帶式輸送機(jī)液壓張緊裝置的研究

武月枝

（大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 大同 037003）

引言

采煤機(jī)、輸送機(jī)以及液壓支架作為綜采工作面的三大機(jī)電設(shè)備，其運(yùn)行穩(wěn)定性直接決定綜采工作面的開采效率和安全性。隨著帶式輸送機(jī)朝著長距離、大運(yùn)量以及大功率的方向發(fā)展，其動(dòng)態(tài)特性成為了影響著帶式輸送機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵因素[1]。張緊裝置是帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部件，其載重量不斷上升，在啟動(dòng)階段對(duì)設(shè)備造成較大的沖擊，以及在運(yùn)行、制動(dòng)與停車等階段出現(xiàn)張緊力余量過大或者余量不足的問題，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備功耗過大甚至輸送帶出現(xiàn)應(yīng)力疲勞、拉斷的事故。因此，對(duì)帶式輸送機(jī)液壓張緊裝置進(jìn)行研究，解決帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)輸送帶沖擊較大、輸送帶張力反應(yīng)不及時(shí)的問題。

1 帶式輸送機(jī)張緊裝置位置的確定

要確保帶式輸送機(jī)的張緊特性，除了需保證其各零部件有良好的性能外，還需保證其所處位置合理。經(jīng)驗(yàn)表明，布置帶式輸送機(jī)張緊裝置時(shí)需遵循如下原則：

1）將張緊裝置最好布置于帶式輸送機(jī)啟動(dòng)裝置附近，若其布置位置確需離驅(qū)動(dòng)裝置較遠(yuǎn)，需為其增設(shè)相應(yīng)的重錘裝置；

2）將張緊裝置最好布置于輸送帶張力最小或者離滾筒松邊較近的位置；

3）根據(jù)帶式輸送機(jī)具體工況設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的張緊力；

4）根據(jù)帶式輸送機(jī)輸送帶接頭的預(yù)留量設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的拉緊行程[2]。

基于上述原則，對(duì)于綜采長度大于300 且坡度小于5%的工作面，將帶式輸送機(jī)張緊裝置布置于設(shè)備驅(qū)動(dòng)裝置的空載一側(cè)。

2 帶式輸送機(jī)張緊裝置的設(shè)計(jì)

本文所研究的帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)：運(yùn)量為2 500 t/h，皮帶長度為3 500 m，皮帶寬度為1 200 mm，日常運(yùn)行速度為4.5 m/s，皮帶的最大角度為3°；驅(qū)動(dòng)滾筒的直徑為1 030 mm，卸載滾筒的直徑為900 mm，機(jī)尾滾筒的直徑為630 mm，改向滾筒的直徑為900 mm。

2.1 張緊裝置的結(jié)構(gòu)組成

目前，應(yīng)用綜采工作面帶式輸送機(jī)張緊裝置的類型主要有固定式張緊系統(tǒng)（以螺旋式張緊結(jié)構(gòu)為主，如圖1-1 所示）、重力式張緊結(jié)構(gòu)（如圖1-2 所示）、自動(dòng)張緊系統(tǒng)（如圖1-3 所示）。

圖1 帶式輸送機(jī)張緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用如圖1-3 所示的自動(dòng)式張緊結(jié)構(gòu)，主要由液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)以及機(jī)械系統(tǒng)組成。其中：機(jī)械系統(tǒng)主要由絞車、拉緊小車以及滑輪等組成；電氣控制系統(tǒng)主要由傳感元器件以及電氣控制箱等組成；液壓系統(tǒng)主要由液壓泵站、制動(dòng)器以及蓄能器等組成。

2.2 張緊裝置的工作原理

在實(shí)際工作中，位于鋼絲繩上的拉力傳感器對(duì)設(shè)備輸送帶的張力進(jìn)行采集，并將采集到的結(jié)果傳送至PLC 控制系統(tǒng)與設(shè)定比較后得出相應(yīng)的控制信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)張緊裝置電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止等狀態(tài)的控制，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)對(duì)張緊裝置的拉伸與縮進(jìn)[3]。

2.3 張緊裝置核心控制器的選型

本文針對(duì)帶式輸送機(jī)液壓張緊裝置所選用的核心控制器為PLC 控制器，在市場調(diào)研的基礎(chǔ)上選擇美國羅克韋爾公司的PLC 控制器，其具體型號(hào)為1756-L62。與該P(yáng)LC 控制器相匹配的其他模塊的具體型號(hào)及參數(shù)如表1 所示。

表1 與1756-L62PLC 控制器相匹配的模塊信息

2.4 張緊裝置控制程序的設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)液壓張緊裝置控制程序的設(shè)計(jì)主要包括帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、張力采集量化程序和張力控制程序的設(shè)計(jì)。其中：帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)程序是通過單向電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊所實(shí)現(xiàn)的，該驅(qū)動(dòng)程序具備對(duì)現(xiàn)場電機(jī)狀態(tài)、聯(lián)鎖功能檢驗(yàn)的驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果判斷是否需具備啟動(dòng)的條件，而后根據(jù)應(yīng)帶標(biāo)志確定啟動(dòng)電機(jī)。張力采集量程序主要對(duì)現(xiàn)場帶式輸送機(jī)輸送帶的實(shí)時(shí)張力進(jìn)行監(jiān)測，若其張力達(dá)到啟動(dòng)時(shí)的要求即可啟動(dòng)帶式輸送機(jī)；若不滿足啟動(dòng)時(shí)的要求需啟動(dòng)張力控制程序?qū)斔蛶埩M(jìn)行調(diào)整。

3 張緊裝置模型的仿真分析

為分析本文所設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)張緊裝置的張緊特性，需建立可行的張緊裝置模型，并通過張緊裝置的響應(yīng)速度考核其工作性能[5]。本文所采用的仿真軟件為MATLAB，對(duì)張緊裝置中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。

3.1 張緊裝置動(dòng)張力的仿真分析

3.1.1 輸送帶速度的仿真分析

帶式輸送機(jī)輸送帶速度曲線如圖2 所示。

圖2 輸送帶速度仿真結(jié)果

如圖2 所示，帶式輸送機(jī)輸送帶是逐級(jí)啟動(dòng)的，機(jī)尾的速度與機(jī)頭相比具有一定的滯后性。說明由于輸送帶的黏彈性使得其張力由機(jī)頭傳送至機(jī)尾還需一段時(shí)間且在設(shè)備啟動(dòng)140 s 后整條輸送帶的速度穩(wěn)定在3.3 m/s。

3.1.2 輸送帶張力的仿真分析

帶式輸送機(jī)張力仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 帶式輸送機(jī)張力仿真結(jié)果

如圖3 所示，帶式輸送機(jī)啟動(dòng)后機(jī)頭緊邊張力的浮動(dòng)大于松邊張緊力的浮動(dòng)范圍。機(jī)頭緊邊張緊力在系統(tǒng)啟動(dòng)10 s 達(dá)到峰值，并約在60 s 后張力處于相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)，最終穩(wěn)定在170 kN；而機(jī)尾張緊力的變化趨勢與機(jī)頭緊邊張緊力的趨勢類似，并最終穩(wěn)定在90 kN。經(jīng)仿真可知，帶式輸送機(jī)穩(wěn)定工作狀態(tài)下，其機(jī)頭和機(jī)尾處的張力差值約為80 kN，該差值為帶式輸送帶的驅(qū)動(dòng)力。

3.2 張緊裝置張緊特性的仿真分析

為分析帶式輸送機(jī)張緊裝置的張緊特性，特對(duì)其緊帶和松帶過程中輸送帶的張力變化進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 張緊裝置張緊特性仿真結(jié)果

如圖4 所示：當(dāng)輸送帶的初張力為48 kN 時(shí)，需12 s 就能到達(dá)到輸送帶所需的張緊力；而當(dāng)輸送帶的初張力為72 kN 時(shí)，僅需2.3 s 即可將其張力下降到輸送帶所需的張緊力?？梢?，對(duì)于長距離、大運(yùn)量以及大功率的帶式輸送機(jī)，不論在緊帶過程還是在松帶過程其響應(yīng)時(shí)間均能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

4 結(jié)論

隨著帶式輸送機(jī)朝著大運(yùn)量、大功率以及長距離方向的發(fā)展，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性的提升尤其重要。張緊裝置作為帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部件，能夠根據(jù)輸送機(jī)的實(shí)時(shí)工況及時(shí)調(diào)整輸送帶的張力要求。液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)為張緊裝置的核心系統(tǒng)，在對(duì)兩系統(tǒng)各元器件選型時(shí)，需結(jié)合計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)并對(duì)液壓系統(tǒng)的元器件的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到提升其抗干擾性能的目的。經(jīng)仿真分析，所設(shè)計(jì)的張緊裝置不論在松帶還是在緊帶過程其響應(yīng)時(shí)間分別為12 s 和2.3 s，滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。