變頻調速自動張緊裝置在遠距離皮帶運輸機中的研究及應用
摘要：本文主要介紹皮帶運輸機各種工況下的張力分布，以及變頻調速自動張緊裝置對于外部張力變化的快速調節(jié)能力。
關鍵詞：自動張緊裝置 張力控制 變頻器
在采礦行業(yè)，皮帶輸送機已經(jīng)成為一種主要的運輸機械，幾乎裝備于每一個自動化礦井。伴隨著煤礦產(chǎn)量的不斷提高，對皮帶運輸機加長、加寬的要求也越來越高，尤其是可伸縮帶輸送機運行中的過大張力波動成為制約其遠距離運輸?shù)恼系K。這就需要對可伸縮帶輸送機啟動、運行、停止等狀態(tài)下的張力變化進行分析研究，設計一種反應速度塊、調節(jié)精度高、變化范圍大的全自動張力調節(jié)設備。
常規(guī)皮帶張緊裝置，由于自身性能限制，主要適用于距離短、低運輸量的可伸縮帶輸送機上，本文便是基于對可伸縮帶輸送機的各種狀態(tài)運輸時張力波動的研究，設計出變頻調速自動張緊裝置，該裝置以張力傳感器為監(jiān)測元件、以變頻器為控制元件,通過改變PLC輸出的模擬信號，來改變變頻器精確控制的電機速度,從而實現(xiàn)張緊力的實時調節(jié)，解決了遠距離可伸縮帶輸送機張力突變造成的安全生產(chǎn)事故。
1 皮帶運輸機張力變化分析
由于煤礦的特殊生產(chǎn)條件，皮帶運輸機的張力波動會與其的長度、寬度、厚度、材質、負載、阻力等等許多因素有關。要設計出適用于遠距離皮帶運輸機的自動張緊裝置，必須先要了解各種條件下皮帶運輸機的張力變化(未調節(jié))，以及經(jīng)過自動張緊裝置精確調節(jié)以后的張力情況(調節(jié)后)。
1.1皮帶啟動階段
皮帶啟動階段由于負載不同，可分為滿載和空載兩種情況，T2為皮帶運輸機啟動張力，T2min為皮帶運輸機最小啟動張力。
1.2 穩(wěn)定運行階段
隨著出煤量的變化和自移機尾的前移，皮帶上的張力也隨著波動，波動范圍超出限定范圍必須進行調整。張力過大增加設備運行負荷和損壞風險，張力過小會造成皮帶打滑、冒煙，必須保持張力的穩(wěn)定，實現(xiàn)設備的良好運行。
負載影響下的張力波動 自移機尾前移下的張力波動
1.3 停機階段
對于遠距離皮帶運輸機，不應過頻地啟停，因為大皮帶運輸機啟動比較繁瑣，過程較長，影響出煤效率，而且停車過程中產(chǎn)生的巨大張力，對各個設備的使用壽命造成一定影響。停機階段會出現(xiàn)兩種狀態(tài)，一種是正常運行中的減速停車，出現(xiàn)的張力變化比較平穩(wěn)，另一種是在危險時刻的急停狀態(tài)，會出現(xiàn)很大的張力峰值，使得所用設備承受相當大的作用力，不應作為常用的停機方式。
2 自動張緊裝置的設計原理及系統(tǒng)組成
2.1 系統(tǒng)的設計原理
皮帶自動張緊裝置是一種用來隨時控制和調節(jié)皮帶張力,使得皮帶運輸機時刻處于最佳運行狀態(tài)的自動工作設備。它通過可編程控制器PLC來精確控制張緊電機的運行速度，使輸出張力產(chǎn)生變化，同時與外部張力監(jiān)測傳感器采集的數(shù)據(jù)進行比較和補償，使得實際張力與給出張力相互一致，從而實現(xiàn)皮帶張力適時給定的目的。
當給定張緊拉力大于皮帶張力時，張緊電機正向纏進(緊帶);當張緊拉力小于皮帶拉力時，張緊電機反向運行(松帶)，直至皮帶張力達到需求張力為止，電機轉速的大小取決與要求調節(jié)的張力大小。下圖為整個張緊裝置控制系統(tǒng)的設計理論：
張力傳感器采集張力F1與控制器設定張力F2比較得到ΔF，然后針對包含大慣性、大滯后及非線性摩擦的系統(tǒng)特點，通過PLC采用張力補償技術，設計了控制規(guī)律，對采集的張力進行運算處理后，以模擬量的形式把速度信號傳給ABB變頻器，變頻器控制電機速度和方向，再通過減速器傳給張緊絞車，使得外部負載張力發(fā)生變化，負載張力最后又會通過張力傳感器反饋回控制器，由此形成一個閉合控制回路。
2.2 系統(tǒng)的組成
自動張緊裝置主要由變頻調速系統(tǒng)、操作顯示系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)，以及若干監(jiān)測傳感器組成。
變頻調速系統(tǒng)內置ABB的ACS800系列四象限變頻器，采用DTC直接轉矩控制模式，實現(xiàn)對驅動電機速度和轉矩的精確控制，同時采用三菱FX-2N可編程控制器實現(xiàn)全部的順序控制、保護監(jiān)視和數(shù)據(jù)采集;操作箱主要實現(xiàn)設備的基本操作和顯示;液壓系統(tǒng)負責提供制動器工作壓力;緩沖系統(tǒng)可為瞬時出現(xiàn)的超大張力提供緩沖釋放作用，用于快速減小停機峰值張力，釋放彈性變形量，在低張力區(qū)，絞車工作，高張力區(qū)，絞車與緩沖該機構同時工作;外置多個傳感器實現(xiàn)張力和壓力數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和控制分析。
3.自動張緊裝置的特點
3.1可實現(xiàn)張力的全自動調節(jié)
自動張緊裝置可自動判斷皮帶運輸機的工作狀態(tài)，進行實時的張力調節(jié)。對于不同工況、性能的皮帶運輸機，能夠按要求設定出合適的運行張力，使得皮帶運輸機的張力不會出現(xiàn)較大波動，一直處于最佳的張力范圍，減小皮帶運輸機的功耗，降低設備承受強度的等級，減少投資和維護的費用。
3.2精度高、響應快
在皮帶運輸機運行過程中，一旦出現(xiàn)較大張力波動，自動張緊裝置立即進行張力微調，直至皮帶運輸機的張力達到要求張力的±1kN范圍以內。
皮帶運輸機在緊急停止信號發(fā)出幾秒后，會出現(xiàn)很大張力峰值，不能及時釋放出這部分沖擊張力，就有可能造成設備的損壞或人員安全的事故。自動張緊裝置可判斷出是正常停止還是緊急停車，從而做出不同的應急方案，在出現(xiàn)緊急停止情況下，立即以最大速度放松皮帶運輸機的張力，同時在配備的緩沖系統(tǒng)配合下，安全平穩(wěn)地實現(xiàn)皮帶運輸機的緊急停車。
3.3控制簡易方便
自動張緊裝置可以實現(xiàn)手動、自動兩種模式切換工作，在手動模式下，工作人員只需操作松帶、緊帶兩個按鈕，觀察顯示系統(tǒng)的張力值，即可實現(xiàn)皮帶運輸機的張力調節(jié)。在自動模式下，自動張緊裝置為無人職守狀態(tài)，只需接收皮帶運輸機的啟�？刂菩盘�，即可進入自動狀態(tài)，實現(xiàn)整個皮帶運輸系統(tǒng)的可靠運行。
4.應用
自動張緊裝置目前已應用于晉興公司斜溝礦05、02工作面、晉神公司沙坪礦、平煤安家?guī)X一號井等煤礦，證明該自動張緊裝置能夠適應不同工況、響應速度快、調節(jié)進度高、運行穩(wěn)定可靠，滿足了煤礦的生產(chǎn)需求。
5.結論
自動張緊裝置能有效地改善皮帶運輸機啟動、停止、急停，以及運行過程中的張力平穩(wěn)調節(jié)，提高了整機運行的可靠性;電控系統(tǒng)控制前景大，易于與主機控制系統(tǒng)無縫連接，容易維護，控制簡單，抗干擾能力強;響應快、精度高，可降低膠帶的強度，減少膠帶投資。因此，該變頻調速下的自動張緊裝置，非常適用于長距離皮帶運輸機的張力調節(jié)，其工作性能遠比其他類型張緊裝置更可靠、更安全。
