带式输送机拉紧装置的设计与应用研究

薛三年

(山西西山白家庄矿业有限责任公司，山西 太原 030022)

0 引言

与汽车运输相比，长距离大功率带式输送机的投资和维护成本低，目前广泛应用于矿山、港口、建材等行业。与国外机械工业强国相比，目前我国的长距离大功率带式输送机在设计、生产等关键技术方面还有一定差距。为了防止皮带发生打滑，提高输送机滚筒的摩擦力，带式输送机一般都配套拉紧装置，我国对拉紧装置的研究和应用起步较晚，在理论设计和生产实际中都缺乏经验，因此，研究带式输送机拉紧装置及其控制系统具有重要意义。

1 带式输送机拉紧装置概述

带式输送机拉紧装置是一种集机械技术、液压技术和自动控制技术于一体的装置，在设计初期需要充分考虑其布置、安装、结构和工作原理等因素。

1.1 布置原则

通过查阅带式输送机相关文献和技术资料，结合运行维护工作中的经验，在布置拉紧装置时需考虑以下几个基本原则：①拉紧装置最好接近驱动装置即主动带轮一段，以保证驱动装置附近的皮带张力保持不变，这是因为拉紧装置远离驱动装置布置时会受到加速度的影响，从而不能满足驱动装置附近的最小张力；②拉紧装置最好布置在皮带张力最小处或松边处；③确定拉紧行程时将皮带接头长度考虑在内，确定张力大小时将输送机各种运行工况考虑在内。

1.2 安装位置

在长距离、大运量和不同工况影响下，拉紧装置的安装位置显得尤为重要。例如在电机启动和制动时，理想的过程应是平滑而缓慢的加速过程，若拉紧装置不能配合电机的速度变化而动态调整皮带的张力，则皮带极易发生变形而影响设备的稳定性。图1为带式输送机拉紧装置安装位置示意图，由于带式输送机的坡度超过5%且运输距离超过300 m，因此，拉紧装置安装在主动带轮的空载侧，其配合主动带轮减小张力变化的效果最好。

图1 带式输送机拉紧装置安装位置示意图

1.3 结构划分

本文研究的带式输送机拉紧装置主要包括三部分：机械部分、液压部分和电控部分。机械部分主要包括绞车、拉紧油缸、道轨、滑轮、钢丝绳等。液压部分包括蓄能器、截止阀、压力继电器、溢流阀和定量泵等。电控部分包括传感器和电控箱等。

1.4 工作原理

皮带的张力通过安装在钢丝绳上的拉力传感器进行采集，然后与给定张紧力进行比较，经电压比较电路处理后的电压信号经过脉冲频率处理后发给控制器。控制器对脉冲频率信号和带式输送机的工作状态进行综合判断并发出控制信号，控制信号通过继电器和磁力启动器驱动电机正反转或制动，电机正转则拉紧油缸拉伸，张力变大；电机反转则拉紧油缸缩回，张力减小。

2 拉紧装置液压系统分析

2.1 结构和工作原理

图2为拉紧装置液压系统原理图，在带式输送机启动阶段和稳定运行阶段，拉紧力的控制方式不同。启动阶段，电磁阀打开，当油泵中的液压油进入后，电控箱发出电机启动信号；定量泵在电机带动下将前腔充满液压油，从而在活塞上产生压力，溢流阀的作用是限制张力上限，蓄能器的作用是缓冲皮带张力的波动，吸收外部干扰引起的松边伸长量。运行阶段，油泵电机不工作，该装置的拉紧力由电控系统控制，电控系统通过拉力传感器采集的数据，判断此时所需张紧力，从而控制液压系统动作产生给定张紧力;压力继电器的作用是保证张紧力在控制范围内，压力继电器能控制电磁阀，进而控制液压回路，当压力超过上限时，压力继电器关闭油泵电机，张紧力减小，当压力低于下限时，压力继电器打开油泵电机，张紧力增大。

图2 拉紧装置液压系统结构原理图

2.2 液压系统的连接方式

液压系统的连接采用高压胶管，高压胶管是一种专门输送有一定温度和压力液体的管路，具体的连接方式如图3所示。液压泵站通过一根长胶管与一根短胶管分别与蓄能站和油缸有杆腔接头座连接，然后通过另一根胶管连接到无杆腔接头座，这样液压泵站与蓄能站、油缸的连接就完成了。液压泵站通过一根长胶管与马达泄油口连接，绞车与液压泵站的连接分别使用两根长胶管，一根连接“绞车正转”接口，另一根连接绞车反转接口。

图3 液压系统各部件连接示意图

2.3 主要元件选型

液压缸是将液压能转换为机械能的执行元件，其性能的好坏直接决定了拉紧装置的质量和使用寿命。液压系统中各类型阀的应用很多，如液控单向阀、电磁溢流阀、三位四通电磁换向阀、卸荷溢流阀等均在不同场合发挥各自作用，应根据不同工作特性进行选型。除液压缸和阀之外，液压系统的关键元件还有电机、泵和拉力传感器等。表1给出了本文研究的液压系统关键元件选型。

表1 液压系统关键元件选型表

3 拉紧装置电控系统分析

电控部分主要是指电控箱，它是整个装置的关键部件，主要的电气元件有可编程控制器(PLC)、继电器、断路器和电源模块等。其工作原理为：上位机的启停等控制信号发送给PLC，PLC根据控制信号和钢丝绳上采集的拉力信号，判断此时绞车是正转还是反转，对液压系统进行控制。可编程控制器PLC是拉紧装置电控系统的核心，根据装置所需采集信号的输入量和控制信号输出量选择适合本系统的PLC型号。一般PLC选择需要考虑输入和输出端口的改进和维修裕量、数据存储容量、通讯接口等，本文选择西门子公司生产的S7-200，这款PLC采用CPU224XP，具有14路数字输入接口、10路数字输出接口、2路模拟信号输入通道和1路模拟信号输出通道。

CPU224XP的外部接线图如图4所示，系统采用交流220 V、直流24 V电源进行供电，图中未连接的端口可以用于功能扩展和升级。

图4 CPU224XP的外部接线图

拉紧装置的PLC程序通过STEP7开发环境梯形图进行编制，软件编写的具体步骤为：首先实现程序化模块，包括主程序模块、手/自动模块、加热器和冷却器模块、各类型控制模块等，然后结合输入输出量编辑拉紧装置的变量表，根据流程图编制程序块中的梯形图，最后编制通信和硬件组态网络。

4 应用特点

拉紧装置在带式输送机应用中表现出如下特点：

(1) 启动特性好。带式输送机的皮带、拉紧油缸和拉力传感器形成一个有机的整体，皮带的张力可以适度调节，特别是在启动阶段，拉紧装置可使皮带拉紧1.4倍左右，避免打滑错位。

(2) 响应快。在外部负载波动、电机启停阶段和机尾移动等过程中，皮带上的张力不断振荡，拉紧装置能够快速调节张力，减少“打带”和“断带”故障。

(3) 远程控制。拉紧装置的电控系统通过标准的通讯接口可实现与皮带机集控系统的连接，方便地面工作人员进行皮带机状态监测和远程控制。

(4) 提高了皮带机各部件使用寿命。运行时皮带的张紧力保持在一定范围内，避免了皮带的快速老化，降低了托辊的损坏率，使皮带机的故障率和维护成本降低。

5 结束语

目前国内的带式输送机液压绞车自动张紧装置的动态响应不佳，皮带张力不能及时调整，容易造成皮带过紧或过松等情况，严重时还会拉断皮带。本文研究的拉紧装置在恒张力控制方面表现出了优良的性能，皮带上的张紧力能够随着皮带运输机运行状态或负载的变化而进行及时调整，避免了皮带打滑现象的发生。