礦用帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的改進(jìn)方案研究

王亞軍

0 引言

隨著煤礦綜采技術(shù)的進(jìn)步，礦用帶式輸送機(jī)的工作能力有了較大發(fā)展，使其逐漸成為煤礦散料輸送最可靠、最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備之一[1]。礦用帶式輸送機(jī)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)入了突飛猛進(jìn)的發(fā)展階段，其整體的運(yùn)載能力，比如極限載荷、極限速度、極限運(yùn)距、功率等出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，而且種類(lèi)和結(jié)構(gòu)形式多種多樣，可滿(mǎn)足不同類(lèi)型煤礦生產(chǎn)條件。目前，煤礦生產(chǎn)中所應(yīng)用的礦用帶式輸送機(jī)的極限運(yùn)載速度已經(jīng)超過(guò)10 m/s，皮帶（又名膠帶或傳送帶）的最大寬度超過(guò)4 m，極限載重能力高達(dá)30 000 t/h，單機(jī)最大裝機(jī)容量達(dá)6 200 kW，大大提升了煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2]。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可知，帶式輸送機(jī)在變頻軟啟動(dòng)控制、自動(dòng)張緊控制以及皮帶的選材等方面仍存在一定的不足和缺陷，一些問(wèn)題成為阻礙某些煤礦安全生產(chǎn)順利進(jìn)行的屏障，但國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究或報(bào)道相對(duì)較少，而且輸送機(jī)生產(chǎn)廠家尚未足夠重視。

在實(shí)際生產(chǎn)中，常見(jiàn)的皮帶機(jī)材料為PVG整芯阻燃帶，該種皮帶的伸長(zhǎng)率較大，在軟啟動(dòng)機(jī)械設(shè)備[3]中的響應(yīng)速度較快（低于10 s），但是對(duì)于張緊系統(tǒng)快速響應(yīng)有著一定的負(fù)面影響，很多情況下無(wú)法滿(mǎn)足張緊力的要求，為此，可增加變頻控制內(nèi)容，從而適應(yīng)皮帶的張緊過(guò)程。針對(duì)以上情況，文中對(duì)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，包括防爆變頻、張緊結(jié)構(gòu)以及皮帶選材等方面，最終提升輸送機(jī)的工作能力和經(jīng)濟(jì)效益。

1 防爆變頻控制的應(yīng)用及改造

1.1 應(yīng)用原理

防爆變頻控制的原理為通過(guò)矢量控制手段實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速功能[4]。為了保證速度調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和可靠性，需要在帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置設(shè)置速度傳感器，但是受限于煤礦生產(chǎn)條件，速度傳感器的安裝往往存在較大困難，而且增加后期的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。若通過(guò)其他傳感器來(lái)精確地表征速度，可有效地改善這一問(wèn)題，比如無(wú)速度傳感器。無(wú)速度傳感器為矢量控制，符合變頻控制機(jī)理，其在工作中主要根據(jù)滾筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)的關(guān)鍵模擬量參數(shù)，比如勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)矩電流等轉(zhuǎn)化為速度參數(shù)和轉(zhuǎn)矩參數(shù)，最終完成矢量控制，在常見(jiàn)的異步電動(dòng)機(jī)中有著良好的應(yīng)用效果，能夠在較低工作頻率下輸出較高精度的參數(shù)監(jiān)測(cè)值，保證變頻控制的可靠性。

文中針對(duì)帶式輸送機(jī)的工作條件和能力，提出增設(shè)ZJT系列隔爆變頻器作為核心控制元件。該系統(tǒng)的變頻器為德國(guó)SIEMENS公司生產(chǎn)，能夠在井下復(fù)雜、惡劣的環(huán)境下保持良好的工作性能，其電路系統(tǒng)選用兩部分的3300VDC400A模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)兩倍轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)能力。

1.2 應(yīng)用效果分析

在防爆變頻控制下，帶式輸送機(jī)可表現(xiàn)出的特性有如下。

（1）軟啟動(dòng)的緩沖特性

帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)功能是保證輸送機(jī)工作壽命的最重要功能之一。通過(guò)防爆變頻控制，能夠有效地調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)和停車(chē)時(shí)的速度和轉(zhuǎn)矩，降低皮帶隊(duì)機(jī)械部件的沖擊，并減緩電流突變對(duì)電網(wǎng)的沖擊。為了避免過(guò)載，皮帶的選材一般為柔性材料，能夠存儲(chǔ)較大的機(jī)械能量，而變頻控制能夠有效地控制這種能量的釋放。為了匹配皮帶的這一性能，文中提出運(yùn)用S型加減速啟動(dòng)，能夠使得啟動(dòng)或停車(chē)的緩沖效果更佳。

（2）低頻重載啟動(dòng)特性

在煤礦物料運(yùn)輸過(guò)程中，帶式輸送機(jī)的工況隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)快速停車(chē)、再啟動(dòng)。在該變頻控制條件下，可實(shí)現(xiàn)低頻重載啟動(dòng)，即基于無(wú)速度傳感器矢量控制條件下，實(shí)現(xiàn)較低工作頻率下的高轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，一般能夠達(dá)到1.5～2倍的額定轉(zhuǎn)矩，大大縮短啟動(dòng)時(shí)間。

（3）低速皮帶檢驗(yàn)特性

皮帶在工作中長(zhǎng)期承受重載磨損，是易失效部件，需要定期維修維護(hù)，而低速檢驗(yàn)是保證正常生產(chǎn)不可缺少的環(huán)節(jié)。通過(guò)無(wú)級(jí)變頻調(diào)速，能夠在長(zhǎng)期不同的低速條件下實(shí)現(xiàn)檢修工作。

（4）功率平衡調(diào)節(jié)特性

大型的帶式輸送機(jī)由多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，各個(gè)電機(jī)之間的同步需要進(jìn)行特定的處理，以保證其功率的平衡性。在啟動(dòng)或停車(chē)時(shí)，各個(gè)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間差應(yīng)該足夠小，而且當(dāng)其中一臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，其它電機(jī)仍然能夠保證正常的運(yùn)載能力。為此，文中提出通過(guò)對(duì)變頻器的速度控制定義的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)不同電機(jī)速度差的調(diào)節(jié)，這樣以來(lái)，能夠非常方便地改變各個(gè)電機(jī)的電流特性，使其最終達(dá)到平衡水平。

（5）智能通訊特性

文中所增設(shè)的防爆變頻器受控于SIEMENS公司生產(chǎn)的S7-300系列PLC，能夠通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)智能通訊方式，便于工作人員遠(yuǎn)程操控。帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中，每臺(tái)變頻器內(nèi)部裝有一臺(tái)S7-200系列PLC作為從站，主站S7-300與從站S7-200通過(guò)PROFIBUS進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)對(duì)各變頻器進(jìn)行監(jiān)控，以保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可靠性。

1.3 變頻控制系統(tǒng)的施工改造

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐條件，文中總結(jié)對(duì)防爆變頻控制系統(tǒng)施工的主要改造內(nèi)容如下。

（1）驅(qū)動(dòng)部電機(jī)與減速器底盤(pán)的改造

為了便于安裝，需要將當(dāng)前異步電機(jī)與減速器之間的機(jī)械軟啟動(dòng)設(shè)備（液力耦合器）移除，使其改裝為具有彈性特征的柱銷(xiāo)齒式聯(lián)軸器；對(duì)于減速器，需要將其底盤(pán)拆除，通過(guò)焊接方法設(shè)計(jì)工裝，固定電機(jī)座。

（2）變頻器的調(diào)試工作

為了保證低帶式輸送機(jī)速重載的能力，需要對(duì)變頻器進(jìn)行不斷地調(diào)試，保證最佳設(shè)置條件，特別是在皮帶更換或維修后。

（3）尾部電機(jī)供電系統(tǒng)的改造

目前，帶式輸送機(jī)尾部的電機(jī)額定電壓為660 V，而輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒位置的4臺(tái)異步電機(jī)的額定電壓均為1 140 V，因此，需要統(tǒng)一處理，將尾部的的變壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其輸出的額定電壓為1 140 V。

2 液壓張緊系統(tǒng)的改造

2.1 張緊系統(tǒng)類(lèi)型分析

根據(jù)帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作條件，可將其張緊方式分為固定式和移動(dòng)式兩種[5]。其中，固定式張緊主要用于改向滾筒位置的皮帶拉緊，包括螺旋張緊、鋼絲繩滾筒拉緊等方式。移動(dòng)式張緊包括絞車(chē)?yán)o、重力拉緊和自動(dòng)拉緊等方式。文中針對(duì)常見(jiàn)的張緊方式進(jìn)行分析。

（1） 螺旋拉緊方式

在螺旋拉緊方式中，移動(dòng)件為活動(dòng)架，因此需要改向滾筒的主軸安裝至活動(dòng)架。螺旋拉緊的移動(dòng)副為導(dǎo)軌式，拉緊工作時(shí)活動(dòng)件上面的螺母與活動(dòng)架同步運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)皮帶的張緊和松弛。該種拉緊方式機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便，但是最大拉緊行程有限，對(duì)于大型長(zhǎng)距離輸送機(jī)不太適用。

（2） 重力拉緊方式

重力拉緊是一種廣泛應(yīng)用于各種帶式輸送機(jī)的拉緊方式，其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，可通過(guò)重錘或重力車(chē)的自重實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的行程，使得皮帶張緊。重力拉緊方式具有較大的靈活性，適用于各種工況，能夠較好地補(bǔ)償皮帶的松弛度。該種拉緊方式無(wú)需額外的驅(qū)動(dòng)，拉緊行程自動(dòng)調(diào)整，但是拉緊力是恒定的，難以調(diào)節(jié)。重力拉緊適用于固定式長(zhǎng)距離運(yùn)輸機(jī)，在長(zhǎng)期的工作中具有高可靠性特點(diǎn)，在安裝的時(shí)候需要預(yù)留重力裝置較大的空間，較小空間范圍內(nèi)不適用。

（3）固定絞車(chē)張緊方式

固定絞車(chē)?yán)o需要借助于特定的絞車(chē)工具，一般該種絞車(chē)的占地空間較小，運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)鋼繩的拉緊作用，而鋼繩纏繞在某個(gè)小滾筒上，由蝸輪蝸桿減速器實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)。固定絞車(chē)?yán)o方式的張緊效率非常高，極限張緊力較大，在空間較為狹小的條件下有著良好的應(yīng)用效果。但是，該種張緊方式同樣不能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)，而且當(dāng)絞車(chē)出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)，較大的張緊力將瞬間丟失，整體的可靠性相對(duì)較低。

2.2 張緊系統(tǒng)的改造要求

根據(jù)以上幾種拉緊方式的工作原理可知，其均無(wú)法根據(jù)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒的牽引力自動(dòng)實(shí)現(xiàn)張緊力的調(diào)節(jié)，因此存在一定的局限性[6]。對(duì)于大載荷長(zhǎng)距離輸送機(jī)而言，較大的工作載荷下的皮帶將出現(xiàn)更大的彈性滑動(dòng)現(xiàn)象，這對(duì)于連續(xù)的啟動(dòng)和停車(chē)有著嚴(yán)重的影響。為此，文中提出一種自動(dòng)張緊系統(tǒng)的改造方案。在確定改造方案之前，需要對(duì)張緊系統(tǒng)的改造要求進(jìn)行分析。

（1）對(duì)于長(zhǎng)距離輸送要求的帶式輸送機(jī)自動(dòng)張緊，不但要求其張緊力較大，保證皮帶的最大摩擦力，而且能夠在勻速運(yùn)行階段保持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定張力，變化幅度不能過(guò)大。

（2）對(duì)于自動(dòng)張緊系統(tǒng)，要求其對(duì)于機(jī)械響應(yīng)的靈敏度足夠高。若張緊系統(tǒng)響應(yīng)較慢，將導(dǎo)致皮帶在重載松弛條件下運(yùn)行，不但會(huì)增加功耗，還會(huì)降低皮帶的使用壽命，在較長(zhǎng)距離輸送時(shí)發(fā)生波涌現(xiàn)象。響應(yīng)靈敏、張力大是張緊系統(tǒng)安全性的基本保證。

（3）自動(dòng)張緊系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)要充分考慮慣性作用。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，承載物料的皮帶將存在較大的慣性，而且與摩擦力之間存在動(dòng)平衡關(guān)系。張緊裝置工作時(shí)，要保證慣性作用的后滯位移，若無(wú)法及時(shí)得到補(bǔ)償，會(huì)造成帶式輸送機(jī)工作的及其不穩(wěn)定。在國(guó)內(nèi)，采用軟啟動(dòng)控制的帶式輸送機(jī)并不多，使得啟動(dòng)或停車(chē)的加速度非常大，使得自動(dòng)張緊裝置無(wú)法實(shí)時(shí)響應(yīng)。由工程實(shí)踐可知，變頻軟啟動(dòng)控制與自動(dòng)張緊控制的結(jié)合有著良好的應(yīng)用效果。

2.3 液壓自動(dòng)張緊系統(tǒng)改造

根據(jù)張緊系統(tǒng)的改造要求可知，張緊裝置需要恰當(dāng)?shù)靥幚砥嵝泽w所存儲(chǔ)和釋放的機(jī)械能量。為了緩沖這種能量對(duì)于輸送機(jī)滾筒的負(fù)面影響，文中在拉緊系統(tǒng)中增設(shè)蓄能器，從而有效地降低皮帶的連續(xù)波動(dòng)。

液壓自動(dòng)張緊系統(tǒng)的改造結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，可以看出，該種張緊系統(tǒng)是基于固定絞車(chē)張緊裝置而改造的。該種張緊系統(tǒng)在輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，將通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)定量泵向拉緊油缸前腔充油，使油缸活塞桿產(chǎn)生拉緊力，拉緊力大小通過(guò)溢流閥控制其上限。在正常運(yùn)行時(shí)，油泵電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)靠蓄能器保證皮帶正常運(yùn)行的穩(wěn)定拉緊力。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)壓力設(shè)定值范圍時(shí)，由壓力繼電器判定壓力的上下限來(lái)判定油泵電機(jī)的工作狀態(tài)。

圖1 改造后的張緊系統(tǒng)示意圖

3 皮帶材料的優(yōu)化改進(jìn)

3.1 常見(jiàn)皮帶材料分類(lèi)及特點(diǎn)

一般地，帶式輸送機(jī)中所選用的皮帶多數(shù)為柔性材料。根據(jù)內(nèi)部芯結(jié)構(gòu)及材料的不同，可將皮帶核心材料分為織物層芯和鋼絲繩芯兩種類(lèi)型。其中，織物層芯類(lèi)型的皮帶根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可以分為分層織物層芯和整體編織織物層芯兩類(lèi)，這兩種織物層芯具有顯著的不同點(diǎn)。

整體編織織物層芯類(lèi)型的具備更好的等強(qiáng)度和柔韌性，在高強(qiáng)度張力下有著良好的抗沖擊性，發(fā)生橫向撕裂的概率較小，但是由于伸長(zhǎng)率較大，易跑偏[7]，對(duì)于拉緊行程的要求較高；鋼絲繩芯類(lèi)型的皮帶設(shè)置有很多柔性良好的微細(xì)鋼絲，可根據(jù)鋼絲的直徑和并列間距的不同可分為多種強(qiáng)度系列或型號(hào)，通過(guò)強(qiáng)性粘合膠料與編制物料粘合而成，其在縱向的抗拉強(qiáng)度非常高，而且延伸率較小，因此相比于整體編織織物層芯類(lèi)型的皮帶所需要的拉緊行程更小。

3.2 皮帶材質(zhì)改進(jìn)

文中所研究的帶式輸送機(jī)所采用的皮帶為鋼絲繩芯型皮帶，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)可知，其長(zhǎng)時(shí)間工作后，皮帶發(fā)生磨損厚度降低，最終磨至鋼絲繩芯。當(dāng)鋼絲繩芯暴露于空氣中時(shí)，將快速發(fā)生氧化，而且空氣的顆粒將加速磨粒磨損，最終導(dǎo)致疲勞損壞、抽絲或斷裂，大大降低皮帶的工作壽命，嚴(yán)重時(shí)將發(fā)生安全事故。

通過(guò)多次調(diào)研與試驗(yàn)，文中發(fā)現(xiàn)采用整芯皮帶（PVG）可有效地消除鋼絲繩芯型皮帶的耐磨能力以及強(qiáng)度方面的不足。該種類(lèi)型的皮帶在防撕裂能力和抗疲勞性能方面均超過(guò)鋼絲繩芯型皮帶，更適用于當(dāng)前的帶式輸送機(jī)工作環(huán)境。試驗(yàn)結(jié)果表明，該種皮帶的質(zhì)量較為輕便、功耗較小、安裝連接方便，但是需要更大的拉緊行程。針對(duì)自動(dòng)張緊系統(tǒng)的改造，該種皮帶在張緊方面完全滿(mǎn)足工作要求。根據(jù)論證結(jié)果，將整芯皮帶替代鋼絲繩芯皮帶的技術(shù)改進(jìn)是一種有非常有必要和有效的手段。

4 結(jié)語(yǔ)

在本文所研究的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的改造條件下，其在各種工況下的啟動(dòng)、停車(chē)等過(guò)程均表現(xiàn)出更強(qiáng)的穩(wěn)定性和安全性，更符合重載、長(zhǎng)距離和大功率帶式輸送機(jī)的工作要求，滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)可知，運(yùn)用防爆變頻控制、自動(dòng)張緊系統(tǒng)以及皮帶材質(zhì)改進(jìn)三種有段有著相輔相成的收益效果。整體而言，該種類(lèi)型的改造成本較低，契合實(shí)際，后期的維護(hù)維修耗費(fèi)較少，質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性均符合煤礦的綜采需求。

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