带式输送机永磁变频自动张紧装置研究

陈仁建

（浙江中煤机械科技有限公司，浙江温州 325600）

0 引言

带式输送机因长运距、大运量等特点，广泛应用于煤矿、冶金、粮食等领域。张紧装置是带式输送机的核心组成部分，可对输送机皮带的拉伸变形进行补偿，以保证带式输送机的正常稳定运行。

国内外学者对永磁变频自动张紧装置进行了大量研究。刘飞[1]基于PLC 的自动变频控制张紧系统给出总体架构方案。董立红等[2]基于PID（Proportional-Integral-Derivative，比例积分微分）控制理论设计出张力控制系统。杨小林等[3]设计了一种集多点永磁直驱与永磁张紧于一体的智能驱动系统。宋瑾瑾[4]通过建立张紧装置各部件的数学模型，给出减少张紧装置响应时间的策略。徐孝等[5]设计出一套变频器与永磁同步电机作为驱动装置的变频调速系统。Riccardo Scattolini[6]通过研究被控对象预测模型，得出影响预测函数控制性能的因素。刘伟莲[7]提出应用永磁同步电机对输送带张力进行控制的方法。鲍久圣等[8]阐述了一种新型智能驱动自动张紧技术。李毕胜[9]比较分析了一体化内置式传动结构和2 种普通外置式传动结构。Krol R[10]研究张紧装置在不同情况下提供稳定张力，实现精准、快速调节。Tomus O 等[11]研究适用于带式输送机输送带在驱动滚筒分离点张力调节的张紧装置。宰守香等[12]创造性设计出一体化自动式张紧装置，并指出张紧装置智能化发展趋势。杨兴廷等[13]设计并介绍了变频自动张紧装置在带式输送机中的应用。杨俊宙等[14]将空间矢量脉宽调制技术应用于变频自动张紧装置。李建芳[15]使用AMESim 及MATLAB 仿真分析软件对永磁变频张紧特性进行分析。

1 液压自动张紧装置存在问题

目前，我国煤矿企业常用的液压自动张紧装置主要存在液压设备故障率高和张紧响应时间长的问题。

（1）液压设备故障率高。煤矿井下环境恶劣，会加快液压张紧设备腐蚀，其中各类阀体锈蚀，导致动作不灵敏。箱体腐蚀会使液压油缸支杆橡胶套磨损，支杆锈蚀，在伸缩时破坏油缸密封并造成漏油，损坏设备。各类密封在恶劣环境下极易损坏，导致压力不足。

（2）张紧响应时间长。液压自动张紧装置的工作原理是通过液压站进行调节，保持张紧油缸压力和皮带张紧力之间的平衡。设备启动时，驱动滚筒会拉动张紧车处的多余皮带，使张紧油缸压力减小。为增加皮带张紧力，液压站给张紧油缸供液，油缸进行收缩，带式输送机皮带张紧力增大。当带式输送机正常运行时，张紧车处剩余皮带减少，油缸压力升高，为平衡张紧力，此时溢流阀进行泄油，张紧力降低。液压张紧装置在补液、泄压、油缸伸缩等工作过程中需耗费时间，若带式输送机启动速度过快，液压张紧装置则不能满足张紧需求，会导致带式输送机发生打滑或单驱过载现象。

针对上述液压自动张紧装置存在的问题，本文对一种新型自动张紧装置进行了研究。

2 永磁变频自动张紧装置的组成

永磁变频自动张紧系统主要由监测系统、张紧绞车、控制箱等构成。监测系统主要包括张力传感器，张力传感器的作用是将测得的张力信号转换成电流信号，并将电流信号传给PLC。张紧绞车包括电气和机械两部分，电气部分主要装置磁粉制动器的作用是防止转子断电后不产生惯性转动，保证安全。控制系统是PLC，此控制系统的核心模块是CPU 模块。永磁变频自动张紧系统组或如图1 所示。

图1 变频自动张紧系统组成

3 永磁变频自动张紧装置工作原理

3.1 机械传动原理

永磁变频自动张紧装置系统原理如图2 所示，张紧小车安装在固定轨道上，永磁同步电机和电磁制动器通过联轴器与张紧滚筒连接。调节张力时，制动器关闭制动，滚筒转动使游动小车在导轨上运动，实现张力调节。当张力满足运行需求时，中控对张紧装置发出指令，制动器开启制动，游动小车保持静止，该装置处于维持张力状态。

图2 变频自动张紧系统原理

3.2 张紧装置工作原理

（1）带式输送机有启动、满速和停机三种运行状态，不同工况下张力设定值关系如图3 所示。除停机状态外，其他工况张紧力预设值的合理区间是90%～110%。张力在该区间，张紧装置不启动；超出该区间时，张紧装置开始运行，张紧力重新回到合理区间后停止运行；如果带式输送机输送带断裂，张紧力骤降为0，张紧装置立即停机。

图3 不同工况下输送带张力设定比

（2）PLC 控制系统比较张力传感器测得的张力信号和设定信号，通过计算确定输出值，从而对电机正反转和转速进行控制，实现张紧力动态调节。

（3）永磁同步电机对定子电流直轴励磁分量和定子电流交流转矩分量分别进行控制。

（4）输送机启动时，输送带会变形，需增加张紧力，将变频器设为40 Hz，张紧小车速度增加。稳定后，张紧力主要因煤堆积量变化而变化，变化很小，此时将变频器设为10 Hz，张紧小车速度减小。

4 应用优势

（1）响应迅速，张紧过程快。该张紧装置使用PLC 控制系统，具有良好的动态响应特性。当出现各种工况时，该装置响应时间短，能够减少整机达到稳定运行的时间。当输送机受到冲击载荷时，系统动态响应迅速，张紧速度快，张紧力超调量小，可避免对带式输送机造成冲击。

（2）降耗提效，延长设备寿命。该张紧装置控制系统采用了内外环双极控制结构，能够实现在不同工作状态下对张紧力的精确控制，在运量不变的情况下，可以降低皮带张紧强度要求，减少磨损，延长设备寿命。

（3）运行稳定。该张紧装置应用四象限变频器，可以实现软启动，减小对电机的冲击，并且能根据电机运行状况调整所需电源电压，实现带式输送机的稳定运行。

5 结论

永磁变频自动张紧装置控制系统包括监测系统、张紧绞车、控制系统、供电系统、冷却系统等，能够满足带式输送机在不同状态下运行。本文提出一种永磁同步电机带动绞车张紧的方案，通过PLC 控制系统，将张紧力传感器监测值与设定值进行对比，实现对输送带张紧力的快速调整，具有响应迅速、控制精确、张紧速度快、运行平稳、设备寿命长等优点。