長(zhǎng)距離運(yùn)輸帶式輸送機(jī)張緊力控制裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用*

李梅香

(山西焦煤西山煤電機(jī)電廠, 山西 太原 030053)

0 引 言

帶式輸送機(jī)是目前最有效的輸送設(shè)備之一,它廣泛應(yīng)用于煤礦、港口、冶金和電廠等企業(yè)。目前,帶式輸送機(jī)正向著大運(yùn)距、大運(yùn)量、大傾角等多元化方向發(fā)展。張緊裝置是帶式輸送機(jī)的重要組成部分,其對(duì)輸送機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)和正常運(yùn)行起著極其重要的作用。隨著我國(guó)礦井開采范圍以及產(chǎn)量不斷提升,高功率帶式輸送機(jī)因其高運(yùn)速、大運(yùn)量以及長(zhǎng)距離特點(diǎn)而在煤礦井下應(yīng)用不斷增加[1]。然而,帶式輸送機(jī)易受到煤炭生產(chǎn)條件、使用環(huán)境等因素影響,其輸送帶張力容易出現(xiàn)較大波動(dòng)并產(chǎn)生一定的伸縮量,嚴(yán)重時(shí)帶式輸送機(jī)還會(huì)出現(xiàn)打滑。

基于此,筆者針對(duì)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行以及停機(jī)等過程進(jìn)行分析,通過配備張緊裝置并采用變頻器、異步電機(jī)來實(shí)現(xiàn)張緊力調(diào)節(jié),最終達(dá)到提升帶式輸送機(jī)運(yùn)輸可靠性的目的[2]。

1 變頻張緊裝置設(shè)計(jì)

1.1 變頻張緊裝置結(jié)構(gòu)組成及原理

為滿足帶式輸送機(jī)啟動(dòng)和正常運(yùn)行狀態(tài)下所必須的足夠張力和行程,使系統(tǒng)便于調(diào)節(jié)和控制,設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)變頻張緊裝置結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)包括控制柜、監(jiān)測(cè)單元、機(jī)械傳動(dòng)單元、張緊小車等,如圖1所示。

圖1 變頻張緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖

控制柜內(nèi)部變頻器、PLC 等是張緊力控制系統(tǒng)的核心控制單元,其主要功能是與其他設(shè)備進(jìn)行信息通信。機(jī)械傳動(dòng)單元主要包括變頻電機(jī)(帶編碼器)、減速器、機(jī)械制動(dòng)器、儲(chǔ)纜滾筒等,變頻電機(jī)端頭編碼器將信號(hào)傳輸至變頻器,從而使得變頻器控制模式變?yōu)槭噶靠刂?機(jī)械制動(dòng)器處于常閉狀態(tài),PLC 控制電磁鐵通電后可將其打開;監(jiān)測(cè)單元依靠張緊傳感器監(jiān)測(cè)鋼絲繩張緊力信號(hào)并將信號(hào)傳輸給 PLC,張緊小車沿軌道前后移動(dòng),實(shí)現(xiàn)張緊力調(diào)整。具體張緊控制過程如下。

(1) 啟動(dòng)準(zhǔn)備階段。啟動(dòng)前,集控中心向張緊裝置發(fā)出啟動(dòng)準(zhǔn)備指令,變頻器啟動(dòng)、機(jī)械制動(dòng)打開,電機(jī)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)纜滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)收緊鋼絲繩直至輸送帶張緊力達(dá)到預(yù)先設(shè)定值;此后驅(qū)動(dòng)絞車始終處于張緊力控制狀態(tài),并向控制中心發(fā)出反饋信號(hào)[3]。

(2) 正常啟動(dòng)階段。帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí),上部輸送帶從機(jī)頭(驅(qū)動(dòng)滾筒)向機(jī)尾運(yùn)動(dòng)、下部輸送帶從機(jī)尾向機(jī)頭運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)時(shí)間根據(jù)輸送帶鋪設(shè)長(zhǎng)度決定,耗時(shí)在幾秒到幾十秒不等。帶式輸送機(jī)啟動(dòng)初期,輸送帶張力會(huì)明顯降低,因此要使變頻電機(jī)快速響應(yīng)以驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)纜滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)回收鋼絲繩,使得輸送帶張緊力恢復(fù)至啟動(dòng)張緊力。

(3) 正常運(yùn)行階段。正常運(yùn)行階段,輸送帶需要的張緊力明顯小于啟動(dòng)階段,因此在帶式輸送機(jī)正常啟動(dòng)后,變頻電機(jī)會(huì)緩慢反轉(zhuǎn)、張緊小車會(huì)緩慢牽引,輸送帶張緊力預(yù)先設(shè)定斜率緩慢降低,直至張緊力降至運(yùn)行張緊力;此時(shí)機(jī)械制動(dòng)開啟、制定彈簧鎖住絞車,變頻電機(jī)及變頻器停止工作并處于待機(jī)狀態(tài)。

(4)動(dòng)態(tài)調(diào)整階段。帶式輸送機(jī)運(yùn)行期間,輸送帶張緊力會(huì)隨著運(yùn)輸載荷、外界環(huán)境等變化而改變。張緊力可通過張力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),當(dāng)超過規(guī)定閾值上限或者下限時(shí),張緊裝置在控制柜作用下動(dòng)作,確保運(yùn)行張緊力始終在規(guī)定范圍內(nèi)[4]。

(5)停機(jī)階段。帶式輸送機(jī)停止運(yùn)行后,變頻電機(jī)緩慢反轉(zhuǎn)、張緊小車沿著軌道緩慢前移,直至帶式輸送機(jī)張緊力降至0。

1.2 張緊裝置結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)

1.2.1 電機(jī)參數(shù)的確定

張緊裝置是帶式輸送機(jī)的重要配套設(shè)備,張緊裝置需要根據(jù)帶式輸送機(jī)運(yùn)行情況合理確定最大張緊行程L、最大張緊力F。張緊裝置應(yīng)依據(jù)L、F合理確定內(nèi)部元器件以及運(yùn)行參數(shù),張緊裝置電機(jī)參數(shù)選擇流程如圖2所示。

圖2 張緊裝置電機(jī)參數(shù)選擇流程

張緊裝置選用的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min,依據(jù)張緊最大行程L、啟動(dòng)時(shí)間t可確定張緊裝置運(yùn)行速度v;通過電機(jī)轉(zhuǎn)速n、儲(chǔ)纜滾筒最小半徑r,可對(duì)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比i進(jìn)行計(jì)算,具體公式為i=nr/v;根據(jù)最大張緊力F、儲(chǔ)纜滾筒最大半徑R,可對(duì)電機(jī)扭矩T進(jìn)行計(jì)算,具體公式為T=FR/i;為確保張緊裝置運(yùn)行安全,給定一個(gè)安全系數(shù)Sa,則確定的電機(jī)額定轉(zhuǎn)Tm=TSa,通過上述參數(shù)即可確定選用的電機(jī)功率[5]。

1.2.2 張緊裝置控制張力變頻調(diào)節(jié)

張緊裝置對(duì)張力變頻的調(diào)節(jié)可通過變頻器對(duì)電機(jī)運(yùn)行的矢量控制調(diào)整來實(shí)現(xiàn),具體如圖3所示。

圖3 變頻器矢量控制示意圖

長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)慣性大且輸送帶具備黏彈性特征等問題,因此在啟動(dòng)過程中輸送帶張力峰值較高。為確保帶式輸送機(jī)具備較好的靜、動(dòng)特性,文中采用的張緊裝置應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況確定張緊力控制策略,各運(yùn)行工況下張緊力給定情況如圖4所示。

圖4 各工況下張緊力調(diào)整示意圖

(1) 啟動(dòng)過程。輸送帶彈塑形變形發(fā)生在啟動(dòng)過程中,只有給輸送帶提供足夠的牽引力才能避免輸送帶打滑,張緊裝置應(yīng)施加較大的張緊力Fs;在t1時(shí)刻啟動(dòng)時(shí),輸送帶在驅(qū)動(dòng)滾筒分離點(diǎn)后方變得松弛,當(dāng)張緊力小于啟動(dòng)張緊力下限Fsd時(shí),張緊裝置在張緊力實(shí)際值Fs0位置開始按照斜率K1迅速增加,使得張緊力可快速增加至啟動(dòng)張緊力Fs。張緊裝置在啟動(dòng)階段可對(duì)輸送帶進(jìn)行補(bǔ)償,避免出現(xiàn)打滑或者重載無(wú)法啟動(dòng)等問題[6]。

(2) 工作狀態(tài)調(diào)整階段。帶式輸送機(jī)完成啟動(dòng)后進(jìn)入到正常運(yùn)行階段,此階段驅(qū)動(dòng)裝置主要用來克服各組成部件的摩擦力,使其不會(huì)受到慣性力作用。因此,可適當(dāng)降低張緊力以減少設(shè)備磨損,提升帶式輸送機(jī)使用壽命。張緊裝置將張緊力由Fs按照斜率K2降至Fr。

(3) 正常運(yùn)行張緊力控制。正常運(yùn)行階段,張緊力控制在Fr±10%Fr范圍內(nèi),運(yùn)行期間張緊力上限及下限分別為Fru、Frd。張緊力在正常范圍內(nèi)時(shí),張緊裝置始終處于待機(jī)狀態(tài);若實(shí)際張緊力超過設(shè)定上限或者下限時(shí),則按照斜率K2將張緊力調(diào)整至Fr,此后張緊裝置繼續(xù)待機(jī)[7]。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在西山煤電官地礦 3203 運(yùn)輸大巷構(gòu)建試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)張緊裝置應(yīng)用效果進(jìn)行分析。3200 運(yùn)輸大巷鋪設(shè)的帶式輸送機(jī)運(yùn)輸長(zhǎng)度達(dá)到3 500 m,輸送帶寬度為 1 200 mm。以往帶式輸送機(jī)采用重錘張緊方式,其張緊力保持不變且張緊量較小,帶式輸送機(jī)在重載啟動(dòng)時(shí)易出現(xiàn)打滑情況且輸送帶磨損較為嚴(yán)重。安裝張緊裝置后,帶式輸送機(jī)始終保持平穩(wěn)運(yùn)行,張緊裝置可依據(jù)帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況自動(dòng)調(diào)整張緊力,其在滿足原煤運(yùn)輸基礎(chǔ)上可減少輸送帶、托輥以及滾筒等設(shè)備磨損;同時(shí)張緊裝置張緊力調(diào)整響應(yīng)時(shí)間為2.5 s以內(nèi),應(yīng)用期間未出現(xiàn)控制張緊力超調(diào)問題,現(xiàn)場(chǎng)取得較好應(yīng)用效果[8]。

3 結(jié) 語(yǔ)

文中對(duì)張緊裝置結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)行原理進(jìn)行分析,給出電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)選擇流程以及張緊力控制方法。構(gòu)建的張緊裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)備性能穩(wěn)定且便于后續(xù)維護(hù)。張緊裝置可根據(jù)帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況自動(dòng)調(diào)整張緊力,在啟動(dòng)階段施加較大的張緊力、張緊量,以補(bǔ)償啟動(dòng)期間長(zhǎng)距離輸送帶的彈塑性變形,避免出現(xiàn)打滑或者重載啟動(dòng)困難問題;在正常運(yùn)行階段,張緊裝置可將張緊力保持在合理范圍內(nèi),既可滿足運(yùn)輸需求又可減少設(shè)備磨損及能耗。官地礦3203運(yùn)輸大巷帶式輸送機(jī)應(yīng)用表明,該張緊裝置運(yùn)行平穩(wěn),可滿足帶式輸送機(jī)長(zhǎng)距離運(yùn)輸啟動(dòng)以及正常運(yùn)行需要,應(yīng)用期間未出現(xiàn)重載啟動(dòng)困難或者打滑等問題。