皮帶機(jī)尾部驅(qū)動(dòng)力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

姚 旭

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)有限公司，山西大同037003）

皮帶運(yùn)輸機(jī)是一種利用滾筒和皮帶的連續(xù)摩擦驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定運(yùn)輸貨物的機(jī)械，是煤礦運(yùn)輸中普遍采用的一種運(yùn)輸設(shè)備。當(dāng)前，皮帶輸送機(jī)在使用中常常出現(xiàn)打滑、跑偏等情況，造成運(yùn)輸系統(tǒng)的中斷，一旦出現(xiàn)這種情況，必須立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，否則會(huì)對(duì)整個(gè)運(yùn)輸體系的安全運(yùn)行造成威脅。帶式輸送機(jī)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象后，會(huì)造成物料的過(guò)量堆積，當(dāng)堆積數(shù)量超過(guò)一定的閾值，就會(huì)對(duì)皮帶造成磨損，甚至使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱、燒毀，影響企業(yè)的生產(chǎn)效率，造成經(jīng)濟(jì)損失。造成打滑的主要因素是：皮帶超載、膠帶張緊力不夠、傳動(dòng)滾筒膠帶磨損、滾筒破損、落料部位大量堵塞等。晉能煤業(yè)集團(tuán)公司下屬煤礦反映，皮帶運(yùn)輸車(chē)在長(zhǎng)途運(yùn)輸中經(jīng)常發(fā)生打滑現(xiàn)象，其原因是拖車(chē)的出力比回程皮帶的總阻力小，由此導(dǎo)致滾筒和膠帶的間歇性打滑，打滑將導(dǎo)致傳動(dòng)滾筒包膠的磨損，使皮帶打滑現(xiàn)象進(jìn)一步加劇。本文在查閱了國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料后，提出了解決拖尾及皮帶打滑的技術(shù)措施，即采用牽引力傳感器檢測(cè)其張力，并根據(jù)其張力進(jìn)行張緊度的實(shí)時(shí)調(diào)整，以避免打滑現(xiàn)象的出現(xiàn)。但是，該技術(shù)在調(diào)節(jié)皮帶時(shí)會(huì)有一些時(shí)間延遲，特別是在拉力調(diào)整達(dá)到預(yù)期效果前，長(zhǎng)距離輸送時(shí)會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，依然會(huì)損壞尾滾筒和膠帶。

針對(duì)以上技術(shù)問(wèn)題，研制一種用于皮帶輸送機(jī)的拉力測(cè)量調(diào)整機(jī)構(gòu)，使其能夠?qū)蟛康尿?qū)動(dòng)力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以保證其在一定程度上達(dá)到返程時(shí)的拖曳阻力。同時(shí)保證了后滾筒在各種工作條件下的起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)都不會(huì)發(fā)生打滑。

1 尾部驅(qū)動(dòng)力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置組成及工作原理

對(duì)滾筒和膠條間的滑動(dòng)進(jìn)行了研究和分析發(fā)現(xiàn)，造成這種打滑的主要是由于皮帶在回路中的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力變大，沒(méi)有能適時(shí)地減小皮帶輸送機(jī)的后部電機(jī)的速度，從而提高了后部的驅(qū)動(dòng)力。導(dǎo)致皮帶運(yùn)輸機(jī)的后軸傳動(dòng)滾筒的驅(qū)動(dòng)力比回路皮帶的傳動(dòng)要小，使?jié)L筒和皮帶間產(chǎn)生滑動(dòng)。為了解決這種情況，本文提出了在皮帶運(yùn)輸機(jī)的后端安裝一種張緊度檢測(cè)調(diào)整機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)皮帶的拉力進(jìn)行即時(shí)監(jiān)測(cè)，并依據(jù)預(yù)設(shè)拉力范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的實(shí)時(shí)調(diào)整。通過(guò)對(duì)皮帶輸送機(jī)的后部驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到速度、張力雙閉環(huán)的控制，可降低皮帶輸送機(jī)的皮帶發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象，延長(zhǎng)滾筒和皮帶的使用年限。

皮帶運(yùn)輸機(jī)的尾端驅(qū)動(dòng)力自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)主要包括：張緊和監(jiān)控、反饋控制兩部分。拉伸探測(cè)設(shè)備是一種安裝在普通皮帶傳送機(jī)（見(jiàn)圖1）的后滾筒和上調(diào)整滾筒之間的傳送帶，并且被固定在尾箱上（見(jiàn)圖2)，由此可以對(duì)皮帶傳送帶在工作期間的傳送帶的拉力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使控制系統(tǒng)能夠更好地對(duì)傳動(dòng)滾筒的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行更精確的控制，然后對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了控制。

圖1 普通帶式輸送機(jī)尾部結(jié)構(gòu)

圖2 加裝張力檢測(cè)裝置的帶式輸送機(jī)尾部結(jié)構(gòu)

該監(jiān)視與反饋饋控制由控制器、變頻器、編碼器及壓力傳感器等組成。利用壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)皮帶張緊力的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將采集到的壓力數(shù)據(jù)信號(hào)向該控制器發(fā)送，并根據(jù)所設(shè)置的驅(qū)動(dòng)滾筒速度和壓力傳感器的探測(cè)值之間的關(guān)系，進(jìn)行電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)行速度的控制。在該控制系統(tǒng)中，增加了編碼裝置，可以實(shí)現(xiàn)速度、張力的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

在拉力不足時(shí)，卷筒、皮帶會(huì)發(fā)生明顯的打滑現(xiàn)象，控制器在接收到壓力信號(hào)時(shí)，會(huì)降低變頻電流，進(jìn)一步降低了驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，降低了尾軸傳動(dòng)滾筒的空轉(zhuǎn)，防止?jié)L筒與皮帶出現(xiàn)無(wú)效摩擦，避免了滾筒和皮帶的損壞，提高了滾筒和皮帶的使用年限。在張力逐漸增加的情況下，在收到壓力信號(hào)后，會(huì)增加變頻電流，進(jìn)而增加電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到與張力相匹配的目的。

2 張緊檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本論文研制的張緊測(cè)試設(shè)備，主要由安裝座、壓力桿、安裝架組成。圖3介紹了張力檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵部件為張力檢測(cè)滾筒和壓力傳感器。張力檢測(cè)滾筒與支架相連，支架與壓力桿連接。壓力連桿的一端鉸鏈連接在鉸鏈支座上（鉸鏈固定在尾箱的頂端）上，壓力連桿的另外一端與壓力傳感器（壓力傳感器被固定在尾箱的頂部）相配合。

圖3 張力檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

本發(fā)明的張力檢測(cè)設(shè)備是在常規(guī)皮帶運(yùn)輸機(jī)的后座上安裝的，其輸送帶在轉(zhuǎn)向滾筒、張力檢測(cè)滾筒和后輪驅(qū)動(dòng)滾筒之間，能夠?qū)ζл斔蛶г谶\(yùn)轉(zhuǎn)期間的張力進(jìn)行更準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

3 自動(dòng)調(diào)節(jié)尾部驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)模型

3.1 尾部驅(qū)動(dòng)裝置控制模型

以DTL120 皮帶運(yùn)輸機(jī)為例（見(jiàn)圖4)，它是一種三驅(qū)動(dòng)模式（頭雙驅(qū)動(dòng)，尾部單驅(qū)動(dòng)）。

圖4 DTL120帶式輸送機(jī)的三滾筒驅(qū)動(dòng)關(guān)系

通過(guò)對(duì)尾軸Ⅲ段的受力分析，參考《DTⅡ(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，為了保證帶式運(yùn)輸機(jī)的正常工作，對(duì)尾軸的應(yīng)力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際操作中，皮帶的張緊力符合下列要求：

式中：F、F4——皮帶運(yùn)輸車(chē)后部f和e的張緊力；

FU——皮帶運(yùn)輸機(jī)后部傳動(dòng)Ⅲ上傳動(dòng)滾筒對(duì)膠條的外周驅(qū)動(dòng)力；

μ——傳動(dòng)滾筒與膠帶之間的摩擦因數(shù)；

φ——膠帶在驅(qū)動(dòng)滾筒上的圍包角。

皮帶運(yùn)輸車(chē)的傳動(dòng)滾筒軸動(dòng)力計(jì)算：

式中：ν——膠帶輸送速度；

P——電機(jī)功率；

η——傳動(dòng)效率；

η′——電壓降系數(shù)，一般取0.90～0.95；

η″——多電機(jī)驅(qū)動(dòng)不平衡系數(shù)，一般取0.90～0.95。

DTL120 帶式輸送機(jī)是三滾筒驅(qū)動(dòng)，選用功率為500kW的變頻式永磁電機(jī)，傳輸效率η為1，電壓降系數(shù)η′取0.93，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)不平衡系數(shù)η″取0.92。本文將摩擦系數(shù)的值定為0.35，DTL120 型皮帶運(yùn)輸機(jī)尾軸Ⅲ轉(zhuǎn)鼓的圍包角φ為205°，則歐拉系數(shù)eμφ取值為3.5。通過(guò)對(duì)上述公式（1）和（2）進(jìn)行聯(lián)立，可以得到壓力傳感器檢測(cè)結(jié)果和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系n(P)，其關(guān)系式如下：

3.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)控制算法

首先，要按照礦山的實(shí)際需要，對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，并對(duì)其關(guān)鍵尺寸進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制模式的確定。壓力傳感器安裝在張緊測(cè)試儀上，對(duì)當(dāng)前皮帶輸送機(jī)的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，從而得出傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出速度。其次，為防止實(shí)時(shí)變化的運(yùn)煤量造成電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)速度調(diào)節(jié)，建立了一個(gè)用于預(yù)測(cè)的尾端傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)模型，并與預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)值相比較，并給出了一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果及分析

晉能煤炭集團(tuán)公司礦井已投入使用裝有尾部驅(qū)動(dòng)力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的帶式輸送機(jī)。為進(jìn)一步檢驗(yàn)這種自控系統(tǒng)的精確性、反饋調(diào)節(jié)的及時(shí)性和效率，對(duì)礦井中帶式輸送機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了長(zhǎng)期的采集與分析。本文對(duì)從2022 年6 月9 日0：00 到24：00 之間的尾端自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，其結(jié)果在圖5、圖6和圖7中顯示。

圖5 張緊裝置的壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值

圖6 尾部驅(qū)動(dòng)處膠帶遠(yuǎn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)張緊力模擬圖

圖7 尾部驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)值

根據(jù)圖5、圖6的分析，可以看出，在尾端傳動(dòng)膠帶上的張力與壓力傳感器的監(jiān)控?cái)?shù)值呈線性關(guān)系，能夠精確地、即時(shí)地測(cè)量皮帶的張緊力，使電機(jī)的速度得到更好的調(diào)節(jié)。通過(guò)與圖7的比較和分析，皮帶運(yùn)輸車(chē)的后軸傳動(dòng)電機(jī)的速度是按照皮帶在后輪驅(qū)動(dòng)力的張緊力實(shí)時(shí)改變而調(diào)整的，而且可以在一個(gè)特定的時(shí)間內(nèi)調(diào)整電機(jī)的速度，保證皮帶運(yùn)輸車(chē)的工作穩(wěn)定和效率。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)皮帶輸送機(jī)滑行的原因進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)匹配電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與實(shí)際運(yùn)煤量關(guān)系的研究，提出了一種由張力探測(cè)和監(jiān)控反饋控制組成的自動(dòng)尾軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。本論文研制的張緊測(cè)試系統(tǒng)，適合于各種皮帶運(yùn)輸機(jī)的尾端傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，能對(duì)皮帶的拉力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的張力范圍和預(yù)設(shè)的張力區(qū)間，對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度和對(duì)尾端的驅(qū)動(dòng)力的調(diào)整。保證了后部驅(qū)動(dòng)功率與回程膠帶的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力相等，從而更好地保證皮帶輸送機(jī)的工作穩(wěn)定和效率。本論文所研制的皮帶輸送機(jī)的尾端驅(qū)動(dòng)自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的速度、張力雙閉環(huán)控制，降低系統(tǒng)的失效，保證其在任意運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下不發(fā)生打滑，提高了滾筒和皮帶的使用年限，對(duì)減少企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本具有重要的意義。