多点驱动带式输送机拉紧装置控制系统研究

2021-03-18武焱

机械工程与自动化 2021年1期

武焱

(山西煤炭进出口集团左云韩家洼煤业有限公司，山西大同 037100)

0 引言

带式输送机是煤矿的重要运输设备，在长距离、大功率的带式输送机中，中间多点驱动型带式输送机因具有解决长距离没有物料、张力大的问题的能力而应用广泛，在这种输送机中，拉紧装置的性能优劣直接关系到整个运输设备的安全性，因此，研究多点驱动带式输送机拉紧装置控制系统对于煤矿的运输设备安全运行具有重要意义。

1 拉紧装置的作用、分类和结构

拉紧装置是带式输送机的重要组成部分，其作用有：①承担机械设备的最小张力，把挠度控制在一定范围之内；②增加带式输送机启停时胶带和滚筒之间的摩擦力，防止胶带打滑和跑偏；③拉紧装置可以在胶带因拉紧变形时稳定设备；④在检修时，工作人员有时需要将胶带重新接头，拉紧装置能够提供灵活的行程。

拉紧装置有固定式和非固定式两种形式，固定式拉紧装置包括螺旋式拉紧装置或固定绞车；非固定式拉紧装置指的是重锤式拉紧装置，按其安装方式可分为垂直式和车式。对于不同运输距离的带式输送机，可选择的拉紧装置也不同，固定绞车适用于短距离带式输送机，重锤拉紧装置适用于中长距离带式输送机。螺旋式拉紧装置一般安装在机尾，其体积小、安装灵活方便，但是不能随皮带张力进行控制，一般适用于非重要场合。固定式绞车有手动型和电动型两种，这种拉紧装置张力大、行程长，缺点是不能自动调节拉紧力。垂直式拉紧装置一般安装在输送机的走廊，缺点是换向滚筒多，清理麻烦。车式拉紧装置适用于远距离、大功率场合，缺点是体积大、成本高。

液压式绞车自动拉紧装置的结构如图1所示，主要由机械部分、电气部分和液压部分组成。其中机械部分由滑轮、拉紧钢丝绳、慢速绞车等部分组成，电气部分由电控站、速度传感器、拉力传感器等组成，液压部分由液压油缸、蓄能器、阀站和液压泵等组成。

图1 液压式绞车自动拉紧装置结构图

2 胶带拉紧力分析

图2为拉紧小车在多点驱动带式输送机的安装图，根据拉紧小车的安装位置可以分析，在不同情况下，绞车的正转和反转效果不同。拉紧小车正转，小车左移张紧力增大，反之小车右移张紧力减小。输送机传送的物料需要通过胶带牵引和承载，因此胶带的张紧力不但需要有一定的承载能力和抗拉强度，还应该达到托辊的悬垂度，否则胶带和滚筒之间可能发生打滑现象，影响设备运行。在运行中，胶带的张紧力会随着各种因素变化，在分析时分成以下三种工况：

图2 拉紧小车在多点驱动带式输送机的安装图

(1) 输送机正常运行时，胶带的张紧力根据如下步骤计算：首先计算奔离点的张力，其次逐点计算胶带整个长度的张紧力，最后根据各点张紧力计算正常运行所需张紧力，然后在此基础上增加10%的安全裕度即可。

(2) 启动时，启动瞬间输送机胶带和滚筒的围包角变大，为了防止输送机发生打滑和振动，短时间内应当采取措施提高牵引力。提高牵引力的途径有：增大围包角、增大摩擦因数和增大张紧力。启动时自动拉紧装置提供的张紧力一般是正常运行张紧力的1.5倍左右。

(3) 制动时，输送带的牵引装置停止输出牵引力，但是由于惯性原因，滚筒上受到反向转矩，因此摩擦牵引力逐渐减小。制动过程完成后，张紧力应保持停机时的悬垂度，有利于下次正常启动。因此，输送机制动时的张紧力略小于正常运行的张紧力，一般取正常张紧力的90%左右。

3 拉紧装置液压系统工作原理

液压型拉紧装置的关键部分是液压系统，对启动、正常运行、制动三个阶段液压系统的工作原理分别介绍如下：

(1) 启动阶段。在输送机启动之前，拉紧装置的液压油泵和安全卸荷阀提前启动，液压油泵空载工况下启动完成。液压油泵启动完成后关闭安全卸荷阀，由电液比例溢流阀控制启动压力，由电磁换向阀和液压泵站向油缸充油，活塞随之产生拉力，绞车制动器打开后，通过液压马达正转拉紧胶带。当拉紧力不断增大至启动拉紧力时，绞车停止工作，安全卸荷阀打开，液压泵空转，马达停转。

(2) 正常运行阶段。设备正常运行时，安全卸荷阀开启，拉紧力等于正常运行时的拉紧力。蓄能器的作用是避免动载荷和油液泄漏产生的冲击，保证胶带平稳转动。

(3) 制动阶段。当输送机处于制动阶段时，拉紧装置输出的拉紧力变为停机时的所需压力，关闭安全卸荷阀，电磁换向阀接通后制动器松闸，马达带动绞车反转，胶带上的张力随之减小，当张力减小到停车所需拉紧力时，绞车抱闸停车，拉紧装置停机。

4 系统设计分析

4.1 硬件设计

带式输送机拉紧装置的硬件部分可以分为机械部分、液压部分和电控部分，在设计时液压系统和电控系统是重点部分。

液压系统包括液压缸、液压泵、拉力传感器、蓄能器和比例溢流阀等。本文采用双作用单活塞型HSG01160液压缸，高压齿轮液压泵CBGF2050，LD206拉力传感器和LD920压力变送器，气囊式蓄能器NXQL63，先导式比例溢流阀EBG10。

电控部分主要指的是位于电控站的可编程控制器PLC，PLC是一种广泛应用于工业控制领域的嵌入式CPU，具有指令存储和执行、顺序控制和逻辑运算等功能。PLC的选择根据控制系统的要求，包括输入输出、存储容量和计算精度等，本文选择西门子公司生产的S7-200系列PLC。

4.2 软件设计

拉紧装置的软件在PLC编程软件STEP7中编辑实现，这是一种专门为西门子PLC编程而推出的专用软件，其具有便捷齐全的功能，支持多种语言编程，梯形图是一种简单易上手的编程语言，因此本文选择梯形图编程。图3为张紧力判断程序流程图，程序开始时，判断张紧力是否大于设定值下限，判断为是则绞车制动，判断为否则制动器松闸绞车正转紧绳，第二步判断张紧力是否小于设定值上限，判断为否则制动器松闸，绞车反转松绳，判断为是则绞车制动，输送带停止运行，继而结束程序，关闭泵站。