧力设定值关系如下页图3 所示，输送机满速运行时的张力设定值使用F0表示。带式输送机慢速运行时张紧装置不运行，张力保持在一定范围，通常为90%～110%，一旦超出范围，张紧装置开始进行张力调整。带式输送机启动工况时，张紧装置优先工作，张紧小车移动直至张力传感器数值接近设定值，张紧力满足设定范围要求之后启动输送机；输送机停机工况时，张紧装置保持工作片刻之后输送机停止运行；带式输送机工作时出现断带时，张力传感器数值剧降，张紧装置控制主机立刻停机。输送机不同工况下，均有PLC 对张力传感器数据进行分析，与设定值比对之后调节变频器频率和方向，之后实现电机转向和转速的控制，实现各工况下张力的调整。

图3 带式输送机不同工况所需张紧力

3 主要构件设计

3.1 钢丝绳

煤矿井下工作环境较为恶劣，带式输送机利用等级为T2，载荷状态为L2，工作级别为M2。设计时需要考虑降低钢丝绳受力的情况，得出张紧小车受力情况，如图4 所示。启动工况张紧力最大为450 kN，计算得单根钢丝绳受力为75 kN，直径不小于22 mm。选择了7×18 型钢芯钢丝绳，直径为24 mm，抗拉强度为1770 MPa，最小破断力为334 kN。安全系数为4时，钢丝绳破断力为300 kN，小于334 kN，满足使用要求。

图4 张紧小车受力简图

3.2 滑轮与张紧滚筒

张紧装置滑轮结构选择绳槽两侧夹角为25°，槽底半径尺寸为14.4 mm，滑轮的名义直径尺寸为480 mm，圆整之后取滑轮直径为500 mm。由经验公式可得，张紧滚筒的名义直径为不小于504 mm，取520 mm。张紧滚筒厚度尺寸以接近钢丝绳直径为宜，取厚度值为24 mm，容绳量不小于180 m，滚筒的长度取0.7 m，具有一定的富余量，确保张紧装置使用可靠。

3.3 电机选型

电机作为张紧装置的驱动力来源，其选型依据为功率参数。经计算可得，张紧小车的张紧驱动功率为45 kW。此处选择的是电机直驱模式，布置方式如图5所示，取轴承效率为0.98、联轴器效率为0.98、滑轮组效率为0.95，计算总效率为0.893。计算得出，电机功率不小于70.56 kW，选择型号为TYZD-110/45（380）的电机，额定输出功率为110 kW，满足设计要求。

图5 电机直驱布置

3.4 变频器与传感器选型

带式输送机张紧装置选择型号为ACS550-01-246A-4 的变频器，能够匹配电机使用。该变频器采用的是四象变频器，具有电机无调速的功能，确保带式输送机的安全工作。依据变频张紧装置启动工况的最大张力为75 kW 的情况，选择了型号为GAD100 的张力传感器，如图6 所示，属于矿用本安型仪器，具有很好的防爆性能，能满足在煤炭井下复杂工作环境中工作的要求。

图6 GAD100 型张力传感器

4 应用效果评价

为了验证带式输送机变频张紧装置设计的合理性，将其应用于某煤矿服役中的DSJ160/350/3×500型带式输送机中进行试运行，跟踪记录张紧装置的应用情况。应用结果表明，变频张紧装置结构合理，工作稳定可靠，能够实现启动、满速运行和停车工况下的自动张紧功能。检测结果显示，相较于液压张紧装置，变频张紧装置响应时间缩短了约12%，振幅降低了近20%，张紧力达到稳定状态的时间减少了近15%，取得了很好的应用效果。