馮耀東

(國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 礦山機(jī)械制造維修分公司，寧夏 靈武 750409)

帶式輸送機(jī)是通過滾筒與膠帶之間進(jìn)行連續(xù)摩擦驅(qū)動實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定運(yùn)輸貨物的機(jī)械設(shè)備，是礦山行業(yè)常用的煤炭運(yùn)輸設(shè)施。目前，運(yùn)行過程中的帶式輸送機(jī)經(jīng)常會發(fā)生打滑或跑偏現(xiàn)象，從而導(dǎo)致運(yùn)輸系統(tǒng)中斷，發(fā)生該故障時需及時停機(jī)處理，否則對整個輸送系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損害。帶式輸送機(jī)發(fā)生打滑后，會造成物料堆積，物料堆積嚴(yán)重時會磨損膠帶甚至?xí)斐呻姍C(jī)發(fā)熱燒壞[1]，從而給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。造成打滑的原因有很多，主要有輸送機(jī)過載、膠帶張緊力不足、驅(qū)動滾筒包膠磨損、托輥損壞以及落料處大量堵料等[2]。根據(jù)國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司(簡稱“寧夏煤業(yè)公司”)各煤礦單位反饋，帶式輸送機(jī)在長距離輸送時，容易出現(xiàn)打滑，主要由于尾部驅(qū)動出力小于回程膠帶的全部運(yùn)行阻力，從而造成滾筒與膠帶之間產(chǎn)生間歇式打滑，打滑會造成驅(qū)動滾筒包膠磨損，從而進(jìn)一步加劇帶式輸送機(jī)打滑現(xiàn)象。通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，解決尾部滾筒與膠帶打滑的現(xiàn)有技術(shù)是通過安裝張力傳感器檢測膠帶張力，根據(jù)膠帶張力大小來調(diào)節(jié)膠帶張緊度，實(shí)現(xiàn)制止打滑[3]。但是，采用此技術(shù)進(jìn)行膠帶調(diào)節(jié)具有一定的滯后性，尤其在長距離輸送時，張力調(diào)節(jié)達(dá)到所需效果之前的這段時間仍然存在打滑，仍然對尾部滾筒和膠帶造成損傷。

為了解決上述技術(shù)問題，本文研究設(shè)計一種帶式輸送機(jī)用張力檢測調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)自動調(diào)節(jié)尾部驅(qū)動力，確保尾部驅(qū)動出力約等于回程膠帶的全部運(yùn)行阻力，并確保尾部滾筒在任何工況下啟動運(yùn)行時不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

1 尾部驅(qū)動力自動調(diào)節(jié)裝置組成及工作原理

通過研究分析滾筒與膠帶之間打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)打滑現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)帶式輸送機(jī)的回程膠帶的運(yùn)行阻力增大時，未及時降低帶式輸送機(jī)尾部電機(jī)轉(zhuǎn)速，增加尾部驅(qū)動力，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)尾部驅(qū)動滾筒的驅(qū)動力小于回程膠帶的運(yùn)行阻力，從而造成滾筒與膠帶之間出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。針對此現(xiàn)象，決定在帶式輸送機(jī)尾部加裝一個張緊檢測調(diào)節(jié)裝置，實(shí)時檢測帶式輸送機(jī)膠帶張力，根據(jù)檢測張力大小及初期設(shè)定的張力區(qū)間段進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)變頻器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步調(diào)節(jié)尾部驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的速度、張力雙閉環(huán)控制策略，減少帶式輸送機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)膠帶打滑故障，提高滾筒和膠帶的使用壽命。

帶式輸送機(jī)尾部驅(qū)動力自動調(diào)節(jié)裝置主要由張緊檢測裝置和監(jiān)測反饋控制系統(tǒng)組成。其中張緊檢測裝置是安裝于普通帶式輸送機(jī)(如圖1所示)的尾部滾筒與上改向滾筒之間承載膠帶之上，并固定于尾部機(jī)架上(如圖2所示)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測運(yùn)行過程中帶式輸送機(jī)承載膠帶的張力，更好的將檢查張力數(shù)值反饋于控制系統(tǒng)，從而更加準(zhǔn)確的控制驅(qū)動滾動的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制帶式輸送機(jī)的驅(qū)動力。

圖1 普通帶式輸送機(jī)尾部結(jié)構(gòu)

圖2 加裝張力檢測裝置的帶式輸送機(jī)尾部結(jié)構(gòu)

監(jiān)測反饋控制系統(tǒng)(如圖3所示)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)時采集承載膠帶的張緊力，并通過數(shù)據(jù)信號線將采集的壓力信息及時傳送至控制器，并根據(jù)已設(shè)定的驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)速與壓力傳感器檢測值的關(guān)系，控制器及時做出下一步指令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)膠帶速度；該控制系統(tǒng)中還加裝了編碼器，可形成膠帶速度和張力的雙閉環(huán)控制。

當(dāng)張力過小，達(dá)到滾筒與膠帶發(fā)生打滑的條件時，控制器接收到壓力信號后，將降低變頻器電流，進(jìn)一步降低傳動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而減少尾部傳動滾筒空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，避免滾筒與膠帶的無效摩擦，減少二者損傷，提高尾部滾筒與膠帶的使用壽命。當(dāng)張力逐漸增大時，控制器接收到壓力信號后，將增大變頻器電流，進(jìn)一步提高傳動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其與張力相對應(yīng)。

圖3 控制系統(tǒng)設(shè)計

2 張緊檢測裝置的設(shè)計及理論計算

2.1 張緊檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的張緊檢測裝置主要包括鉸接安裝座、壓力連桿、安裝架、張力檢測滾筒和壓力傳感器如圖4所示。張力檢測滾筒安裝于安裝架上，安裝架固定在壓力連桿上；壓力連桿的一端與鉸接安裝座(固定于尾部機(jī)架頂部)鉸連接，壓力連桿的另一端與壓力傳感器(固定于尾部機(jī)架頂部)進(jìn)行配合檢測。

圖4 張力檢測裝置結(jié)構(gòu)

該張力檢測裝置安裝于普通帶式輸送機(jī)尾部的機(jī)架上，并將承載膠帶依次繞過改向滾筒、張力檢測滾筒和尾部傳動滾筒，可以更加精確的實(shí)時檢測運(yùn)行過程中的帶式輸送機(jī)承載膠帶的張力。

2.2 壓力傳感器檢測值與膠帶承載力的關(guān)系計算

對張力檢測裝置處進(jìn)行受力分析，如圖5所示。在張力檢測滾筒處，承載膠帶存在兩個延膠帶走向且方向相反的張緊力F1、F2；從而對張力檢測滾筒有一個向上且指向滾筒軸線的壓力P2；通過張力檢測裝置的鉸接結(jié)構(gòu)和安裝架，將壓力P1傳輸至壓力傳感器檢測處，即壓力傳感器檢測值P。

圖5 張力檢測裝置處受力分析

根據(jù)帶式輸送機(jī)尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，可設(shè)張力檢測裝置結(jié)構(gòu)中的壓力連桿Q1Q3的長度為L，張力檢測滾筒安裝于壓力連桿中心正下方則Q1Q2的長度為L/2，并設(shè)∠T1C2O2為θ。

張力檢測裝置中的壓力連桿處受力分析可知：

經(jīng)過對張力檢測滾筒與承載膠帶交接處的受力分析可知：

P1=2·F1·cosθ

(2)

P1和P2是一對大小相等方向相反的作用力與反作用力，聯(lián)立式(1)和式(2)可求得：

承載膠帶的張緊力為：

根據(jù)尾部滾筒、張力檢測滾筒及改向滾筒之間的相互位置關(guān)系，可設(shè)尾部滾筒與張力檢測滾筒中心距O1O2為L1，張力檢測滾筒與改向滾筒中心距O2O3為L2，尾部滾筒與改向滾筒中心距O1O3為L3；進(jìn)一步設(shè)尾部滾筒的半徑為R1，張力檢測滾筒的半徑為R2，改向滾筒的半徑為R3，并根據(jù)圖5可計算得：

聯(lián)立式(3)、式(4)、式(5)可求得：

將θ值代入式(3)可求得，承載膠帶的張緊力F與壓力傳感器檢測值P及帶式輸送機(jī)尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸之間的關(guān)系如下：

以寧夏煤業(yè)礦山機(jī)械制造維修分公司生產(chǎn)的DTL120帶式輸送機(jī)為例，該型號帶式輸送機(jī)的尾部驅(qū)動裝置所配置的尾部滾筒為?1250mm的雙出軸傳動滾筒(即R1=625mm)、張力檢測滾筒為?650mm的普通滾筒(即R2=325mm)及上改向滾筒為?500mm的改向滾筒(即R3=250mm)。該公司所設(shè)計的DTL120帶式輸送機(jī)尾部驅(qū)動裝置中驅(qū)動滾筒與張力檢測滾筒的中心距為1565mm，即L1=1565mm；張力檢測滾筒與上改向滾筒的中心距為1575mm，即L2=1575mm，驅(qū)動滾筒與上改向滾筒的中心距為2960mm，即L3=2960mm。將該公司所設(shè)計的DTL120帶式輸送機(jī)的尾部驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)代入式(7)可得：壓力傳感器檢測值P=0.17F。

3 自動調(diào)節(jié)尾部驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)模型

3.1 尾部驅(qū)動裝置控制模型

以DTL120帶式輸送機(jī)為例，該膠帶機(jī)采用三驅(qū)動方式(頭部雙驅(qū)動、尾部單驅(qū)動)(如圖6所示)。

圖6 DTL120帶式輸送機(jī)的三滾筒驅(qū)動關(guān)系

對尾部驅(qū)動III處進(jìn)行受力分析，并查閱《DTII(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計手冊》[4]可知，為保障帶式輸送機(jī)正常工作時不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，帶式輸送機(jī)尾部實(shí)際運(yùn)行過程中承載膠帶的張緊力滿足以下條件：

FU=F4-F=(eμφ-1)F

(8)

式中，F(xiàn)、F4為帶式輸送機(jī)尾部f和e處的膠帶張緊力；FU為帶式輸送機(jī)尾部驅(qū)動Ⅲ處驅(qū)動滾筒對膠帶的圓周驅(qū)動力；μ為驅(qū)動滾動與膠帶間的摩擦系數(shù)；φ為膠帶在驅(qū)動滾筒上的圍包角。

帶式輸送機(jī)的驅(qū)動滾筒軸功率：

式中，v為膠帶輸送速度；PM為電機(jī)功率；η為傳動效率；η′為電壓降系數(shù)，一般取0.90～0.95；η″為多電機(jī)驅(qū)動不平衡系數(shù)，一般取0.90～0.95。

DTL120帶式輸送機(jī)采用的三滾筒驅(qū)動方式，均采用500kW變頻永磁電機(jī)，則傳遞效率η取1，電壓降系數(shù)η′取0.93，多電機(jī)驅(qū)動不平衡系數(shù)η″取0.92。本文取摩擦系數(shù)μ為0.35，該型號DTL120帶式輸送機(jī)尾部驅(qū)動Ⅲ滾筒處的圍包角φ為205°，則本文歐拉系數(shù)eμφ為3.5[5-9]。將式(8)和式(9)聯(lián)立可得尾部驅(qū)動裝置控制模型中的壓力傳感器檢測值與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系函數(shù)n(P)，其關(guān)系式如下：

3.2 自動調(diào)節(jié)控制算法

首先，要根據(jù)礦方使用要求對帶式輸送機(jī)進(jìn)行整體設(shè)計，并計算出所設(shè)計帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵尺寸，為尾部驅(qū)動裝置控制模型提供可靠數(shù)據(jù)；根據(jù)張緊檢測裝置的壓力傳感器實(shí)時檢測數(shù)值，確定當(dāng)前帶式輸送機(jī)實(shí)際需求驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速[10-13]。其次，為了避免因輸送煤量實(shí)時變換導(dǎo)致電機(jī)實(shí)時調(diào)速現(xiàn)象，建立預(yù)測尾部驅(qū)動裝置控制電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)模型，將實(shí)際需求驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速與預(yù)測模型預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，輸出恒定轉(zhuǎn)速[14-18]。具體自動調(diào)節(jié)控制算法如圖7所示。

圖7 自動調(diào)節(jié)控制基本流程

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果及分析

裝有尾部驅(qū)動力自動調(diào)節(jié)裝置的帶式輸送機(jī)已在寧夏煤業(yè)金家渠煤礦實(shí)施運(yùn)行。為了更好的驗證該尾部驅(qū)動力自動調(diào)節(jié)裝置的監(jiān)測精準(zhǔn)性、反饋調(diào)節(jié)及時性及有效性，對該礦運(yùn)行的帶式輸送機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行長期采集及數(shù)據(jù)分析。本文隨機(jī)選取2022年6月9日00：00—24：00時間段該尾部自動調(diào)節(jié)裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖8、圖9及圖10所示。

通過圖8和圖9分析可知，尾部驅(qū)動裝置膠帶的張緊力與壓力傳感器監(jiān)測值成線性關(guān)系，可以精準(zhǔn)的實(shí)時檢測出膠帶的張緊力，從而更好控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；再與圖10進(jìn)行對比分析，帶式輸送機(jī)尾部驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)尾部驅(qū)動處膠帶運(yùn)行過程中實(shí)時變化的張緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)的，并且在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的，更好的保障帶式輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性及高效性[19，20]。

圖8 張緊裝置的壓力傳感器實(shí)時監(jiān)測值

圖9 尾部驅(qū)動處膠帶遠(yuǎn)行過程中實(shí)時張緊力模擬圖

圖10 尾部驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測值

5 結(jié) 語

在分析帶式輸送機(jī)打滑原因的基礎(chǔ)上，對實(shí)時調(diào)節(jié)匹配電機(jī)轉(zhuǎn)速與實(shí)際運(yùn)輸煤量關(guān)系的研究基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計出一種帶式輸送機(jī)尾部驅(qū)動力自動調(diào)節(jié)裝置，該裝置包括張緊檢測裝置和監(jiān)測反饋控制系統(tǒng)。本文設(shè)計的張緊檢測裝置適用于所有帶式輸送機(jī)尾部驅(qū)動機(jī)構(gòu)，可實(shí)時檢測帶式輸送機(jī)膠帶張力，根據(jù)檢測張力大小及初期設(shè)定的張力區(qū)間段進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)變頻器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步調(diào)節(jié)尾部驅(qū)動力，確保尾部驅(qū)動力等于回程膠帶的運(yùn)行阻力，更好的保障帶式輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性及高效性。本文所設(shè)計的帶式輸送機(jī)尾部驅(qū)動力自動調(diào)節(jié)裝置可實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的速度、張力雙閉環(huán)控制策略，減少系統(tǒng)的故障，確保尾部傳動滾筒在任何運(yùn)行時不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，提高滾筒和膠帶的使用壽命，對降低企業(yè)運(yùn)營生產(chǎn)成本具有很高的應(yīng)用價值。