JOY刮板输送机机尾自动张紧装置的改进及其应用

杨朝飞

（中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司，陕西 神木 719315）

1 概述

煤矿综采工作面刮板输送机工作过程中，因采煤机截深，采煤机截割速度，以及液压支架推溜等因素导致刮板输送机输送的负载发生变化，负载的变化使得刮板输送机链条张力发生变化，会出现链条时松时紧。当链条过松时，链条不能与链轮顺利啮合、脱开，容易出现堆链和刮卡现象，造成链条非正常磨损和断裂，加速刮板和链条的磨损；当链条过紧，刮板链运行阻力增大，运行功率增大，造成设备启动困难，同时加速了链轮的磨损，增加了切链次数。

为了保证刮板链的正常运转，提高刮板输送机溜槽、链轮、刮板和链条的使用寿命，尤其是大功率、长运距的刮板输送机输送机，就必须有安全、高效、可靠的刮板输送机机尾自动张紧装置（以下简称自动张紧装置），用于拉紧刮板链，控制链条的张紧力，能够使刮板链适应负载的变化，使链条工作在适度松紧状态中。

2 国内外现状

国内外的重型刮板输送机均配置了自动张紧装置，具有手动和自动两种工作状态，下面介绍几种国内外的典型自动张紧装置。

2.1 国外典型的自动张紧装置

（1）美国JOY公司的刮板输送机链条动态张力控制系统（DCC），主要由载荷检测装置（包括载荷检测块、载荷传感器）、信号处理器、可编程控制器（PCU）、系统压力传感器、张紧油缸位移传感器、电磁阀、控制电缆、电源、液压控制阀、节流阀、安全阀、单向阀、液压胶管和接头、压力表、张紧油缸等零部件组成。

工作原理：

刮板输送机运行时，安装在机尾架上的载荷检测装置与将实时检测机尾驱动上链道刮板链张力（靠刮板与机尾弧形压链板上载荷检测块的接触来实现），并将载荷传感器检测到的信号传送到信号处理器。该信号被信号处理器转换成与链条实际动态张力对应的4-20mA的信号，4-20mA的信号被传送到可编程控制器（PCU）。

可编程控制器（PCU）将检测到的张力值与用户预设的张力值进行比较，如果检测到的张力值大于预设的张力值时，可编程控制器（PCU）将通过电磁阀控制张紧油缸按照预先设定的步距缩回，减小链条张力。同时位移传感器将油缸伸出量传递到可编程控制器（PCU）并同步显示。如果检测到的张力值小于预设的张力值时，可编程控制器（PCU）将控制电磁阀使张紧油缸伸出，增大链条张力值。当刮板输送机停止时，可编程控制器（PCU）使张紧油缸伸出预先设定的步距，使链条预张紧，为刮板输送机下一次起动作准备。位移传感器主要控制张紧油缸的伸缩量，同时，避免张紧油缸过度伸缩。

（2）德国CAT公司的PMC-R链条张紧系统，主要由压力传感器、张紧油缸位移传感器、PMC-R控制器、电磁阀组（集成电磁先导阀和二位三通阀）、控制电缆、电源、球型截止阀、过滤器、节流阀、单向阀、安全阀、液压胶管和接头、压力表、张紧油缸等零部件组成。

工作原理：

PMC-R控制器处于手动控制状态时，主要根据人为经验手动操作按PMC-R控制器上按键来控制电磁阀组（电磁先导阀动作后使二位三通阀动作）来实现对刮板输送机张紧油缸的供液，使张紧油缸伸出或缩回，从而调节链条的张力；处于自动控制状态时，首先，接收到刮板输送机启动信号，先进行预张紧（预张紧过程可以设置为跳过），PMC-R控制器通过压力传感器检测张紧油缸无杆腔的压力，并将检测的压力值与预设的压力值进行比较，当小于预设的压力值时，对张紧油缸无杆腔充液，油缸无杆腔压力增加，油缸活塞杆伸长，直到张紧油缸压力达到预设的压力值，并达到最小预张紧行程为止，此时预张紧过程结束。当大于或等于预设的压力值时，油缸有杆腔和无杆腔均不充液，张紧油缸无动作。其次，收到刮板输送机启动信号后，开始动态张紧过程，如果检测的压力值偏离目标压力给定的压力范围（即设定的控制压力范围），则调整张紧油缸的伸缩使得检测的压力值重新达到目标压力。位移传感器主要控制张紧油缸的伸缩量，同时，避免张紧油缸过度伸缩。

2.2 国内典型的自动张紧装置

（1）张煤机（中煤张家口煤矿机械有限责任公司）的自动张紧装置，主要由压力传感器、行程开关、主控箱、电液控换向阀组、控制电缆、电源、过滤器、截止阀、单向阀、液压胶管和接头、压力表、张紧油缸等零部件组成。

工作原理：电气控制系统根据张紧油缸压力传感器提供的信号，按编好的程序，向液压系统发出指令，进行紧链或松链操作，通过电气系统不间断地实时对刮板链工作状态的参数进行监测，及时对刮板链的张紧力进行调整，使刮板链的张力一直处于设定的正常工作范围内。位移传感器行程开关主要限制张紧油缸的伸缩量，避免张紧油缸过度伸缩。

（2）奔牛公司的自动张紧装置，主要由压力传感器、张紧油缸位移传感器、主控箱、电磁阀、液控先导阀、控制电缆、电源、过滤器、截止阀、单向阀、液压胶管和接头、压力表、张紧油缸等零部件组成。

工作原理：采用西门子S7-300矿用安全型CPU，通过压力传感器检测张紧油缸无杆腔的压力来判断链条的张力状况，根据压力是否处于限定压力的范围，来实现调节链条的张力，若大于控制值的上限，张紧油缸缩回，若小于控制值下限，张紧油缸伸出。位移传感器主要检测张紧油缸的伸缩量，使张紧油缸工作在有效的行程范围内。

另外，奔牛在神华宁煤石槽村矿成功研制、应用了1套通过调压阀来实现限定压力的范围的自动张紧装置，这样可以省去电控系统，系统简单，操作、维护简单方便。

3 国内外典型自动张紧装置优缺点对比

张煤机自动张紧装置，无位移传感器，无法监控张紧油缸的控制量，但由于压力设置与实际工况关联性差，且元器件和零部件可靠性差，一般使用换手动操作。

奔牛自动张紧装置的控制系统和CPU选用西门子产品，其余零部件选用国产产品，成本较低，但由于限定压力设置与实际工况关联性差，一般需切换手动操作。

JOY自动张紧装置，配有载荷传感器，检测点多，但存在载荷传感器可靠性差，无法达到准确的监测效果，系统维护复杂。

CAT自动张紧装置基本实现了工作状态下的自动张紧控制，有效延长了刮板输送机刮板链和中部槽的使用寿命。

综合比较， CAT自动张紧装置能够稳定实现自动张紧功能，JOY、张煤机、奔牛等不能稳定的实现自动张紧功能，且零部件质量相对较差，从原理上讲，CAT、张煤机、奔牛相类似，从配置上讲，JOY和CAT配置1根张紧油缸，张煤机和奔牛一般配置2根张紧双油缸，JOY和CAT系统相对复杂，功能多。但在实际使用中投入功能较少。从逻辑控制程序上，JOY、CAT、张煤机、奔牛均不同，JOY主要是将载荷传感器检测值，电机平均电流和电机平均功率（以此判断是否轻载还是重载），张紧油缸的压力，张紧油缸的伸缩量（设置有停机时，张紧油缸的伸缩量和每次动作伸缩量值）、张紧油缸动作时间作为逻辑程序的主要参数，CAT主要是将张紧油缸的压力，张紧油缸的伸缩量、张紧油缸动作时间作为逻辑程序的主要参数，张煤机主要是将张紧油缸的压力，张紧油缸的最大和最小伸缩量作为主要参数，奔牛主要是将张紧油缸的压力和张紧油缸的伸缩量作为主要参数。

4 JOY自动张紧装置的改进

从以上的论述，不难看出，CAT自动张紧装置的自动运行状态能够满足使用要求，张煤机和奔牛自动张紧装置基本处于手动操作状态，无法实现自动运行状态，而JOY自动张紧装置可以通过改进后，使其能够实现稳定的自动运行状态。

4.1 存在问题

神东煤炭集团综采工作面大量地使用了JOY刮板输送机，而JOY刮板输送机机尾自动张紧装置因载荷传感器不耐用、系统不稳定等原因一直不能在神东煤炭集团推广使用。因刮板输送机链条张力检查不到位而导致馈链、断链的事故时有发生，使故障停机率进一步升高，为了彻底遏制上述机电事故的重复发生，就需要对JOY自动张紧装置进行优化设计，以便实现链条工作在适度松紧状态，以保证链条正常运转。

4.2 关键技术

针对JOY刮板输送机的运行情况，结合实际实际工况，为了使得自动张紧张紧装置起到提高工作效率高，降低工人劳动强度，通过充分调研，主要攻关以下几个方面的技术问题。

（1）载荷传感器

载荷传感器是该装置的核心零部件，其能否准确检测刮板链的张力，能否可靠运行显得尤为关键。为了能够更好使载荷传感器检测到刮板链的张力，对载荷传感器进行了重新选型设计，并调整了数量，由原来的一用一备改为安装一个。对载荷传感器的外形进行了改变，由原圆盘形改为圆柱销形，见图1和图2。为了保证质量，该件选用国际知名品牌，并通过现场模拟的3个载荷周期测试，每个载荷周期模拟1600万次。

图1 盘形载荷传感器示意图

图2 圆柱销形载荷传感器示意图

（2）弧形压链板

图3 新弧形压链板局部示意图

由于载荷传感器数量和形状发生了变化，重新设计了弧形压链板，见图3。新设计的弧形压链板组件上只能安装1个载荷传感器，加装了1个温度传感器，其中，1个处理链条张力信号，1个处理温度信号；原弧形压链板组件上安装有2个载荷传感器，其中1个工作，1个备用，2个信号处理器均为处理张力信号。

原结构为：当刮板与载荷检测块接触时，载荷检测块直接来自刮板产生的压力直接传递给载荷传感器；新设计结构改为：将载荷检测块一端通过铰接销固定在弧形压链板上，另一端通过作用臂托架和载荷传感器固定在弧形压链板上。这样的结构带来的好处就是：载荷传感器可以更准确的检测压力，缓冲刮板链的惯性力。

（3）温度传感器

由于载荷传感器频繁动作，容易因高温损坏，为此，加装了可靠的PT100温度传感器。

（4）冷却系统

为了起到降低载荷检测块温度的作用，防止载荷传感器受高温损坏，在弧形压链板上加装循环冷却水系统。

（5）电缆保护套

原装置中，载荷传感器电缆和温度传感器常常因为煤块的挤压、磨损而失效，导致传感器检测的信号无法反馈到信号处理器和可编程控制器（PCU），致使自动张紧装置失效，为此，设计加装了保护罩。

（6）软件

由于载荷传感器的结构形式和数量发生了变化，对自动张紧可编程控制器（PCU）和信号处理器进行了系统升级改进，并更换了内部芯片。

5 改进应用情况

为了能够更好地验证改进后的JOY自动张紧装置的使用效果，先后改进了2套。应用情况如下。

第一套JOY自动张紧装置于2011年5月份在神东煤炭集团补连塔矿12406工作面使用，2012年2月份该工作面刮板输送机直搬至12407工作面，2012年8月份回撤，累计推进长度6340米，过煤量1243万吨。其中，12406工作面推进长度3450米，过煤量718万吨；12407工作面推进长度2890米，过煤量525万吨，两个工作面长度均为300米，运行期间达到了自动张紧的效果。

第二套JOY自动张紧装置于2012年11月份在神东煤炭集团补连塔矿12408工作面使用，2013年4月份回撤，工作面推进长度2821米，过煤量494万吨，工作面长度300米，运行期间达到了自动张紧的效果。

运行期间，12406工作面使用初期，出现载荷传感器因高温频繁损坏，后经加装冷却系统后基本正常；共出现4次载荷传感器检测的链条张力与链条实际张力存在误差，导致断刮板，后期通过每周校验一次链条张力，保证了自动张紧的正常运行。

在整个的运行过程中，该套装置实现了稳定的自动张紧链条的功能，减少了链条、刮板、链轮磨损，延长了使用寿命，从原来每天手动检测链条张力改为每周检测链条张力，减轻了劳动强度，提高了工作效率，满足了实际生产要求。

6 未来自动张紧装置的展望

6.1 自动张紧装置的关键因素

（1）刮板链张力检测系统，它的准确性和稳定性直接决定了张紧油缸动作的准确性。

由于刮板输送机机尾为可伸缩机尾，由伸缩机尾架和固定架组成，在刮板输送机运行过程中，可伸缩机尾的位置取决于张紧油缸的伸缩量，所以张紧油缸的无杆腔的压力可以间接的反映刮板链对机尾架的受力情况，而机尾架的受力来源于刮板链，所以检测并调整张紧油缸的压力可以实现对刮板链张力的调节。检测张紧油缸的压力并不能直接反映刮板链的张力，所以需要建立两者的模型关系，这是目前应用的难点。

另外，在检测刮板对弧形压链板作用力的检测系统中，由于刮板链在运行过程中刮板会对刮板机输送机机尾架上的弧形压链板施加一个周期性的力，所以检测弧形压链板的受力情况，可以间接的得知刮板链的张力。但是，由于检测的是周期受力情况，在检测过程中，因震动、高温导致检测装置寿命短。

（2）动作机构，它的响应性和可靠性直接决定了张紧的效果。

目前，通过可伸缩机尾架来调整刮板输送机机头、机尾链轮中心距来实现调整刮板链张力，而实现可伸缩机尾架的伸缩的动力源为张紧油缸，显而易见，张紧油缸的可靠运行也很关键，另外，也不能忽视伸缩机尾架在固定架上的顺畅滑动。

（3）逻辑程序，它的简单、可靠、稳定性直接决定了自动化的程度。

由于刮板输送机运行过程中，工况十分复杂，存在着工作面起伏、片帮、刮卡、跳链及各种原因造成瞬时的过载等现象，所以要求逻辑程序合理，参数设置简单，否则很难达到理想的张紧效果。

6.2 展望

从以上的分析可以看出，目前虽然有着各种各样的自动张紧装置，但没有一个可靠性极高，方面简单，维护简单的真正意义上的自动化自动张紧装置。

目前，国内各刮板输送机生产厂家的自动张紧装置还是仅仅从刮板输送机本身出发，未充分考虑如何使得自动张紧装置可靠运行。国外先进国家的刮板输送机生产厂家已经将采煤机的位置作为检测数据，作为判断刮板链张紧的条件之一，如CAT。

综上所述，未来自动张紧装置有着以下发展方向：

（1）紧跟综采工作面无人自动化发展趋势，将实现自动张紧装置应将采煤机的位置和电流、液压支架推移油缸行程、刮板输送机电流、链轮（或是减速器、电机）转速等相关参数作为判断刮板链张紧的条件，实现工作面各种数据集中远程控制，具备远程手动或自动张紧功能。

（2）实现动态检测链条的张力。目前的检测方法都是间接的检测，即根据检测结果，结合累计的经验值推算链条的张力。建议研究在接链环上直接安装压力传感器，通过红外接收接收器或是雷达接收器实现对接链环上的压力传感器数据的采集，实现准确地检测刮板链张力。

（3）与变频驱动刮板输送机紧密结合。由于变频驱动刮板输送机可以实现低速大扭矩启动，启动电流小且平稳，容易实现自动化控制，有利于自动张紧装置的长期稳定运行。

结语

随着工作面的铺设长度越来越长，刮板链的张紧就显得尤为重要，而且自动化也是发展趋势，本文在对目前国内外的介绍、分析基础上，研究分析了JOY自动张紧装置的改进设计，改进后的装置应用良好，达到了改进的目标，为自动张紧装置发展提供实践经验，同时，展望了未来自动张紧装置的发展方向，希望这些能成为自动张紧装置的技术发展的参考，尽快促使行业研制出可靠性高，控制方式简单，检修维护方便的自动张紧装置。

[1]杨刚雷，赵勇.刮板输送机伸缩机尾自动控制系统设计[J].煤矿机械，2009，30（08）.

[2]李德军，张德林，袁进南.刮板输送机链条监控调整装置的应用[J].煤矿机械，2011，32（08）.