带式输送机液压自动张紧装置的设计分析

郭洪丽

（山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿，山西长治046200）

0 引言

带式输送机是一种大型运输设备，经过最近几年的发展已经成为长距离、大功率以及高带速的现代化设备。可是在实践的过程中，也出现了一定的问题，比如响应速度慢，经常出现打滑与断裂等现象。张紧装置能够给运输机构提供较大的张力，为机构的安全运行提供有效地保障。当前常见的液压张紧装置广泛选用分段式独立设计，从而可以把张紧过程划分为如下几个阶段：启动阶段；正常运行阶段；制动阶段；停止运行阶段等。对于不同的运动阶段可以配置与之对应的张力范围，假如检测到张力不在相应的范围时，那么系统就会对执行单元进行调整。可是该系统并不能依据静态过程对张力进行实时调整，同时其调节精确度相对较差，往往表现出余量过大或者不足的现象，从而出现了张力过劲或者太小的现象。在以往的研究中，鄢闯[1]简单介绍了带式输送机的常见故障与相关处理措施，胡春梅[2]研究了带式输送机的重锤机械张紧，很少有学者对带式输输送机的液压自动张紧进行研究。基于此，本文提出了运用PLC进行动态调整的液压张紧控制装置。该系统可以依据自适应对张紧力进行调整，与此同时对系统进行实时调整，该系统能够有效地克服传统张紧系统的不足，为带式输送机的智能化发展提供参考。

1 系统总体设计方案

1.1 系统架构

该系统包括3个系统：液压系统、电控系统、机械系统。其中，液压系统包括液压站、蓄能器、缓冲油缸、张紧力产生设备等几个组成单元。而张紧力产生设备包括张紧电机、制动器以及相应的慢速绞车等几个子单元，其可以给运输机提供张力，通常情况下缓冲油缸主要用来缓解传送带在工作的过程中所产生的振动以及松弛现象。电控系统运用PLC对张紧电机输出转矩进行控制，与此同时在张紧力传感器的帮助下进行张紧力的实时监测，这样在经过张紧力信息处理的过程中可以对张紧力进行调整。电控单元是控制自动张紧力与数值输出的核心单元，在电控单元中可以执行控制程序以及实现数据的运算等。对于机械控制系统而言，其包括张紧小车、钢丝绳、慢速绞车、导向滑轮等。其中，执行系统张紧动作的单元是慢速液压绞车，能在较大范围内对张紧力进行调整。钢丝绳以及导向轮与执行单元进行过连接，通过液压绞车正反正对钢丝绳进行的运动方向进行调整，从而可以调节传送带的松紧调节[3]。图1所示为相应的液压自动张紧总体结构。

图1 带式输送机液压自动张紧装置结构

1.2 系统控制原理

通过分析图2所示的液压自动张紧系统结构原理可以发现，由于液压运输机在运行的过程中需要张紧装置提供不同的张紧力。可以借助PLC设置相应的张紧力参数以及程序，进而对运输机的各个状态进行调整[3]。通过上位机远程向控制器发出操作指令，同时上位机还可以接受来自于调控器发出的指令，从而可以实时监测运输机的张紧力状态。当控制器接收到启动信息后，可以发出控制信号，进而将张紧力调整为与启动状态相匹配的张紧力，而张紧力的数值设定为正常状态下的1.5～2倍的范围，这样可以使得张紧绞车的制动器处于关闭状态，而张紧电机处于正转状态，使得绳子处于拉紧状态。与此同时可以借助液压站向缓冲油缸充油。假如张紧力达到启动设置的数值时，那么相应的制动器将会启动，进而张紧电机停止运转，最终使得液压站处于空载运行状态[4]。假如传送速度处于正常工作的数值，那么可以借助PLC对自动控制张力进行控制，从而使得自动张紧装置处于正常的运行状态。假如系统接收到停止运行信号时，那么这时PLC通过给张紧力传输停止工作的信号后，将张紧力调整为停机状态的数值。同时相应的设备也做出相应的动作，比如绞车制动器处于启动状态，所有的电磁阀也会处于关闭状态，同时液压系统也会处于停止工作的状态[5]。

图2 液压自动张紧装置具体结构原理

该系统还设置了断带保护装置，假如传动带出现断裂时，那么相应的传送带张紧力将会下降到0。PLC可以将信号传递给液压站将其设置为停止运行的工作状态，同时绞车制动器处于启动状态，将蓄能器与油箱接通，这样可以使得缓冲油缸处于卸载的状态。

2 硬件方案设计及选型

由于系统的运行离不开硬件的支撑，因此必须选择合适的硬件系统。因此依据上述需要设计出合适的硬件操作系统[6]。

该硬件系统中，PLC是核心硬件单元，选用西门子S7-1200可编程控制器。其具有紧凑的结构、运行速度快、能够满足导轨形式的安装、设置有10~24个I/O接口、电源单元选用PM1207。与此同时集成了PROFINET接口、专用RJ45连接器，从而能够极大地提高数据传输效率，能够满足该系统的需要。张紧电机选用三相异步电机，其型号为Y180L-4型，转速为1 470 r/min，对应的功率为11 kW，电机的额定电压选选定为380 V。

经过调查发现液压系统在工作的过程中，由于油泵供油时并不能满足峰值需要以及更好地调整压力脉动等情况，而设置的蓄能器可以较好地吸收压力脉动情况，进一步可以有效地提高系统的性能。本设计选用蓄能器的型号为NXQ-L型，公称容积达到0.4 L，相应的压力为10 MPa，经过分析发现该蓄能器能够满足系统的需要。在该系统中，液压油泵是液压系统的动力单元，当电动机驱动可以将油箱中的油液输送给执行单元。选用的液压油泵型号为NBT3-D10F，额定功率选为3.2 kW，相应的排量为10 mL/r，经过分析发现该液压油泵能够满足系统的需要[7]。

该系统张力值采样系统由张力传感器和张力变送器两个单元组成。通常张力传感器设置在钢丝绳上，其能够对张力进行采样，将张力物理信号转化成为4～20 mA的电信号，将改电信号传输给PLC控制单元，经过数据处理传输给上位机，同时能够对张力进行实时监测。该张力传感器选用本质安全传感器，其型号为UAD10，其控制精度范围在±300，量程范围在0～10 t范围内，相应的工作电压为12 V，工作温度在-5～+50℃范围内，分辨力精度可以达到65 000分度，量程可调节的范围在2～30 mV的范围内，经过分析该型号的张力传感器能够满足工程的需要。

3 软件方案设计

本设计在软件开发的过程中，充分结合张紧装置中运输机运行时出现的弹性以及波动性问题，从程序的层面发出控制指令控制张紧小车存在的振荡问题[8]。图3所示为相应的张紧力控制流程。

图3 带式输送机张紧力控制流程

4 应用效果分析

山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿某巷设计长度大约为1 200 m左右，该巷道选用的掘进工艺为综合机械化掘进，在巷道日常掘进作业中应用的是SSJ-800型带式输送机来运输煤及矸石，该带式输送机所采用的驱动方式为双电机驱动，每台电机为40 kW的额定功率，输送机的具体安装长度设计为400 m，该巷道在掘进前200 m时，该带式输送机所用的张紧方式主要为传统液压张紧方式，该种张紧方式在实际应用中时常会发生故障，在巷道掘进前期，由于带式输送机张紧方式的不科学、不合理，引发该输送机出现了4次的断带事故，张紧装置经常发生故障，仅维修该输送机的人力物力成本就高达15万元左右。

2020年4月经相关技术人员的实地考察研究，决定更换该输送机的原张紧装置，应用新型带式输送机液压自动张紧装置后，直到2020年10月，经6个月左右的实地应用观察，人们发现自从应用该新型液压自动张紧装置后，该带式输送机从没发生一起由于张紧装置不当而引发的断带停机事故，可节约输送机输送机维修维护成本70万元左右。

5 结束语

带式输送机皮带张紧装置是保障带式输送机安全高效运行的重要部件，在工程实践的过程中发现，该带式输送机液压自动张紧装置不仅具有简单的张紧带式输送机皮带的功能，而且能够有效地实时监测张紧力的变化情况，根据带式输送机实际运行所需的张力情况对皮带的张紧力进行实时调整，其能够优化张紧力的工作过程，达到带式输送机自动张紧的目的，总之，通过应用该带式输送机液压自动张紧装置一方面能有效减少带式输送机运行过程中所需的人力物力维护成本，另一方面可实时张紧皮带有助于进一步提高带式输送机的运行效能，该装置具有一定的推广应用价值。