帶式輸送機永磁變頻自動張緊裝置研究

陳仁建

（浙江中煤機械科技有限公司，浙江溫州 325600）

0 引言

帶式輸送機因長運距、大運量等特點，廣泛應(yīng)用于煤礦、冶金、糧食等領(lǐng)域。張緊裝置是帶式輸送機的核心組成部分，可對輸送機皮帶的拉伸變形進行補償，以保證帶式輸送機的正常穩(wěn)定運行。

國內(nèi)外學(xué)者對永磁變頻自動張緊裝置進行了大量研究。劉飛[1]基于PLC 的自動變頻控制張緊系統(tǒng)給出總體架構(gòu)方案。董立紅等[2]基于PID（Proportional-Integral-Derivative，比例積分微分）控制理論設(shè)計出張力控制系統(tǒng)。楊小林等[3]設(shè)計了一種集多點永磁直驅(qū)與永磁張緊于一體的智能驅(qū)動系統(tǒng)。宋瑾瑾[4]通過建立張緊裝置各部件的數(shù)學(xué)模型，給出減少張緊裝置響應(yīng)時間的策略。徐孝等[5]設(shè)計出一套變頻器與永磁同步電機作為驅(qū)動裝置的變頻調(diào)速系統(tǒng)。Riccardo Scattolini[6]通過研究被控對象預(yù)測模型，得出影響預(yù)測函數(shù)控制性能的因素。劉偉蓮[7]提出應(yīng)用永磁同步電機對輸送帶張力進行控制的方法。鮑久圣等[8]闡述了一種新型智能驅(qū)動自動張緊技術(shù)。李畢勝[9]比較分析了一體化內(nèi)置式傳動結(jié)構(gòu)和2 種普通外置式傳動結(jié)構(gòu)。Krol R[10]研究張緊裝置在不同情況下提供穩(wěn)定張力，實現(xiàn)精準、快速調(diào)節(jié)。Tomus O 等[11]研究適用于帶式輸送機輸送帶在驅(qū)動滾筒分離點張力調(diào)節(jié)的張緊裝置。宰守香等[12]創(chuàng)造性設(shè)計出一體化自動式張緊裝置，并指出張緊裝置智能化發(fā)展趨勢。楊興廷等[13]設(shè)計并介紹了變頻自動張緊裝置在帶式輸送機中的應(yīng)用。楊俊宙等[14]將空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于變頻自動張緊裝置。李建芳[15]使用AMESim 及MATLAB 仿真分析軟件對永磁變頻張緊特性進行分析。

1 液壓自動張緊裝置存在問題

目前，我國煤礦企業(yè)常用的液壓自動張緊裝置主要存在液壓設(shè)備故障率高和張緊響應(yīng)時間長的問題。

（1）液壓設(shè)備故障率高。煤礦井下環(huán)境惡劣，會加快液壓張緊設(shè)備腐蝕，其中各類閥體銹蝕，導(dǎo)致動作不靈敏。箱體腐蝕會使液壓油缸支桿橡膠套磨損，支桿銹蝕，在伸縮時破壞油缸密封并造成漏油，損壞設(shè)備。各類密封在惡劣環(huán)境下極易損壞，導(dǎo)致壓力不足。

（2）張緊響應(yīng)時間長。液壓自動張緊裝置的工作原理是通過液壓站進行調(diào)節(jié)，保持張緊油缸壓力和皮帶張緊力之間的平衡。設(shè)備啟動時，驅(qū)動滾筒會拉動張緊車處的多余皮帶，使張緊油缸壓力減小。為增加皮帶張緊力，液壓站給張緊油缸供液，油缸進行收縮，帶式輸送機皮帶張緊力增大。當帶式輸送機正常運行時，張緊車處剩余皮帶減少，油缸壓力升高，為平衡張緊力，此時溢流閥進行泄油，張緊力降低。液壓張緊裝置在補液、泄壓、油缸伸縮等工作過程中需耗費時間，若帶式輸送機啟動速度過快，液壓張緊裝置則不能滿足張緊需求，會導(dǎo)致帶式輸送機發(fā)生打滑或單驅(qū)過載現(xiàn)象。

針對上述液壓自動張緊裝置存在的問題，本文對一種新型自動張緊裝置進行了研究。

2 永磁變頻自動張緊裝置的組成

永磁變頻自動張緊系統(tǒng)主要由監(jiān)測系統(tǒng)、張緊絞車、控制箱等構(gòu)成。監(jiān)測系統(tǒng)主要包括張力傳感器，張力傳感器的作用是將測得的張力信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并將電流信號傳給PLC。張緊絞車包括電氣和機械兩部分，電氣部分主要裝置磁粉制動器的作用是防止轉(zhuǎn)子斷電后不產(chǎn)生慣性轉(zhuǎn)動，保證安全?？刂葡到y(tǒng)是PLC，此控制系統(tǒng)的核心模塊是CPU 模塊。永磁變頻自動張緊系統(tǒng)組或如圖1 所示。

圖1 變頻自動張緊系統(tǒng)組成

3 永磁變頻自動張緊裝置工作原理

3.1 機械傳動原理

永磁變頻自動張緊裝置系統(tǒng)原理如圖2 所示，張緊小車安裝在固定軌道上，永磁同步電機和電磁制動器通過聯(lián)軸器與張緊滾筒連接。調(diào)節(jié)張力時，制動器關(guān)閉制動，滾筒轉(zhuǎn)動使游動小車在導(dǎo)軌上運動，實現(xiàn)張力調(diào)節(jié)。當張力滿足運行需求時，中控對張緊裝置發(fā)出指令，制動器開啟制動，游動小車保持靜止，該裝置處于維持張力狀態(tài)。

圖2 變頻自動張緊系統(tǒng)原理

3.2 張緊裝置工作原理

（1）帶式輸送機有啟動、滿速和停機三種運行狀態(tài)，不同工況下張力設(shè)定值關(guān)系如圖3 所示。除停機狀態(tài)外，其他工況張緊力預(yù)設(shè)值的合理區(qū)間是90%～110%。張力在該區(qū)間，張緊裝置不啟動；超出該區(qū)間時，張緊裝置開始運行，張緊力重新回到合理區(qū)間后停止運行；如果帶式輸送機輸送帶斷裂，張緊力驟降為0，張緊裝置立即停機。

圖3 不同工況下輸送帶張力設(shè)定比

（2）PLC 控制系統(tǒng)比較張力傳感器測得的張力信號和設(shè)定信號，通過計算確定輸出值，從而對電機正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速進行控制，實現(xiàn)張緊力動態(tài)調(diào)節(jié)。

（3）永磁同步電機對定子電流直軸勵磁分量和定子電流交流轉(zhuǎn)矩分量分別進行控制。

（4）輸送機啟動時，輸送帶會變形，需增加張緊力，將變頻器設(shè)為40 Hz，張緊小車速度增加。穩(wěn)定后，張緊力主要因煤堆積量變化而變化，變化很小，此時將變頻器設(shè)為10 Hz，張緊小車速度減小。

4 應(yīng)用優(yōu)勢

（1）響應(yīng)迅速，張緊過程快。該張緊裝置使用PLC 控制系統(tǒng)，具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性。當出現(xiàn)各種工況時，該裝置響應(yīng)時間短，能夠減少整機達到穩(wěn)定運行的時間。當輸送機受到?jīng)_擊載荷時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)迅速，張緊速度快，張緊力超調(diào)量小，可避免對帶式輸送機造成沖擊。

（2）降耗提效，延長設(shè)備壽命。該張緊裝置控制系統(tǒng)采用了內(nèi)外環(huán)雙極控制結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同工作狀態(tài)下對張緊力的精確控制，在運量不變的情況下，可以降低皮帶張緊強度要求，減少磨損，延長設(shè)備壽命。

（3）運行穩(wěn)定。該張緊裝置應(yīng)用四象限變頻器，可以實現(xiàn)軟啟動，減小對電機的沖擊，并且能根據(jù)電機運行狀況調(diào)整所需電源電壓，實現(xiàn)帶式輸送機的穩(wěn)定運行。

5 結(jié)論

永磁變頻自動張緊裝置控制系統(tǒng)包括監(jiān)測系統(tǒng)、張緊絞車、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，能夠滿足帶式輸送機在不同狀態(tài)下運行。本文提出一種永磁同步電機帶動絞車張緊的方案，通過PLC 控制系統(tǒng)，將張緊力傳感器監(jiān)測值與設(shè)定值進行對比，實現(xiàn)對輸送帶張緊力的快速調(diào)整，具有響應(yīng)迅速、控制精確、張緊速度快、運行平穩(wěn)、設(shè)備壽命長等優(yōu)點。