矿用带式输送机张紧力自动调控系统研究

王新成

(山西煤炭进出口集团 洪洞陆成煤业有限公司, 山西 洪洞 041600)

煤炭开采过程中，带式输送机是非常重要的运输装备，其运行过程的稳定性会在一定程度上影响煤矿生产效率[1].带式输送机正常工作时皮带主要利用其与驱动滚筒之间的摩擦力实现运动，而摩擦力与皮带张紧力之间存在紧密关系[2].张紧力过大导致皮带处于过度绷紧状态，不利于皮带使用寿命的提升，如果张紧力过小会导致皮带摩擦力降低，最终出现打滑现象[3].皮带张紧力受张紧装置控制，因此张紧装置性能会对皮带机的稳定运行产生决定性的影响[4].设计可以实现输送机张紧力自动调控的装置，对于提升带式输送机的自动化水平，促进煤矿开采效率的提高具有重要的实践意义。

1 带式输送机及张紧装置概述

根据带式输送机的工作原理可以将其划分为钢丝绳牵引和滚筒驱动两大类型，煤矿中使用的带式输送机其工作原理主要为后者[5].煤矿常用的带式输送机主要包括滚筒、机架、托辊、驱动装置、张紧装置以及皮带等。其结构示意图见图1.正常工作时，电机输出的动力经过减速器后输入到驱动滚筒中，驱动滚筒通过摩擦力使得皮带随之一起运动，最终实现皮带上方物料的长距离运输[6].

图1 带式输送机的主要结构示意图

张紧装置是带式输送机中重要的结构，其作用是确保皮带始终处于张紧状态，为皮带与驱动滚筒之间提供足够大的摩擦力。另外，张紧装置还能对皮带本身的弹性和线粘性伸长现象进行补偿，方便皮带重新连接时的操作，也可对带式输送机启动和制动时的冲击现象进行缓冲，提升设备运行稳定性。

2 张紧力自动调控系统整体架构

2.1 张紧力自动调控系统设计

带式输送机张紧力自动调控系统示意图见图2.工作原理：设备正式启动运行前，对泵站油温、水箱水温以及泵站压力等进行检测，确保满足启动条件后才能够开机，运行过程中也要对上述参数进行检测，所有检测数据传输到PLC控制器中进行分析处理。如果检测结果超过了系统设定的安全阈值，系统会发出警报，待处理完毕后才能再次启动设备。利用张力传感器对张紧装置中钢丝绳的张力大小进行检测。如果发现张力偏小或偏大，控制器下达指令控制变频器和电机启动，驱动卷筒转动，实现钢丝绳张力的调节，进而实现皮带张紧力的控制。

图2 张紧力自动调控系统主要结构示意图

2.2 张紧装置结构设计

具有张紧力自动调控功能的张紧装置结构示意图见图3.可以看出，张紧装置的结构比较复杂，主要由驱动装置、游动小车、滑轮组等部分构成。当需要对皮带的张紧力进行调整时，PLC控制器下达控制指令对变频器和电机进行控制，卷筒发生旋转运动可以对钢丝绳张力进行调整，促使游动小车发生直线移动，进而实现皮带张力的控制。PLC控制器可以对电机的旋转方向以及输出转速进行控制。如果检测皮带张紧力与设定值偏差相对较大，则电机输出转速也相应更快，这样能在较短时间内实现皮带张紧力的调整。当无需对皮带张紧力进行调整时，通过制动器实现张紧装置的稳定状态。

图3 具有张紧力自动调控功能的张紧装置结构示意图

2.3 基于PID的张紧力自动控制原理

张紧力自动控制系统原理框图见图4.设计的调控系统能根据带式输送机负载大小对张紧力进行自动调整。利用传感器对驱动电机的电流值进行检测，并根据电流预测带式输送机的负载，进而得到张紧力的预设值Fzs.同时利用张力传感器对张紧装置的实际张力Fzc进行检测，计算得到张力预设值与实际值之间的差值ΔF.根据需要调整的张力大小以及防爆电机实际输出转速，基于PID控制技术输出变频器的电压频率调整量Δf，最终实现张紧力的精确控制。

图4 张紧力自动控制系统原理框图

3 张紧力自动调控系统主要硬件

3.1 电气控制柜

电气控制柜是整个调控系统的核心部件，其性能会对系统运行过程的稳定性和可靠性产生决定性的影响，电气控制柜由弱电柜和强电柜两部分构成。强电柜的作用是对变频器和电机等电气设备提供电力能源。弱电柜中最重要的为PLC控制器，本研究中选用的是Compactlogix 1769-L3X系列控制器，该控制器具有良好的实时控制功能和丰富的I/O接口模块。主要由CPU模块、电源模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块等部分构成，对应的型号分别为L33ERM、PA2、IF4XOF2、OB16、IQ、ECR.变频器选用的型号为AB PF753，变频器与控制器为同一公司研制生产，两者之间通过Ethernet/IP网络接口实现数据信息的交互。

3.2 传感器选型设计

本张紧力自动调控系统中传感器是比较基础和重要的硬件设施，需要利用传感器对张紧装置和皮带的运行状态进行监测，监测质量会对张紧力调整的效果产生直接影响。涉及的传感器主要包括张力传感器、温度传感器、压力传感器、限位开关和电流变送器。结合工程实际情况，上述传感器选用的型号分别为TJL-7、HSTL-103F、HSTL-800、LX19-001、MIK-DJI-V1-B1，部分传感器的数量为多个。以上传感器经过工业实践的检验，均具有相对较高的精度，并且能够满足煤矿复杂的工作环境，可以保障运行过程的安全性。传感器检测得到的数据多为模拟量信号，需要利用A/D转换器将其转换成为数字量信号后，才能输入到PLC控制器中进行分析与处理。

4 张紧力自动调控系统的应用效果

4.1 工程概况

某煤矿中使用的带式输送机，其输送长度为2.4 km左右，皮带宽度为1.4 m，皮带运行时的速度为3.5 m/s，每小时运输的煤矿物料可达2 000 t，输送机倾角为3.8°.将皮带和驱动滚筒之间的摩擦系数设定为0.35.经过计算，带式输送机运行时的阻力以及皮带在驱动滚筒分离点部位的张紧力分别为583 kN和69.3 kN.经过现场调试后将带式输送机启动阶段、正常运行阶段、制动阶段的皮带张紧力分别设置为80 kN、70 kN和55 kN，根据以上目标对皮带的张紧力进行控制，要求误差不超过3 kN.

4.2 应用效果分析

将设计的带式输送机张紧力自动调控系统部署到工程实践中，对其各项性能进行现场测试。结果发现，在调试阶段系统能够严格按照张紧力预测值对皮带的张紧力大小进行调整控制，两者之间的误差非常小，达到了预期的效果。张紧力自动调控系统的成功实践应用，显著提升了带式输送机运行过程的稳定性，避免了皮带打滑现象，为煤矿开采效率的提升奠定了良好的基础。

5 结 论

以矿用带式输送机的张紧装置为研究对象，设计研究了张紧力自动调控系统。系统利用专业传感器对张紧装置以及皮带的运行状态信息进行实时检测，能够根据系统设定要求自动地对皮带张紧力大小进行调整与控制。系统中选用的PLC控制器和变频器为同一家公司生产研制，具有很好的兼容性，型号分别为Compactlogix 1769-L3X和AB PF753.使用的传感器主要有张力传感器、温度传感器、压力传感器、限位开关和电流变送器等，型号分别为TJL-7、HSTL-103F、HSTL-800、LX19-001、MIK-DJI-V1-B1.将设计的系统部署到带式输送机工程实践中，现场测试发现性能良好，可以对皮带张紧力进行精确调控，为煤矿企业创造了良好的经济效益。