皮帶機(jī)智能張緊裝置的應(yīng)用研究

李建芳

（晉能控股裝備制造集團(tuán)金鼎山西煤機(jī)有限責(zé)任公司皮帶機(jī)制造分公司， 山西 晉城 048000）

引言

皮帶機(jī)是利用滾筒驅(qū)動(dòng)輸送帶進(jìn)行物料傳輸?shù)脑O(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸效率高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，輸送帶在運(yùn)行過程中需要保持一定的張力才能進(jìn)行有效的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于輸送帶具有黏彈性特性，在運(yùn)行過程中若出現(xiàn)載荷沖擊現(xiàn)象，沖擊力在輸送帶內(nèi)將依次傳輸，從而導(dǎo)致輸送帶在部分區(qū)域的松弛、打滑、跑偏，特別是隨著大運(yùn)量、長(zhǎng)距離、高帶速皮帶機(jī)的不斷應(yīng)用，這種現(xiàn)象表現(xiàn)得更明顯，因此在皮帶機(jī)系統(tǒng)上都設(shè)置有液壓張緊裝置，用于對(duì)輸送帶的張緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證在運(yùn)行過程中的可靠性[1]。

目前常用的液壓張緊裝置控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、張緊系統(tǒng)反饋速度慢，無法有效解決輸送帶長(zhǎng)度變化時(shí)導(dǎo)致的響應(yīng)速度慢、控制精度差的不足，因此本文提出了一種新的皮帶機(jī)智能張緊裝置，該張緊裝置采用了永磁變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，響應(yīng)速度快、控制精度高，能夠滿足皮帶機(jī)在不同工況下的制動(dòng)要求。

1 皮帶機(jī)永磁變頻張緊裝置

為了滿足皮帶機(jī)在不同工況下的制動(dòng)需求，本文所提出的皮帶機(jī)永磁變頻張緊裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

由圖1 可知，在運(yùn)行過程中由張力傳感器對(duì)輸送帶的運(yùn)行張力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸?shù)娇刂葡鋬?nèi)，控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果和皮帶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)當(dāng)前張緊力的合理性進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果確定系統(tǒng)的調(diào)整量，然后輸出控制信號(hào)給變頻控制裝置，變頻控制裝置控制永磁電機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶張緊力的快速調(diào)整。

圖1 皮帶機(jī)永磁變頻張緊裝置結(jié)構(gòu)

為了提升系統(tǒng)的控制精度，該控制系統(tǒng)采用了內(nèi)外環(huán)雙級(jí)控制結(jié)構(gòu)，其采用矢量控制模式能夠?qū)﹄姍C(jī)的定子電流進(jìn)行解耦，完成對(duì)磁場(chǎng)和電磁轉(zhuǎn)矩的分別控制，從而確保在調(diào)節(jié)過程中的控制穩(wěn)定性。

2 多狀態(tài)下智能張緊裝置控制邏輯

皮帶機(jī)在運(yùn)行過程中的運(yùn)行狀態(tài)不同，其對(duì)張緊裝置的要求也不同，根據(jù)皮帶機(jī)的運(yùn)行情況，可將其分為啟動(dòng)階段、穩(wěn)定運(yùn)行階段及制動(dòng)階段，為了保證皮帶機(jī)在不同情況下張緊的可靠性，對(duì)皮帶機(jī)在不同狀態(tài)下的張緊需求進(jìn)行了分析[3]。

1）啟動(dòng)階段，是指皮帶機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。此時(shí)皮帶機(jī)的控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，保證作用在皮帶上的張緊力大于皮帶穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的正常張力，避免在啟動(dòng)過程中皮帶的打滑，此時(shí)的張緊力應(yīng)為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)張力的1.5～2.0 倍。

2）穩(wěn)定運(yùn)行階段，是指皮帶機(jī)在勻速運(yùn)行的階段。該階段下輸送帶的張緊力基本保持不變。

3）制動(dòng)階段，是指皮帶機(jī)在制動(dòng)情況下的運(yùn)行狀態(tài)。此狀態(tài)下會(huì)在輸送帶內(nèi)產(chǎn)生極大的制動(dòng)沖擊，制動(dòng)沖擊在皮帶黏彈性的特性下沿皮帶傳播。為了避免打滑，需要保持皮帶張緊力不小于正常運(yùn)行張力的0.9 倍。在不同階段情況下的張力如下頁(yè)圖2 所示[4]。

圖2 不同階段情況下的張力示意圖

3 仿真分析

為了對(duì)該張緊裝置的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，利用AMESim 及MATLAB 仿真分析[5]軟件建立傳統(tǒng)液壓張緊和永磁張緊的仿真分析模型，對(duì)相同工況下不同張緊方案的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比分析，在進(jìn)行仿真時(shí)，設(shè)置皮帶機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間為139 s，當(dāng)運(yùn)行到199 s時(shí)給皮帶一個(gè)載荷沖擊，則不同張緊裝置下皮帶機(jī)的張緊力變化情況如圖3 所示。

圖3 不同張緊方式的應(yīng)用效果對(duì)比

由圖3 可知，在張緊的過程中永磁變頻張緊和液壓張緊在剛開始時(shí)均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小幅度的下降，這是輸送帶的黏彈性導(dǎo)致的，永磁張緊時(shí)的下降時(shí)間為0.5 s，而液壓張緊的下降時(shí)間為2.4 s。在調(diào)節(jié)過程中永磁張緊裝置經(jīng)過11 s 可達(dá)到設(shè)定的啟動(dòng)張緊值，而液壓張緊裝置需要經(jīng)過25 s 才能達(dá)到啟動(dòng)張緊值。在調(diào)節(jié)過程中液壓張緊裝置的最大超調(diào)量約為0.97 kN，永磁張緊的最大超調(diào)量?jī)H0.42 kN，比液壓張緊降低了56.7%。

從第140 s 時(shí)皮帶機(jī)開始轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行模式，采用永磁變頻張緊時(shí)，僅需要5.2 s 即可達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的張力，而采用液壓張緊的情況下，需要11.6 s 才能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行張力。并且通過對(duì)整個(gè)調(diào)節(jié)過程的對(duì)比分析，采用永磁變頻張緊的情況下在調(diào)節(jié)的過程中張力波動(dòng)曲線更平滑、超調(diào)量更小，其調(diào)節(jié)精度、反應(yīng)速度均全面優(yōu)于液壓張緊裝置。

皮帶機(jī)在載荷沖擊下的張緊裝置速度變化曲線如圖4 所示。

圖4 載荷沖擊下的速度變化曲線

由圖4 可知，當(dāng)受到載荷沖擊的情況下，永磁變頻張緊裝置能夠快速地響應(yīng)，反應(yīng)速度比液壓張緊方式提升了3 s，在調(diào)節(jié)的過程中永磁變頻張緊裝置的最大調(diào)速值為0.089m/s，遠(yuǎn)超液壓張緊裝置0.047m/s的調(diào)速值，從波動(dòng)發(fā)生到調(diào)節(jié)完成，永磁變頻張緊裝置用時(shí)3.7 s，液壓張緊裝置用時(shí)10.4 s，調(diào)節(jié)用時(shí)降低了64.4%，調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)精度高、平穩(wěn)性好。

4 結(jié)論

1）皮帶機(jī)智能張緊裝置采用了內(nèi)外環(huán)雙級(jí)控制結(jié)構(gòu)，能夠完成對(duì)磁場(chǎng)和電磁轉(zhuǎn)矩的分別控制，從而確保在調(diào)節(jié)過程中的控制穩(wěn)定性。

2）皮帶機(jī)運(yùn)行可分為啟動(dòng)階段、穩(wěn)定運(yùn)行階段及制動(dòng)階段，啟動(dòng)階段的張緊力應(yīng)為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的1.5～2.0 倍，制動(dòng)階段的張緊力應(yīng)為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的0.9 倍。

3） 新的張緊裝置能夠?qū)埦o動(dòng)作速度提升64.4%，將張緊力超調(diào)量降低56.7%，調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)精度高、平穩(wěn)性好。