矿山长输送皮带自动张紧装置的改造

余可朕 宋利远 段华东

（都江堰拉法基水泥有限公司，四川 成都 611800）

0 引言

水泥生产线上矿石运输采用的皮带输送，其张紧方式通常采用卷扬机、小车结构或者液压缸张紧等固定力矩方式拉伸调整皮带，而不能根据设备的启停、负荷大小灵活调整皮带张紧力，长期运行会对皮带接头造成损伤，严重时导致皮带接头断裂，影响生产。在都江堰拉法基水泥有限公司矿山的长输送皮带机上，液压张紧装置采用单电机单泵供油，系统可靠性低；控制系统无法补偿塑性伸长和过度工况下弹性伸长的变化；皮带的变载过程无法随动控制；皮带瞬时过载无法消除；张紧油缸最大张力偏小。笔者结合实际项目情况，对输送皮带液压张紧装置进行了更新改造，取得了理想的效果。本文对本次改造进行总结。

1 项目概况

1.1 输送带主要参数

st2500(8+6),输送距离3.89km，设计速度3.15m/s,实际速度为2.5~2.7m/s，电机功率450kW×3，输送能力1560t/h。

1.2 液压张紧装置使用现状

现液压张紧装置的电气控制柜、液压站外部锈蚀严重，元器件老化；采用单电机单泵供油，系统可靠性低；控制系统原理存在缺陷，无法补偿塑性伸长和过度工况下弹性伸长的变化；皮带的变载过程无法随动控制；皮带瞬时过载无法消除，致使皮带使用寿命缩短；张紧油缸最大张力偏小。

1.3 液压张紧装置改造方案

重新设计生产液压张紧装置：包括PLC电器控制柜、液压站、电液控制阀块、张紧液压缸。具体改造内容及拟实现的效果如下：

（1）采用双电机双泵供油，实现一主一备，增加系统可靠性及设备安全性。

（2）采用电磁换向阀与液控单向阀，实现皮带安装、空载、软启动等过程控制。

（3）采用电液比例阀与拉力传感器，实现皮带的压力随动调整、张紧油缸工作原点调整。

（4）采用PLC程序逻辑控制。

2 液压张紧设备的技术要求

2.1 液压张紧设备设计、生产要求

采用YBZ-21/140型液压张紧设备，需重点考虑以下几方面内容：科学合理地确定皮带张紧力与启动规律；结构形式采用大、小张紧并联调整、PLC程序控制电液随动系统；为了保证设备长期稳定工作，电液控制采用冗余控制方式。该液压自动张紧设备有足够张力，以保障输送带与滚筒之间产生必要的摩擦力并防止打滑。

2.2 技术标准与规范

液压张紧设备的设计、制造、包装、运输、储存、验收采用GB以及最新版的ISO和IEC标准。引用相关标准：《液压系统通用技术条件》（GB/T 3766-2001），《机械设备安装、验收规程》（GB/T 50231-98），《液压系统及元件公称压力系列》（GB/T 2346-2003），《液压元件油口螺纹连接尺寸》（GB/T 2878-1993），《液压缸活塞行程系列》（GB/T 2349-1980）。

2.3 其他标准

国际电工委员会IEC有关标准。首先采用行业标准。在行业标准缺项或不完善时，可参照选用相应的国际标准或中华人民共和国国家标准[1]。

3 主要参数的计算

3.1 张紧力预估计算

输送传动带的张紧程度（即张紧力的大小），是影响输送带稳定运行的重要因素。张紧力低时，容易打滑，运输能力低；张紧力适当增大，传动能力适当提高，但过大的张紧力，会降低传动带的使用寿命。

平胶带适当的张紧应力δ=1.57～1.96MPa，常用1.77MPa，根据总的工作时间长、速度高、灰尘泥沙重等工况条件，张紧力取小值。

输送带安装时的初拉应力比设计应力大50%，即1.5δ，通过张紧油缸调整。通常调整带长∆L=0.01L，使用一段时间后，通过卷扬电机与小车进行调整。

现输送带主要参数：st2500(8+6),输送距离3.89km，设计速度3.15m/s,实际2.5~2.7m/s，电机功率450kW×3，输送能力1560t/h.

由公式估算Fmax=i·B·δ/n=235000N

3.2 张紧油缸尺寸和行程调整计算

由公式F=P·A，A=π（D2-d2）/4，取系统最高工作压力21MPa，可以确定油缸活塞直径D=140，d=70，油缸最大压力242330N>235000N,满足现场要求。目前使用油缸D=125，d=70，系统最大力176800N，油缸偏小。

根据现卷扬机最低卷扬长度，结合现场实际使用情况选择油缸最大行程S=2000。

4 带式输送机自动张紧液压技术方案

4.1 带式输送机自动张紧液压机特点

YBZ-21/140-1600带式输送机自动张紧液压机主要由张紧液压缸、蓄能液压油源、液压控制阀块、PLC程序控制柜、与慢速卷扬小车、检测系统（固定滑轮处的拉力传感器、张紧油缸上位移传感器、液压系统压力充电器）组成。系统主要特点如下：

（1）通过拉力传感器精确检测皮带张力并反馈到控制系统，进行输送带小调整。根据需要设定拉紧力后，通过电液比例阀实现皮带的恒力状态。

（2）通过位移传感器，检测张紧油缸工作位置，实现卷扬机对输送带大调整。确保张紧油缸始终在有效调整范围内（工作原点至最大工作位置，根据现场调试情况自由设置）。

（3）通过压力传感器检测张紧腔压力、并反馈给系统。通过比例溢流阀、补压电磁球阀、保压蓄能器对系统压力实现保压、限压、稳压范围（7.5～8.5MPa）的控制，确保输送带的张力控制在有效范围，提高系统安全、稳定性的同时，增加输送带的使用寿命。

（4）动态性能好，减小启动和停车过程中拉紧力突变，防止出现断绳和断带事故。

4.2 液压工作原理

4.2.1 主系统压力设定

系统启动时，由电动机带动油泵1（或者油泵2）提供系统压力油，在启动油泵电机前常闭电磁溢流阀的电磁铁通电，使油泵电机低压启动。当油泵电机启动后，电磁铁断电，通过系统电触点压力表设定系统压力，调整溢流阀直至设定系统最高压力（12MPa）。此时，3位4通电磁阀处于中位。

4.2.2 控制系统压力设定

3位4通电磁阀右边电磁铁通电。张紧油缸活塞杆缩回油缸全行程（此时根据情况张紧轮处于松开状态）通过系统压力表，调整拉力最高压力限制溢流阀（设定为9MPa）。避免液压拉紧力过大，防止输送带与钢丝绳安全系数降低。通过数字压力表设定拉紧压力。将拉紧压力控制在7.5~8.5MPa。当拉紧油缸压力，低于7.5MPa系统自动补压。

4.2.3 系统工作点调整

当系统压力设定好后，设定位移传感器位置：设定活塞杆伸出1800mm位置为张紧油缸工作原点，设定活塞杆伸出300mm位置为张紧油缸最大工作点，也是两位置检测开关安装位置。该张紧系统长时间工作在原点位置，随着皮带的变形量（拉长量∆L）增加，张紧力变小，系统压力降低至拉紧力最低设定压力。系统补压，直至拉紧压力达到最大压力设定点。补压过程结束，系统处于保压。此时油缸行程会缩短∆L。此过程称为小调整。当∆L=1500时，系统自动启动卷扬机，收紧皮带，至张紧油缸工作原点。此过程称为张紧系统大调整，电液比例溢流阀自动调整张紧腔压力为最低张紧压力。使皮带在工作状态下可以自动调整拉长量。油缸回到工作原点。比例溢流阀自动调整到拉力传感器设定的恒压（8.5MPa）

4.2.4 启动与停机压力设定

通过PLC控制，当系统接到启动或停止信号，比例溢流阀自动调整系统张紧力为5MPa。减少启动、停机的张力突变。

4.3 液压站主要结构与配置

YBZ-21/140-1600带式输送机自动张紧液压控制系统使用的液压油源，大部分是按传统安装方式，将蓄能器、油泵电机立式内置安装于油箱内。这种方法有两个优点，一是结构紧凑，二是如果发生泄漏，直接漏回油箱[2]。但是，这种传统的安装方法存在三大缺点：一是接头泄漏不易发现泄漏点，设备故障率高；二是维修不方便；三是更换和修理油泵电机、蓄能器时会有一部分液压油带出油箱，污染环境[3]。

笔者公司设计开发的液压控制油源，采用立式外置电机油泵、蓄能器的安装方式：通过一个截止阀将滤油器与油泵进口分开，通过一节无缝钢管将滤油器固定在油箱内，截止阀固定在油箱外并与油泵连接。油泵的出口，通过一个无缝钢管，窜过油箱另一面与蓄能器连接。这种安装方式克服了传统内置式安装的缺点，并且使用维护方便，缩短了维修时间。

液压系统为自动保压型液压站。最高操作油压9MPa，张紧压力油源来自液压站，额定工作油压8MPa，系统事故低油压为额定油压的7MPa，事故高油压设定9MPa（根据现场调试实际情况和要求设定）。为了增加系统可靠性，液压系统采用主泵和备用泵双系统供油方式。主泵和备用泵互为备用，当一泵出现故障，系统自动切换至备用泵。独有的专利技术，可在不断电不停机的情况下安全更换或维修损坏的泵组。液压系统自带的蓄能装置（本次张紧系统、置配XNQ-63/31.5蓄能器2只），在停电失去动力情况下，仍然可以长时间稳压。系统采用数字球阀，使液压系统抗污染能力强，反应快，大大提高了系统的可靠性和稳定性。

油泵、电磁阀组、压力控制器、液位变送器等主要元器件选用国内外著名品牌力士乐或北京华德，质量可靠、方便维修；液压站主要由油泵机组、集成式油路块、囊式蓄能罐、油箱、控制阀组及表计等组成。在每台油泵出口装有一电磁溢流阀，控制液压系统的最高工作压力，确保系统安全工作，保护电机空载启动，同时在油泵的出口还装有单向阀，以阻止停泵时产生的回流。液压站通过油泵机组向气囊式蓄能器充油，气囊产生压缩从而存储液压能，在电控指令和控制阀组的作用下，蓄能罐的液压油或油泵打压的液压油经液压阀快速流向操作阀块，而将液压能转变为机械能，从而驱动张紧油缸调整皮带张紧力。

对液压模块进行三维优化设计，使其内部弯路少，泄漏点少，并采用高性能的电磁球阀作为保压止泄元件，保证了液压站保压时间长。在液压泵进油口设有油滤清器，保证油泵可靠工作，在油泵的出油口设有安全溢流阀。在液压站上设有压力传感器，对液压系统进行控制与检测，并有接点供上位机采用。每套操作供油系统有2台电动油泵，一台工作、一台备用。油泵的最高工作压力为28MPa，满足了压力油操作系统的要求。

4.5 张紧油缸

张紧液压缸选择低摩擦液压控制系统专用缸，具有低阻力、高精度特性。油缸的缸筒采用整体45#无缝特种钢管探伤后加工制成。缸体经过高精度镗孔、热处理、珩磨等工序确保了缸的精度与耐磨性。活塞环采用45#精加工后表面渗氮，具有极高的强度与耐磨性与抗变形性能。活塞杆采用40Cr锻钢整体锻造，分粗加工、半精加工、调质处理、精加工、表面热处理、精磨等严格工序制成，保证了缸的精度与长期稳定的工作要求。

缸体的密封满足以下特点：高刚性、密封摩擦阻力小、密封可靠寿命长等特点[4]。本次油缸设计活塞密封采用格莱密封、活塞杆密封采用斯特密封。与传统的O型圈U/Y型圈密封相比：启动摩擦阻力小，适合液压随动控制要求；耐压、耐高速、耐磨性、耐久性，都比O型圈U/Y型圈密封好。

活塞密封圈由一个润滑性能良好，摩擦因数小的滑环和一个充当弹性体的橡胶圈组成[5]。滑环材料为摩擦因数极低的填充聚四氟，所以，油缸启动平稳、无爬行。能够满足比例控制阀的性能指标，进而达到系统精度控制。活塞杆密封，将密封滑环制成阶梯型，并有一个忍口、密封件的斜面部分利用流体动力作用保护油膜，使之返回工作腔，从而提高密封性能。

4.6 电气控制及主要元件

YBZ-21/140-2000带式输送机自动张紧液压机，配有专用电控箱，控制面板上，采用触摸屏，实现自动设定开、停机压力、张紧压力、防冲击压力，面板上装有转换开关和控制按钮，用于本地控制和模式切换。

采用西门子系列PLC为控制中央处理单元，结合外部传感器，集成自动控制、状态监视、故障报警、自动报表功能。

PLC控制器、控制模块、触摸屏采用西门子S7-1200系列，软启动器、通用电气元件和传感器采用施耐德或欧姆龙品牌产品。

5 运行与操作

给定张紧力8.5MPa(根据实际情况、现场调整设定)。系统接到自动开启输送带信号。张紧机主油泵启动，此时3位4通电磁换向阀处于中位。比例溢流阀自动系统压力达到系统启动压力4.5MPa。3位4通电磁换向阀右侧电磁铁通电，卷扬机电机低速运转。当张紧油缸到达工作原点，位置传感器发出信号，输送带驱动电机启动。比例溢流阀压力逐渐升高8.5MPa,此过程（根据现场需要设定时间）张紧压力上升到由比例溢流阀设定工作压力为8.5MPa。当钢丝绳拉力传感器达到与系统恒压工作压力为8.5MPa时，卷扬机停止工作。此时，输送带进入恒压工作状态。

系统接到自动关机输送带信号，比例溢流阀自动系统压力达到从8.5MPa逐渐减少至4.5MPa，输送带电机停机。

当张紧机安装调试、压力设定、工作原点调整等工况时，可以手动实现张紧油缸张紧、松开、卷扬机卷、方等手动独立操作。

6 结束语

液压张紧自2022年2月份改造以来，目前运行正常，现场设备由于采用双泵组合及对原有油缸和蓄能器的改造，提高了设备安全可靠性，另外在原有基础上增加了位移和拉力传感器，使得以前无法参考的指标，现在有了具体数据。