李梅香
(山西焦煤西山煤电机电厂, 山西 太原 030053)
带式输送机是目前最有效的输送设备之一,它广泛应用于煤矿、港口、冶金和电厂等企业。目前,带式输送机正向着大运距、大运量、大倾角等多元化方向发展。张紧装置是带式输送机的重要组成部分,其对输送机的平稳启动和正常运行起着极其重要的作用。随着我国矿井开采范围以及产量不断提升,高功率带式输送机因其高运速、大运量以及长距离特点而在煤矿井下应用不断增加[1]。然而,带式输送机易受到煤炭生产条件、使用环境等因素影响,其输送带张力容易出现较大波动并产生一定的伸缩量,严重时带式输送机还会出现打滑。
基于此,笔者针对带式输送机启动、运行以及停机等过程进行分析,通过配备张紧装置并采用变频器、异步电机来实现张紧力调节,最终达到提升带式输送机运输可靠性的目的[2]。
1.1 变频张紧装置结构组成及原理
为满足带式输送机启动和正常运行状态下所必须的足够张力和行程,使系统便于调节和控制,设计了带式输送机变频张紧装置结构,该结构包括控制柜、监测单元、机械传动单元、张紧小车等,如图1所示。
图1 变频张紧装置结构示意图
控制柜内部变频器、PLC 等是张紧力控制系统的核心控制单元,其主要功能是与其他设备进行信息通信。机械传动单元主要包括变频电机(带编码器)、减速器、机械制动器、储缆滚筒等,变频电机端头编码器将信号传输至变频器,从而使得变频器控制模式变为矢量控制;机械制动器处于常闭状态,PLC 控制电磁铁通电后可将其打开;监测单元依靠张紧传感器监测钢丝绳张紧力信号并将信号传输给 PLC,张紧小车沿轨道前后移动,实现张紧力调整。具体张紧控制过程如下。
(1) 启动准备阶段。启动前,集控中心向张紧装置发出启动准备指令,变频器启动、机械制动打开,电机驱动储缆滚筒转动收紧钢丝绳直至输送带张紧力达到预先设定值;此后驱动绞车始终处于张紧力控制状态,并向控制中心发出反馈信号[3]。
(2) 正常启动阶段。带式输送机启动时,上部输送带从机头(驱动滚筒)向机尾运动、下部输送带从机尾向机头运动,运动时间根据输送带铺设长度决定,耗时在几秒到几十秒不等。带式输送机启动初期,输送带张力会明显降低,因此要使变频电机快速响应以驱动储缆滚筒转动回收钢丝绳,使得输送带张紧力恢复至启动张紧力。
(3) 正常运行阶段。正常运行阶段,输送带需要的张紧力明显小于启动阶段,因此在带式输送机正常启动后,变频电机会缓慢反转、张紧小车会缓慢牵引,输送带张紧力预先设定斜率缓慢降低,直至张紧力降至运行张紧力;此时机械制动开启、制定弹簧锁住绞车,变频电机及变频器停止工作并处于待机状态。
(4)动态调整阶段。带式输送机运行期间,输送带张紧力会随着运输载荷、外界环境等变化而改变。张紧力可通过张力传感器进行实时监测,当超过规定阈值上限或者下限时,张紧装置在控制柜作用下动作,确保运行张紧力始终在规定范围内[4]。
(5)停机阶段。带式输送机停止运行后,变频电机缓慢反转、张紧小车沿着轨道缓慢前移,直至带式输送机张紧力降至0。
1.2 张紧装置结构分析设计
1.2.1 电机参数的确定
张紧装置是带式输送机的重要配套设备,张紧装置需要根据带式输送机运行情况合理确定最大张紧行程L、最大张紧力F。张紧装置应依据L、F合理确定内部元器件以及运行参数,张紧装置电机参数选择流程如图2所示。
图2 张紧装置电机参数选择流程
张紧装置选用的电机额定转速n=1 450 r/min,依据张紧最大行程L、启动时间t可确定张紧装置运行速度v;通过电机转速n、储缆滚筒最小半径r,可对机械传动机构传动比i进行计算,具体公式为i=nr/v;根据最大张紧力F、储缆滚筒最大半径R,可对电机扭矩T进行计算,具体公式为T=FR/i;为确保张紧装置运行安全,给定一个安全系数Sa,则确定的电机额定转Tm=TSa,通过上述参数即可确定选用的电机功率[5]。
1.2.2 张紧装置控制张力变频调节
张紧装置对张力变频的调节可通过变频器对电机运行的矢量控制调整来实现,具体如图3所示。
图3 变频器矢量控制示意图
长距离带式输送机惯性大且输送带具备黏弹性特征等问题,因此在启动过程中输送带张力峰值较高。为确保带式输送机具备较好的静、动特性,文中采用的张紧装置应依据现场运行工况确定张紧力控制策略,各运行工况下张紧力给定情况如图4所示。
图4 各工况下张紧力调整示意图
(1) 启动过程。输送带弹塑形变形发生在启动过程中,只有给输送带提供足够的牵引力才能避免输送带打滑,张紧装置应施加较大的张紧力Fs;在t1时刻启动时,输送带在驱动滚筒分离点后方变得松弛,当张紧力小于启动张紧力下限Fsd时,张紧装置在张紧力实际值Fs0位置开始按照斜率K1迅速增加,使得张紧力可快速增加至启动张紧力Fs。张紧装置在启动阶段可对输送带进行补偿,避免出现打滑或者重载无法启动等问题[6]。
(2) 工作状态调整阶段。带式输送机完成启动后进入到正常运行阶段,此阶段驱动装置主要用来克服各组成部件的摩擦力,使其不会受到惯性力作用。因此,可适当降低张紧力以减少设备磨损,提升带式输送机使用寿命。张紧装置将张紧力由Fs按照斜率K2降至Fr。
(3) 正常运行张紧力控制。正常运行阶段,张紧力控制在Fr±10%Fr范围内,运行期间张紧力上限及下限分别为Fru、Frd。张紧力在正常范围内时,张紧装置始终处于待机状态;若实际张紧力超过设定上限或者下限时,则按照斜率K2将张紧力调整至Fr,此后张紧装置继续待机[7]。
在西山煤电官地矿 3203 运输大巷构建试验平台,对张紧装置应用效果进行分析。3200 运输大巷铺设的带式输送机运输长度达到3 500 m,输送带宽度为 1 200 mm。以往带式输送机采用重锤张紧方式,其张紧力保持不变且张紧量较小,带式输送机在重载启动时易出现打滑情况且输送带磨损较为严重。安装张紧装置后,带式输送机始终保持平稳运行,张紧装置可依据带式输送机运行工况自动调整张紧力,其在满足原煤运输基础上可减少输送带、托辊以及滚筒等设备磨损;同时张紧装置张紧力调整响应时间为2.5 s以内,应用期间未出现控制张紧力超调问题,现场取得较好应用效果[8]。
文中对张紧装置结构组成、运行原理进行分析,给出电机关键参数选择流程以及张紧力控制方法。构建的张紧装置结构简单,设备性能稳定且便于后续维护。张紧装置可根据带式输送机运行工况自动调整张紧力,在启动阶段施加较大的张紧力、张紧量,以补偿启动期间长距离输送带的弹塑性变形,避免出现打滑或者重载启动困难问题;在正常运行阶段,张紧装置可将张紧力保持在合理范围内,既可满足运输需求又可减少设备磨损及能耗。官地矿3203运输大巷带式输送机应用表明,该张紧装置运行平稳,可满足带式输送机长距离运输启动以及正常运行需要,应用期间未出现重载启动困难或者打滑等问题。
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