带式输送机尾部驱动力自动调节装置设计

冯耀东

(国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 矿山机械制造维修分公司，宁夏 灵武 750409)

带式输送机是通过滚筒与胶带之间进行连续摩擦驱动实现快速、稳定运输货物的机械设备，是矿山行业常用的煤炭运输设施。目前，运行过程中的带式输送机经常会发生打滑或跑偏现象，从而导致运输系统中断，发生该故障时需及时停机处理，否则对整个输送系统造成严重的损害。带式输送机发生打滑后，会造成物料堆积，物料堆积严重时会磨损胶带甚至会造成电机发热烧坏[1]，从而给企业造成经济损失。造成打滑的原因有很多，主要有输送机过载、胶带张紧力不足、驱动滚筒包胶磨损、托辊损坏以及落料处大量堵料等[2]。根据国家能源集团宁夏煤业有限责任公司(简称“宁夏煤业公司”)各煤矿单位反馈，带式输送机在长距离输送时，容易出现打滑，主要由于尾部驱动出力小于回程胶带的全部运行阻力，从而造成滚筒与胶带之间产生间歇式打滑，打滑会造成驱动滚筒包胶磨损，从而进一步加剧带式输送机打滑现象。通过查阅国内外相关文献资料发现，解决尾部滚筒与胶带打滑的现有技术是通过安装张力传感器检测胶带张力，根据胶带张力大小来调节胶带张紧度，实现制止打滑[3]。但是，采用此技术进行胶带调节具有一定的滞后性，尤其在长距离输送时，张力调节达到所需效果之前的这段时间仍然存在打滑，仍然对尾部滚筒和胶带造成损伤。

为了解决上述技术问题，本文研究设计一种带式输送机用张力检测调节装置，实现带式输送机自动调节尾部驱动力，确保尾部驱动出力约等于回程胶带的全部运行阻力，并确保尾部滚筒在任何工况下启动运行时不会出现打滑现象。

1 尾部驱动力自动调节装置组成及工作原理

通过研究分析滚筒与胶带之间打滑现象，导致出现打滑现象的主要原因是当带式输送机的回程胶带的运行阻力增大时，未及时降低带式输送机尾部电机转速，增加尾部驱动力，导致带式输送机尾部驱动滚筒的驱动力小于回程胶带的运行阻力，从而造成滚筒与胶带之间出现打滑现象。针对此现象，决定在带式输送机尾部加装一个张紧检测调节装置，实时检测带式输送机胶带张力，根据检测张力大小及初期设定的张力区间段进行实时调节变频器来控制电机转速，进一步调节尾部驱动力，实现带式输送机的速度、张力双闭环控制策略，减少带式输送机系统出现胶带打滑故障，提高滚筒和胶带的使用寿命。

带式输送机尾部驱动力自动调节装置主要由张紧检测装置和监测反馈控制系统组成。其中张紧检测装置是安装于普通带式输送机(如图1所示)的尾部滚筒与上改向滚筒之间承载胶带之上，并固定于尾部机架上(如图2所示)，从而实现实时监测运行过程中带式输送机承载胶带的张力，更好的将检查张力数值反馈于控制系统，从而更加准确的控制驱动滚动的转速，进而控制带式输送机的驱动力。

图1 普通带式输送机尾部结构

图2 加装张力检测装置的带式输送机尾部结构

监测反馈控制系统(如图3所示)由控制器、变频器、编码器及压力传感器等组成。利用压力传感器实时采集承载胶带的张紧力，并通过数据信号线将采集的压力信息及时传送至控制器，并根据已设定的驱动滚筒转速与压力传感器检测值的关系，控制器及时做出下一步指令，控制电机转速调节胶带速度；该控制系统中还加装了编码器，可形成胶带速度和张力的双闭环控制。

当张力过小，达到滚筒与胶带发生打滑的条件时，控制器接收到压力信号后，将降低变频器电流，进一步降低传动电机的转速，从而减少尾部传动滚筒空转现象，避免滚筒与胶带的无效摩擦，减少二者损伤，提高尾部滚筒与胶带的使用寿命。当张力逐渐增大时，控制器接收到压力信号后，将增大变频器电流，进一步提高传动电机的转速，使其与张力相对应。

图3 控制系统设计

2 张紧检测装置的设计及理论计算

2.1 张紧检测装置的结构设计

本文所设计的张紧检测装置主要包括铰接安装座、压力连杆、安装架、张力检测滚筒和压力传感器如图4所示。张力检测滚筒安装于安装架上，安装架固定在压力连杆上；压力连杆的一端与铰接安装座(固定于尾部机架顶部)铰连接，压力连杆的另一端与压力传感器(固定于尾部机架顶部)进行配合检测。

图4 张力检测装置结构

该张力检测装置安装于普通带式输送机尾部的机架上，并将承载胶带依次绕过改向滚筒、张力检测滚筒和尾部传动滚筒，可以更加精确的实时检测运行过程中的带式输送机承载胶带的张力。

2.2 压力传感器检测值与胶带承载力的关系计算

对张力检测装置处进行受力分析，如图5所示。在张力检测滚筒处，承载胶带存在两个延胶带走向且方向相反的张紧力F1、F2；从而对张力检测滚筒有一个向上且指向滚筒轴线的压力P2；通过张力检测装置的铰接结构和安装架，将压力P1传输至压力传感器检测处，即压力传感器检测值P。

图5 张力检测装置处受力分析

根据带式输送机尾部结构设计图，可设张力检测装置结构中的压力连杆Q1Q3的长度为L，张力检测滚筒安装于压力连杆中心正下方则Q1Q2的长度为L/2，并设∠T1C2O2为θ。

张力检测装置中的压力连杆处受力分析可知：

经过对张力检测滚筒与承载胶带交接处的受力分析可知：

P1=2·F1·cosθ

(2)

P1和P2是一对大小相等方向相反的作用力与反作用力，联立式(1)和式(2)可求得：

承载胶带的张紧力为：

根据尾部滚筒、张力检测滚筒及改向滚筒之间的相互位置关系，可设尾部滚筒与张力检测滚筒中心距O1O2为L1，张力检测滚筒与改向滚筒中心距O2O3为L2，尾部滚筒与改向滚筒中心距O1O3为L3；进一步设尾部滚筒的半径为R1，张力检测滚筒的半径为R2，改向滚筒的半径为R3，并根据图5可计算得：

联立式(3)、式(4)、式(5)可求得：

将θ值代入式(3)可求得，承载胶带的张紧力F与压力传感器检测值P及带式输送机尾部结构设计尺寸之间的关系如下：

以宁夏煤业矿山机械制造维修分公司生产的DTL120带式输送机为例，该型号带式输送机的尾部驱动装置所配置的尾部滚筒为∅1250mm的双出轴传动滚筒(即R1=625mm)、张力检测滚筒为∅650mm的普通滚筒(即R2=325mm)及上改向滚筒为∅500mm的改向滚筒(即R3=250mm)。该公司所设计的DTL120带式输送机尾部驱动装置中驱动滚筒与张力检测滚筒的中心距为1565mm，即L1=1565mm；张力检测滚筒与上改向滚筒的中心距为1575mm，即L2=1575mm，驱动滚筒与上改向滚筒的中心距为2960mm，即L3=2960mm。将该公司所设计的DTL120带式输送机的尾部驱动装置的结构设计参数代入式(7)可得：压力传感器检测值P=0.17F。

3 自动调节尾部驱动装置控制系统模型

3.1 尾部驱动装置控制模型

以DTL120带式输送机为例，该胶带机采用三驱动方式(头部双驱动、尾部单驱动)(如图6所示)。

图6 DTL120带式输送机的三滚筒驱动关系

对尾部驱动III处进行受力分析，并查阅《DTII(A)型带式输送机设计手册》[4]可知，为保障带式输送机正常工作时不出现打滑现象，带式输送机尾部实际运行过程中承载胶带的张紧力满足以下条件：

FU=F4-F=(eμφ-1)F

(8)

式中，F、F4为带式输送机尾部f和e处的胶带张紧力；FU为带式输送机尾部驱动Ⅲ处驱动滚筒对胶带的圆周驱动力；μ为驱动滚动与胶带间的摩擦系数；φ为胶带在驱动滚筒上的围包角。

带式输送机的驱动滚筒轴功率：

式中，v为胶带输送速度；PM为电机功率；η为传动效率；η′为电压降系数，一般取0.90～0.95；η″为多电机驱动不平衡系数，一般取0.90～0.95。

DTL120带式输送机采用的三滚筒驱动方式，均采用500kW变频永磁电机，则传递效率η取1，电压降系数η′取0.93，多电机驱动不平衡系数η″取0.92。本文取摩擦系数μ为0.35，该型号DTL120带式输送机尾部驱动Ⅲ滚筒处的围包角φ为205°，则本文欧拉系数eμφ为3.5[5-9]。将式(8)和式(9)联立可得尾部驱动装置控制模型中的压力传感器检测值与电机转速的关系函数n(P)，其关系式如下：

3.2 自动调节控制算法

首先，要根据矿方使用要求对带式输送机进行整体设计，并计算出所设计带式输送机的关键尺寸，为尾部驱动装置控制模型提供可靠数据；根据张紧检测装置的压力传感器实时检测数值，确定当前带式输送机实际需求驱动电机的输出转速[10-13]。其次，为了避免因输送煤量实时变换导致电机实时调速现象，建立预测尾部驱动装置控制电机转速数据模型，将实际需求驱动电机转速与预测模型预测数据进行对比，输出恒定转速[14-18]。具体自动调节控制算法如图7所示。

图7 自动调节控制基本流程

4 系统运行效果及分析

装有尾部驱动力自动调节装置的带式输送机已在宁夏煤业金家渠煤矿实施运行。为了更好的验证该尾部驱动力自动调节装置的监测精准性、反馈调节及时性及有效性，对该矿运行的带式输送机相关数据进行长期采集及数据分析。本文随机选取2022年6月9日00：00—24：00时间段该尾部自动调节装置采集的数据进行仿真，其结果如图8、图9及图10所示。

通过图8和图9分析可知，尾部驱动装置胶带的张紧力与压力传感器监测值成线性关系，可以精准的实时检测出胶带的张紧力，从而更好控制电机转速；再与图10进行对比分析，带式输送机尾部驱动电机的转速根据尾部驱动处胶带运行过程中实时变化的张紧力进行调节的，并且在一定范围内进行调节电机转速的，更好的保障带式输送机运行的稳定性及高效性[19，20]。

图8 张紧装置的压力传感器实时监测值

图9 尾部驱动处胶带远行过程中实时张紧力模拟图

图10 尾部驱动电机转速监测值

5 结 语

在分析带式输送机打滑原因的基础上，对实时调节匹配电机转速与实际运输煤量关系的研究基础上，提出并设计出一种带式输送机尾部驱动力自动调节装置，该装置包括张紧检测装置和监测反馈控制系统。本文设计的张紧检测装置适用于所有带式输送机尾部驱动机构，可实时检测带式输送机胶带张力，根据检测张力大小及初期设定的张力区间段进行实时调节变频器来控制电机转速，进一步调节尾部驱动力，确保尾部驱动力等于回程胶带的运行阻力，更好的保障带式输送机运行的稳定性及高效性。本文所设计的带式输送机尾部驱动力自动调节装置可实现带式输送机的速度、张力双闭环控制策略，减少系统的故障，确保尾部传动滚筒在任何运行时不会出现打滑现象，提高滚筒和胶带的使用寿命，对降低企业运营生产成本具有很高的应用价值。