礦山長輸送皮帶自動張緊裝置的改造

余可朕 宋利遠(yuǎn) 段華東

（都江堰拉法基水泥有限公司，四川 成都 611800）

0 引言

水泥生產(chǎn)線上礦石運(yùn)輸采用的皮帶輸送，其張緊方式通常采用卷揚(yáng)機(jī)、小車結(jié)構(gòu)或者液壓缸張緊等固定力矩方式拉伸調(diào)整皮帶，而不能根據(jù)設(shè)備的啟停、負(fù)荷大小靈活調(diào)整皮帶張緊力，長期運(yùn)行會對皮帶接頭造成損傷，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致皮帶接頭斷裂，影響生產(chǎn)。在都江堰拉法基水泥有限公司礦山的長輸送皮帶機(jī)上，液壓張緊裝置采用單電機(jī)單泵供油，系統(tǒng)可靠性低；控制系統(tǒng)無法補(bǔ)償塑性伸長和過度工況下彈性伸長的變化；皮帶的變載過程無法隨動控制；皮帶瞬時(shí)過載無法消除；張緊油缸最大張力偏小。筆者結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目情況，對輸送皮帶液壓張緊裝置進(jìn)行了更新改造，取得了理想的效果。本文對本次改造進(jìn)行總結(jié)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 輸送帶主要參數(shù)

st2500(8+6),輸送距離3.89km，設(shè)計(jì)速度3.15m/s,實(shí)際速度為2.5~2.7m/s，電機(jī)功率450kW×3，輸送能力1560t/h。

1.2 液壓張緊裝置使用現(xiàn)狀

現(xiàn)液壓張緊裝置的電氣控制柜、液壓站外部銹蝕嚴(yán)重，元器件老化；采用單電機(jī)單泵供油，系統(tǒng)可靠性低；控制系統(tǒng)原理存在缺陷，無法補(bǔ)償塑性伸長和過度工況下彈性伸長的變化；皮帶的變載過程無法隨動控制；皮帶瞬時(shí)過載無法消除，致使皮帶使用壽命縮短；張緊油缸最大張力偏小。

1.3 液壓張緊裝置改造方案

重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)液壓張緊裝置：包括PLC電器控制柜、液壓站、電液控制閥塊、張緊液壓缸。具體改造內(nèi)容及擬實(shí)現(xiàn)的效果如下：

（1）采用雙電機(jī)雙泵供油，實(shí)現(xiàn)一主一備，增加系統(tǒng)可靠性及設(shè)備安全性。

（2）采用電磁換向閥與液控單向閥，實(shí)現(xiàn)皮帶安裝、空載、軟啟動等過程控制。

（3）采用電液比例閥與拉力傳感器，實(shí)現(xiàn)皮帶的壓力隨動調(diào)整、張緊油缸工作原點(diǎn)調(diào)整。

（4）采用PLC程序邏輯控制。

2 液壓張緊設(shè)備的技術(shù)要求

2.1 液壓張緊設(shè)備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)要求

采用YBZ-21/140型液壓張緊設(shè)備，需重點(diǎn)考慮以下幾方面內(nèi)容：科學(xué)合理地確定皮帶張緊力與啟動規(guī)律；結(jié)構(gòu)形式采用大、小張緊并聯(lián)調(diào)整、PLC程序控制電液隨動系統(tǒng)；為了保證設(shè)備長期穩(wěn)定工作，電液控制采用冗余控制方式。該液壓自動張緊設(shè)備有足夠張力，以保障輸送帶與滾筒之間產(chǎn)生必要的摩擦力并防止打滑。

2.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

液壓張緊設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、儲存、驗(yàn)收采用GB以及最新版的ISO和IEC標(biāo)準(zhǔn)。引用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：《液壓系統(tǒng)通用技術(shù)條件》（GB/T 3766-2001），《機(jī)械設(shè)備安裝、驗(yàn)收規(guī)程》（GB/T 50231-98），《液壓系統(tǒng)及元件公稱壓力系列》（GB/T 2346-2003），《液壓元件油口螺紋連接尺寸》（GB/T 2878-1993），《液壓缸活塞行程系列》（GB/T 2349-1980）。

2.3 其他標(biāo)準(zhǔn)

國際電工委員會IEC有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。首先采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺項(xiàng)或不完善時(shí)，可參照選用相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)或中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[1]。

3 主要參數(shù)的計(jì)算

3.1 張緊力預(yù)估計(jì)算

輸送傳動帶的張緊程度（即張緊力的大小），是影響輸送帶穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。張緊力低時(shí)，容易打滑，運(yùn)輸能力低；張緊力適當(dāng)增大，傳動能力適當(dāng)提高，但過大的張緊力，會降低傳動帶的使用壽命。

平膠帶適當(dāng)?shù)膹埦o應(yīng)力δ=1.57～1.96MPa，常用1.77MPa，根據(jù)總的工作時(shí)間長、速度高、灰塵泥沙重等工況條件，張緊力取小值。

輸送帶安裝時(shí)的初拉應(yīng)力比設(shè)計(jì)應(yīng)力大50%，即1.5δ，通過張緊油缸調(diào)整。通常調(diào)整帶長?L=0.01L，使用一段時(shí)間后，通過卷揚(yáng)電機(jī)與小車進(jìn)行調(diào)整。

現(xiàn)輸送帶主要參數(shù)：st2500(8+6),輸送距離3.89km，設(shè)計(jì)速度3.15m/s,實(shí)際2.5~2.7m/s，電機(jī)功率450kW×3，輸送能力1560t/h.

由公式估算Fmax=i·B·δ/n=235000N

3.2 張緊油缸尺寸和行程調(diào)整計(jì)算

由公式F=P·A，A=π（D2-d2）/4，取系統(tǒng)最高工作壓力21MPa，可以確定油缸活塞直徑D=140，d=70，油缸最大壓力242330N>235000N,滿足現(xiàn)場要求。目前使用油缸D=125，d=70，系統(tǒng)最大力176800N，油缸偏小。

根據(jù)現(xiàn)卷揚(yáng)機(jī)最低卷揚(yáng)長度，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際使用情況選擇油缸最大行程S=2000。

4 帶式輸送機(jī)自動張緊液壓技術(shù)方案

4.1 帶式輸送機(jī)自動張緊液壓機(jī)特點(diǎn)

YBZ-21/140-1600帶式輸送機(jī)自動張緊液壓機(jī)主要由張緊液壓缸、蓄能液壓油源、液壓控制閥塊、PLC程序控制柜、與慢速卷揚(yáng)小車、檢測系統(tǒng)（固定滑輪處的拉力傳感器、張緊油缸上位移傳感器、液壓系統(tǒng)壓力充電器）組成。系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：

（1）通過拉力傳感器精確檢測皮帶張力并反饋到控制系統(tǒng)，進(jìn)行輸送帶小調(diào)整。根據(jù)需要設(shè)定拉緊力后，通過電液比例閥實(shí)現(xiàn)皮帶的恒力狀態(tài)。

（2）通過位移傳感器，檢測張緊油缸工作位置，實(shí)現(xiàn)卷揚(yáng)機(jī)對輸送帶大調(diào)整。確保張緊油缸始終在有效調(diào)整范圍內(nèi)（工作原點(diǎn)至最大工作位置，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試情況自由設(shè)置）。

（3）通過壓力傳感器檢測張緊腔壓力、并反饋給系統(tǒng)。通過比例溢流閥、補(bǔ)壓電磁球閥、保壓蓄能器對系統(tǒng)壓力實(shí)現(xiàn)保壓、限壓、穩(wěn)壓范圍（7.5～8.5MPa）的控制，確保輸送帶的張力控制在有效范圍，提高系統(tǒng)安全、穩(wěn)定性的同時(shí)，增加輸送帶的使用壽命。

（4）動態(tài)性能好，減小啟動和停車過程中拉緊力突變，防止出現(xiàn)斷繩和斷帶事故。

4.2 液壓工作原理

4.2.1 主系統(tǒng)壓力設(shè)定

系統(tǒng)啟動時(shí)，由電動機(jī)帶動油泵1（或者油泵2）提供系統(tǒng)壓力油，在啟動油泵電機(jī)前常閉電磁溢流閥的電磁鐵通電，使油泵電機(jī)低壓啟動。當(dāng)油泵電機(jī)啟動后，電磁鐵斷電，通過系統(tǒng)電觸點(diǎn)壓力表設(shè)定系統(tǒng)壓力，調(diào)整溢流閥直至設(shè)定系統(tǒng)最高壓力（12MPa）。此時(shí)，3位4通電磁閥處于中位。

4.2.2 控制系統(tǒng)壓力設(shè)定

3位4通電磁閥右邊電磁鐵通電。張緊油缸活塞桿縮回油缸全行程（此時(shí)根據(jù)情況張緊輪處于松開狀態(tài)）通過系統(tǒng)壓力表，調(diào)整拉力最高壓力限制溢流閥（設(shè)定為9MPa）。避免液壓拉緊力過大，防止輸送帶與鋼絲繩安全系數(shù)降低。通過數(shù)字壓力表設(shè)定拉緊壓力。將拉緊壓力控制在7.5~8.5MPa。當(dāng)拉緊油缸壓力，低于7.5MPa系統(tǒng)自動補(bǔ)壓。

4.2.3 系統(tǒng)工作點(diǎn)調(diào)整

當(dāng)系統(tǒng)壓力設(shè)定好后，設(shè)定位移傳感器位置：設(shè)定活塞桿伸出1800mm位置為張緊油缸工作原點(diǎn)，設(shè)定活塞桿伸出300mm位置為張緊油缸最大工作點(diǎn)，也是兩位置檢測開關(guān)安裝位置。該張緊系統(tǒng)長時(shí)間工作在原點(diǎn)位置，隨著皮帶的變形量（拉長量?L）增加，張緊力變小，系統(tǒng)壓力降低至拉緊力最低設(shè)定壓力。系統(tǒng)補(bǔ)壓，直至拉緊壓力達(dá)到最大壓力設(shè)定點(diǎn)。補(bǔ)壓過程結(jié)束，系統(tǒng)處于保壓。此時(shí)油缸行程會縮短?L。此過程稱為小調(diào)整。當(dāng)?L=1500時(shí)，系統(tǒng)自動啟動卷揚(yáng)機(jī)，收緊皮帶，至張緊油缸工作原點(diǎn)。此過程稱為張緊系統(tǒng)大調(diào)整，電液比例溢流閥自動調(diào)整張緊腔壓力為最低張緊壓力。使皮帶在工作狀態(tài)下可以自動調(diào)整拉長量。油缸回到工作原點(diǎn)。比例溢流閥自動調(diào)整到拉力傳感器設(shè)定的恒壓（8.5MPa）

4.2.4 啟動與停機(jī)壓力設(shè)定

通過PLC控制，當(dāng)系統(tǒng)接到啟動或停止信號，比例溢流閥自動調(diào)整系統(tǒng)張緊力為5MPa。減少啟動、停機(jī)的張力突變。

4.3 液壓站主要結(jié)構(gòu)與配置

YBZ-21/140-1600帶式輸送機(jī)自動張緊液壓控制系統(tǒng)使用的液壓油源，大部分是按傳統(tǒng)安裝方式，將蓄能器、油泵電機(jī)立式內(nèi)置安裝于油箱內(nèi)。這種方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一是結(jié)構(gòu)緊湊，二是如果發(fā)生泄漏，直接漏回油箱[2]。但是，這種傳統(tǒng)的安裝方法存在三大缺點(diǎn)：一是接頭泄漏不易發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，設(shè)備故障率高；二是維修不方便；三是更換和修理油泵電機(jī)、蓄能器時(shí)會有一部分液壓油帶出油箱，污染環(huán)境[3]。

筆者公司設(shè)計(jì)開發(fā)的液壓控制油源，采用立式外置電機(jī)油泵、蓄能器的安裝方式：通過一個(gè)截止閥將濾油器與油泵進(jìn)口分開，通過一節(jié)無縫鋼管將濾油器固定在油箱內(nèi)，截止閥固定在油箱外并與油泵連接。油泵的出口，通過一個(gè)無縫鋼管，竄過油箱另一面與蓄能器連接。這種安裝方式克服了傳統(tǒng)內(nèi)置式安裝的缺點(diǎn)，并且使用維護(hù)方便，縮短了維修時(shí)間。

液壓系統(tǒng)為自動保壓型液壓站。最高操作油壓9MPa，張緊壓力油源來自液壓站，額定工作油壓8MPa，系統(tǒng)事故低油壓為額定油壓的7MPa，事故高油壓設(shè)定9MPa（根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試實(shí)際情況和要求設(shè)定）。為了增加系統(tǒng)可靠性，液壓系統(tǒng)采用主泵和備用泵雙系統(tǒng)供油方式。主泵和備用泵互為備用，當(dāng)一泵出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動切換至備用泵。獨(dú)有的專利技術(shù)，可在不斷電不停機(jī)的情況下安全更換或維修損壞的泵組。液壓系統(tǒng)自帶的蓄能裝置（本次張緊系統(tǒng)、置配XNQ-63/31.5蓄能器2只），在停電失去動力情況下，仍然可以長時(shí)間穩(wěn)壓。系統(tǒng)采用數(shù)字球閥，使液壓系統(tǒng)抗污染能力強(qiáng)，反應(yīng)快，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

油泵、電磁閥組、壓力控制器、液位變送器等主要元器件選用國內(nèi)外著名品牌力士樂或北京華德，質(zhì)量可靠、方便維修；液壓站主要由油泵機(jī)組、集成式油路塊、囊式蓄能罐、油箱、控制閥組及表計(jì)等組成。在每臺油泵出口裝有一電磁溢流閥，控制液壓系統(tǒng)的最高工作壓力，確保系統(tǒng)安全工作，保護(hù)電機(jī)空載啟動，同時(shí)在油泵的出口還裝有單向閥，以阻止停泵時(shí)產(chǎn)生的回流。液壓站通過油泵機(jī)組向氣囊式蓄能器充油，氣囊產(chǎn)生壓縮從而存儲液壓能，在電控指令和控制閥組的作用下，蓄能罐的液壓油或油泵打壓的液壓油經(jīng)液壓閥快速流向操作閥塊，而將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，從而驅(qū)動張緊油缸調(diào)整皮帶張緊力。

對液壓模塊進(jìn)行三維優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其內(nèi)部彎路少，泄漏點(diǎn)少，并采用高性能的電磁球閥作為保壓止泄元件，保證了液壓站保壓時(shí)間長。在液壓泵進(jìn)油口設(shè)有油濾清器，保證油泵可靠工作，在油泵的出油口設(shè)有安全溢流閥。在液壓站上設(shè)有壓力傳感器，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制與檢測，并有接點(diǎn)供上位機(jī)采用。每套操作供油系統(tǒng)有2臺電動油泵，一臺工作、一臺備用。油泵的最高工作壓力為28MPa，滿足了壓力油操作系統(tǒng)的要求。

4.5 張緊油缸

張緊液壓缸選擇低摩擦液壓控制系統(tǒng)專用缸，具有低阻力、高精度特性。油缸的缸筒采用整體45#無縫特種鋼管探傷后加工制成。缸體經(jīng)過高精度鏜孔、熱處理、珩磨等工序確保了缸的精度與耐磨性?；钊h(huán)采用45#精加工后表面滲氮，具有極高的強(qiáng)度與耐磨性與抗變形性能?；钊麠U采用40Cr鍛鋼整體鍛造，分粗加工、半精加工、調(diào)質(zhì)處理、精加工、表面熱處理、精磨等嚴(yán)格工序制成，保證了缸的精度與長期穩(wěn)定的工作要求。

缸體的密封滿足以下特點(diǎn)：高剛性、密封摩擦阻力小、密封可靠壽命長等特點(diǎn)[4]。本次油缸設(shè)計(jì)活塞密封采用格萊密封、活塞桿密封采用斯特密封。與傳統(tǒng)的O型圈U/Y型圈密封相比：啟動摩擦阻力小，適合液壓隨動控制要求；耐壓、耐高速、耐磨性、耐久性，都比O型圈U/Y型圈密封好。

活塞密封圈由一個(gè)潤滑性能良好，摩擦因數(shù)小的滑環(huán)和一個(gè)充當(dāng)彈性體的橡膠圈組成[5]?；h(huán)材料為摩擦因數(shù)極低的填充聚四氟，所以，油缸啟動平穩(wěn)、無爬行。能夠滿足比例控制閥的性能指標(biāo)，進(jìn)而達(dá)到系統(tǒng)精度控制?；钊麠U密封，將密封滑環(huán)制成階梯型，并有一個(gè)忍口、密封件的斜面部分利用流體動力作用保護(hù)油膜，使之返回工作腔，從而提高密封性能。

4.6 電氣控制及主要元件

YBZ-21/140-2000帶式輸送機(jī)自動張緊液壓機(jī)，配有專用電控箱，控制面板上，采用觸摸屏，實(shí)現(xiàn)自動設(shè)定開、停機(jī)壓力、張緊壓力、防沖擊壓力，面板上裝有轉(zhuǎn)換開關(guān)和控制按鈕，用于本地控制和模式切換。

采用西門子系列PLC為控制中央處理單元，結(jié)合外部傳感器，集成自動控制、狀態(tài)監(jiān)視、故障報(bào)警、自動報(bào)表功能。

PLC控制器、控制模塊、觸摸屏采用西門子S7-1200系列，軟啟動器、通用電氣元件和傳感器采用施耐德或歐姆龍品牌產(chǎn)品。

5 運(yùn)行與操作

給定張緊力8.5MPa(根據(jù)實(shí)際情況、現(xiàn)場調(diào)整設(shè)定)。系統(tǒng)接到自動開啟輸送帶信號。張緊機(jī)主油泵啟動，此時(shí)3位4通電磁換向閥處于中位。比例溢流閥自動系統(tǒng)壓力達(dá)到系統(tǒng)啟動壓力4.5MPa。3位4通電磁換向閥右側(cè)電磁鐵通電，卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)張緊油缸到達(dá)工作原點(diǎn)，位置傳感器發(fā)出信號，輸送帶驅(qū)動電機(jī)啟動。比例溢流閥壓力逐漸升高8.5MPa,此過程（根據(jù)現(xiàn)場需要設(shè)定時(shí)間）張緊壓力上升到由比例溢流閥設(shè)定工作壓力為8.5MPa。當(dāng)鋼絲繩拉力傳感器達(dá)到與系統(tǒng)恒壓工作壓力為8.5MPa時(shí)，卷揚(yáng)機(jī)停止工作。此時(shí)，輸送帶進(jìn)入恒壓工作狀態(tài)。

系統(tǒng)接到自動關(guān)機(jī)輸送帶信號，比例溢流閥自動系統(tǒng)壓力達(dá)到從8.5MPa逐漸減少至4.5MPa，輸送帶電機(jī)停機(jī)。

當(dāng)張緊機(jī)安裝調(diào)試、壓力設(shè)定、工作原點(diǎn)調(diào)整等工況時(shí)，可以手動實(shí)現(xiàn)張緊油缸張緊、松開、卷揚(yáng)機(jī)卷、方等手動獨(dú)立操作。

6 結(jié)束語

液壓張緊自2022年2月份改造以來，目前運(yùn)行正常，現(xiàn)場設(shè)備由于采用雙泵組合及對原有油缸和蓄能器的改造，提高了設(shè)備安全可靠性，另外在原有基礎(chǔ)上增加了位移和拉力傳感器，使得以前無法參考的指標(biāo)，現(xiàn)在有了具體數(shù)據(jù)。