长距离大型带式输送机张紧装置研究

雷春福

（山西汾西正文煤业有限责任公司，山西 孝义 032302）

随着矿井采掘生产范围的不断增加，带式输送机铺设长度、运载量以及功率等均随之不断增大[1]。装机功率在1 000 kW 以及运输距离超过2 000 m 以上的大型长距离带式输送机应用更为普遍。为提高带式输送机驱动能力以及运载量，带式输送机一般通过多机驱动[2-3]。带式输送机在驱动力、负载等影响下，输送带长度、张紧力等会出现一定变化，从而导致滚筒与输送带间摩擦力出现波动，严重时会导致输送带打滑甚至发生火灾事故，给矿井生产安全以及运输效率等带来制约[4-5]。张紧装置是确保输送机张紧力稳定的主要装置，其主要作用为给输送带提供足够张紧力避免出现打滑，给输送带蠕变进行补偿，降低冲击载荷影响，给输送带接头提供一定行程，降低运输物料洒落量以及输送带磨损程度等[6]。依据现场实际需要自动调整输送带张紧力对增强带式输送机运行可靠性以及效率等均有显著的促进意义，文中结合以往研究成果对带式输送机张紧装置展开研究，以期更好地促进矿井运输工作开展。

1.1 张紧装置结构

采用张紧装置可为带式输送机输送带提供足够的张紧力，避免输送带与滚筒贴合位置出现张紧力过小，引起打滑；
同时可确保邻近两托辊间输送带有足够张力，避免输送带出现悬垂量过大或者过度松弛等情况，降低输送带上物料抛洒量；
给输送带合适的张紧力可在一定程度上减少输送带磨损量。矿井常用的张紧装置按照结构类型可分为重锤式、固定式以及自动拉紧式等，自动拉紧式是现阶段矿井带式输送机拉紧控制的主要类型[7-9]。

研究对象选择山西某矿南三采区运输巷内布置的带式输送机，该带式输送机铺设长度2 690 m、输送带宽度1 600 mm、额定运载量1 500 t/h，采用机头双电机驱动方式，电动机功率均为800 kW，单台电机均配备有1175NRT 低速逆止器、4×SHI251-2300 防爆盘形制动器。根据该带式输送机结构并结合以往研究成果，提出的自动张紧装置结构如图1 所示。

图1 自动张紧装置结构示意图

自动张紧装置结构包括有支撑支架、钢丝绳、滚筒、永磁变频电机以及绳轮组等，拉紧力的提供通过永磁变频电机实现，电机运行可靠性及稳定性等会直接影响自动张紧装置张紧力提供效果以及张紧力控制精准度。自动张紧装置电控系统是实现装置运行控制的核心，结构包括有变频调速控制器、隔爆操作箱、张力传感器等，用以对带式输送机输送带各个时期张紧力进行监测，并自动控制张紧装置运行。采用的张力传感器型号为ETG 型，该传感器额定工作电流、电压分别为0.03 A、10 V，可满足带状、条状以及线状物体张力监测需要；
床干起辊面直径、长度分别为60 mm、450 mm，检测信号经调理电路后可输出4～20 mA电流信号或者0～10 V 电压信号，测量误差控制在1%以内，可实现输送带张紧力精准检测。

1.2 运行控制

带式输送机输送带张紧力变化与工作阶段有密切关系，为简化分析过程，依据带式输送机主要工作状态差异，将张紧力调节控制分为初期启动阶段、启动至正常运行阶段、正常运行阶段3 个部分。

1）初期启动阶段。此阶段运行时拉紧力控制系统发出信号，确保张紧装置提供的张紧力稍微高于正常张紧力，避免在初期启动阶段输送带出现跑偏、打滑等故障。一般情况下，在初期启动阶段张紧装置提供的张紧力应为正常张紧力的1.4～1.8 倍。

2）启动至正常运行阶段。在此阶段范围内张紧装置提供的张紧力逐渐向正常值调整，当带式输送机正常运行后，张紧装置提供的张紧力应降至正常张紧力。

3）正常运行阶段。在此阶段运行时张紧装置提供的张紧力应确保输送带平稳运行；
当输送带受到的张紧力偏低时，控制系统应发出控制指令，适当增加张紧装置提供的张紧力，确保输送带受到的张紧力始终处于正常范围内。

带式输送机在重载、轻载、静载以及动态工况下对张紧力要求有一定的差异，在实际控制过程中带式输送机运行工况与张紧力设定对比结果如图2 所示。

图2 带式输送机运行工况与张紧力设定对比结果

张紧装置张紧力调节依靠永磁同步电机实现，电机运行通过矢量控制系统，系统包括有内外环联级结构。通过传感器监测电机实际转速，对比分析实际转速与期望转速并得到转速差；
通过PID 控制器按照期望转速相对应的期望电流（iqref）；
对比分析期望电流（iqref）、实际电流（is）得到电流差（i△），通过不断调整实际电流确保电流差（i△）=0；
电机输入电流通过逆变转换、SVPWM调节后得到精准控制量，张紧装置依据实际需要调节张紧力。

2.1 模拟分析

采用Matlab 软件对比分析传统张紧力控制装置与文中所述永磁变频控制张紧装置，具体启动阶段模拟对比结果见图3。从图3 中看出，采用文中所述在对张紧力进行自动控制时，在启动阶段张紧力会首先有所降低，经过0.5 s 后张紧力缓慢增加，永磁变频控制张紧装置张紧力缓慢增加，时间较传统的液压张紧装置提前约2.0 s；
启动12 s 输送带张紧力达到预先设定值，而传统的液压张紧装置耗时约为26 s，张紧力稳定时间减少约14 s；
永磁变频控制张紧装置、液压张紧装置张紧力最大超调量分别为0.48 kN、0.92 kN，表明永磁变频控制张紧装置张紧力控制更为精准。从Matlab 模拟结果看出，永磁变频控制张紧装置张紧力调节响应速度更快，张紧力曲线变化更为平稳，可更好地满足带式输送机张紧力控制需要。

图3 Matlab 模拟结果

2.2 现场应用效果分析

在山西某矿3500 运输大巷带式输送机上使用文中所述张紧力控制装置，对张紧力控制装置硬件以及通信系统进行构建，具体现场情况如图4 所示。现场应用表明，采用永磁变频控制张紧装置后，张紧力控制耗时缩短约7.5 s，控制误差降低约18%，超调量降低约2.9%。永磁变频控制张紧装置现场运行平稳，在监测期间未出现任何故障，同时可依据带式输送机运行控制需要自动调节张紧力，现场应用后，可有效提高带式输送机张紧力调节速度以及精度，提高煤炭运输效率。

图4 装载永磁变频控制张紧装置带式输送机的现场应用情况

随着带式输送机铺设长度、负载量等不断增加，带式输送机工作条件更趋复杂，为提高长距离大型带式输送机可靠性及稳定性，文中在以往研究成果基础上结合工作经验提出一种自动张紧控制装置，该装置动力源为永磁同步电机，并依靠传感器监测结果根据需要自动调整张紧力。

采用Matlab 软件对比分析传统的液压张紧装置与永磁同步电机张紧装置应用效果，发现永磁同步电机张紧装置在张紧力响应速度、控制精度以及超调量等方面均表现出明显优势。现场应用后，永磁同步电机张紧装置可满足井下大型带式输送机张紧力控制需求，在一定程度上提升带式输送机运行可靠性。

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