带式输送机变频自动张紧装置及其应用
2015-12-05赵军
赵 军
(中国神华神东煤炭公司，陕西 神木 719315)
带式输送机变频自动张紧装置及其应用
赵 军
(中国神华神东煤炭公司，陕西 神木 719315)
介绍了长距离、大运量可伸缩带式输送机变频自动张紧装置系统组成、机械传动原理和张力控制原理。对其在使用过程中出现的故障及原因进行了分析，并提出了改进方法。
带式输送机；张紧装置；变频
0 引言
可伸缩带式输送机是保证煤矿工作面运输的重要设备之一，其张紧装置的可靠工作是输送机正常工作的保证。随着可伸缩带式输送机由短距离、小运量向长距离、大运量、高速度发展，张紧装置也由螺旋张紧、液压张紧、APW张紧发展到现在的变频自动张紧[1-3]。可伸缩带式输送机由短距离向长距离发展过程中，由于张紧装置的发展滞后，给输送机的可靠运行带来诸多问题，行程不够、停机峰值张力过高、断带等。 可伸缩带式输送机在启动阶段、匀速运行阶段和停机阶段分离点张力变化幅度远远大于同规格的钢丝绳固定带式输送机，这就要求张紧装置在不同阶段提供不同的稳定张力，且能快速自动调节[4-9]。本文根据目前煤矿长距离、大运量可伸缩带式输送机使用的变频自动张紧装置，对其工作原理和控制原理以及使用中出现的问题给予介绍。
1 可伸缩带式输送机分离点张力分析
1.1 稳定运行阶段分析
带式输送机稳定工况下传动滚筒传递到输送带上的驱动力为：
F=FH+FN+FSt+FHS.
(1)
其中：FH为主要阻力；FN为附加阻力；FSt为提升阻力；FHS为特种阻力。
此时传动滚筒上输送带满足：F=T1-T2(其中，T1为传动滚筒奔入点张力，T2为传动滚筒分离点张力)。要保证输送机正常工作，张紧装置需提供稳定的张力值T2。
如果稳定运行阶段输送机停机，分离点张力为：
(2)
停机时输送带飘带下垂引起的附加力会引起分离点张力增加，不能正确地计算和分析此峰值张力的大小和趋势，是造成输送机破坏的重要原因。
1.2 启动阶段分析
启动阶段传动滚筒驱动力为：
FA=F+∑m·aA.
(3)
其中：∑m为所有旋转部件的质量；aA为带式输送机启动加速度。分析传动滚筒驱动力和输送带力平衡关系式知，驱动力FA、T1随着时间不断增加，会先增加后减小，而T2会不断地减小。同时由于弹性变形与塑性变形主要出现在启动阶段初期，所以要求张紧装置在输送机刚启动时，需快速张紧变形量，提高分离点张力，才能保证驱动滚筒不打滑。
1.3 停机阶段分析
停机阶段传动滚筒驱动力为：
FB=F-∑m·aB.
(4)
其中：aB为带式输送机停机时减速度。此时传动滚筒上输送带满足：FB=T1-T2。
2 变频自动张紧装置组成及工作原理
2.1 系统组成及主要参数
变频自动张紧装置主要由张紧绞车、电控系统、制动器液压泵站、缓冲装置、检测系统、冷却系统等组成。其系统组成框图如图1所示。
张紧绞车主要由变频防爆电机、湿式摩擦制动器、行星传动减速器、滚筒、支架和滑轮组组成。
电控系统主要由防爆控制箱(变压器、隔离开关、变频器、西门子可编程控制器、本安电源、隔离栅、接触器、)本安操作箱、本安接线箱组成，其主回路如图2所示。
图1 变频自动张紧装置系统组成框图
整机主要参数如下：
总装机功率(kW)： 55；
单根钢丝绳最大牵引力(kN)： 100.6；
钢丝绳牵引速度(m/s)： 0.50；
钢丝绳直径(mm)： 20；
最大静态制动扭矩(Nm)： 2 250；
最大动态制动扭矩(Nm)： 1 200～1 450；
电压(V)： AC660；
滚筒直径(mm)： 530；
制动器开启压力(MPa)： 7.5；
减速器减速比： 76。
制动器液压泵站主要由防爆电机、齿轮泵、卸荷溢流阀、电磁换向阀、蓄能器、油箱、压力表、过滤器、手压泵等组成，其原理图如图3所示。
液压泵站主要参数如下：
电机额定功率(kW)： 1.1;
电机额定转速(r/min)： 1 450;
系统压力(MPa)： 7.5;
系统流量(L/min)： 10;
油箱容积(L)： 65。
缓冲装置主要由防爆电机、乳化液泵、油缸、蓄能器、溢流阀、单向阀、截止阀、安全阀等组成，见图4。
1-防爆电机； 2-齿轮泵；3-手压泵；4-卸荷溢 1-防爆电机；2-乳化液泵；3-溢流阀；
流阀；5-电磁换向阀； 6-蓄能器； 7-制动器 4-单向阀；5-油缸；6-蓄能器；7-截止阀
图2 变频张紧控制主回路图3 液压泵站原理图 图4 缓冲装置原理图
检测系统主要由游动小车位置检测开关(空位、满位)、张力传感器、制动压力传感器、缓冲压力传感器、冷却水温度传感器、速度传感器等组成。
冷却系统主要由防爆电机、泵、水箱等组成。
2.2 机械传动原理
图5为带式输送机变频自动张紧装置传动原理。当输送机张力达到调节值时，制动器打开，防爆电机输出转矩，锥齿轮一级减速后，再传给两级行星减速，行星减速器输出轴通过联接盘将转矩传递给滚筒。滚筒缠绕钢丝绳，经3个动滑轮，2个定滑轮，将力传给输送机变向滚筒。绞车滚筒顺时针旋转紧带，张力增大；绞车滚筒逆时针旋转松带，张力减小。2.3 变频张紧装置工作原理
变频张紧装置工作前，先开启冷却系统。冷却系统能通过温度传感器检测冷却水箱温度，如过水温低于设定温度，则停止工作，如果检测到温度高于设定值，会自动开启，直至温度降下。冷却系统主要用于降低变频器及防爆控制箱温度，避免由于温度过高导致电器报故障。
制动器液压泵站工作原理：变频张紧装置工作前，先检测泵站压力是否为7 MPa,如小于此值，则先启动泵站，将压力升至7 MPa，然后处于待机状态。当变频绞车需要工作时，PLC控制电磁换向阀工作，蓄能器储存的能量可以打开制动器，绞车可以正反转工作。工作3次～5次后，如压力小于5 MPa后，PLC重新启动泵站，将压力升到设定值。压力达不到设定值，绞车不允许转动。
当变频自动张紧装置收到集控的启车信号后，先启动冷却系统、制动器泵站，同时检测水温、油温正常后，检测张力与启动张力值是否相同。如差值超过设定值，则打开制动器，控制张紧绞车松带或紧带，使张力与设定值相等。电机转动的速度(频率)大小与张力差值相关：差值越大，频率越大，转速越高，反之亦然。张力调节到启动张力后，变频自动张紧装置发张力备妥信号给集控，集控启动输送机电机。启动阶段结束后，变频自动张紧装置自动将张力调节到运行张力。输送机匀速运行过程中，如被检张力在设定范围内变化，张紧绞车保持待机；当被测张力高于或低于设定运行张力值，则绞车被激活，快速将张力调节到设定运行张力值，然后再次保持待机状态。当变频自动张紧装置收到集控的停车信号后，控制箱PLC立即激活绞车电机，将张力降至停机张力。停机阶段变频绞车制动器一直处于打开状态，以便于变频器能快速作出反应。停机阶段结束后，变频绞车保持张力，控制箱PLC控制电磁阀，关闭制动器。变频自动张紧装置完成输送机从启动到停机过程对张力的自动调节。
1-防爆电机；2-制动器；3-减速器； 4-绞车滚筒；5-油缸；6-蓄能器；7-滑轮系
3 张力控制原理
可伸缩带式输送机对张力的要求是：启动张力大于运行张力和停机张力，启动张力通常为运行张力的1.2倍～1.5倍；驱动滚筒分离点张力在不同阶段保持为恒张力。
根据上述要求，变频自动张紧装置在不同阶段控制原理相同，区别在于各运行阶段张力设定值不同。因此，下面以运行阶段张力控制为例给予解释。变频自动张紧装置控制系统框图见图6。张紧绞车滚筒的转速与张力差值大小成正比。假设张力检测值为F,运行张力设定值为F0。
张紧绞车滚筒的转速为：
n=60f(1-s)/(pi).
(5)
f∝ΔF∝ΔI.
(6)
其中：p为电机极数；s为电机转差率；f为电源频率，Hz；i为减速器传动比；ΔF为张力差值，kN；ΔI为张力传感器电流信号差值，mA。
控制箱PLC检测绞车张力值F并与设定值F0比较：如果F0-ΔF 图6 张力自动控制系统框图 该装置在神东某煤矿工作面使用，输送机参数如下：带长L=3 200 m，带宽B=1.4 m，输送量Q=2 500 t/h，PVC带，带强2 000 MPa,驱动功率为3×500 kW，变频驱动。选用变频调速自动张紧装置+缓冲装置。经两年应用，设备运行平稳正常，可以自动调节胶带张力，与自移机尾配合完成胶带收缩工作。该装置与卷带装置配合可满足储带仓胶带储满后自动放出胶带，完成胶带回收工作。 [1] 田祖织，侯友夫.带式运输机液压张紧装置动态特性分析[J].煤炭科学技术,2010，38(2)：61-63. [2] 李太连，吴波.可伸缩带式输送机自动张紧装置的应用分析[J].中国煤炭,2007，33(8)：33-34. [3] 袁红兵,吴波,廉自生.可伸缩带式输送机自动张紧装置研究[J].煤矿机械,2007(3):123-124. [4] 李光布.基于计算机仿真的带式输送机动态特性预测和控制[J].起重运输机械，2005(2)：47-50. [5] 王永智,廉自生,吴波.可伸缩带式输送机自动张紧绞车的研究[J].科学之友(学术版),2006(4):10-11. [6] Funke H, Konneker F K. Experimental investigation and theory for the design of a long-distance belt-conveyor system[J].Bulk Solids Handling,1988,8(5)：677-680. [7] 王晓丽，刘长伟.带式输送机输送带张紧力及张紧装置[J].煤炭技术,2008，27(6)：6-7. [8] 侯友夫，刘肖健，张永忠.矿用钢丝绳芯带式输送机动态特性仿真研究[J].煤炭科学技术,2000，28(1)：32-36. [9] 隋秀华，肖林京，苗德俊.具有自适应性能的矿用带式输送机张紧机构研究分析[J].煤矿机械,2008，29(12)：52-83. Design and Application of Automatic Tightener for Belt Conveyor ZHAO Jun (Shendong Company of Shenhua Group, Shenmu 719315, China) This paper introduces the composition and working principle of an automatic tightener for belt conveyor, analyzes the reason for faults during its operation，and puts forward some methods to improve the device. belt conveyor; teghtener; frequency 1672- 6413(2015)06- 0106- 03 2015- 06- 12； 2015- 10- 10 赵军(1973-)，男，内蒙古自治区达拉特旗人，工程师，本科，主要从事煤矿机电及管理工作。 TH222 A
4 应用示例及问题
