液压自动张紧装置在长距离皮带运输机中的运用

霍宏赡

(山西西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西 古交 030200)

0 引言

皮带运输机作为煤矿中最重要的大型煤炭运输设备，近年来一直向着长距离、大功率、多驱动、高带速方向发展[1]。但随之而来的张力不足、响应速度慢、经常发生传送带打滑、断裂等问题没有得到很好的解决。张紧装置作为提供运行张力的重要组成机构，其高效、稳定的运行对于提高长距离皮带运输机的工作性能和可靠性具有至关重要的作用。

目前常见的液压张紧装置大多采用分段式的独立设计，将张紧过程划分为启动、正常运行、制动和停止等不同阶段，针对每个阶段设置固定的张力范围，当运输机张力不在正常范围时再通过系统进行相应调节。这种基于静态的设计无法根据运量对张力进行实时调整，且调节精度较差，经常会出现余量过大或不足的现象，导致传送带出现张紧过度、高周疲劳、消耗过大等问题。因此，本文提出了一种基于PLC的动态液压张紧装置系统，可根据运量自适应调节张紧力，并实时监测运行状态，其响应速度快，跟踪精度高，克服了传统张紧系统的缺点，对于提高皮带运输机的智能化水平具有重要意义[2]。

1 系统总体设计方案

1.1 系统架构

本文设计的皮带运输机液压自动张紧系统主要由三部分组成。第一部分为液压系统，主要由液压站、缓冲油缸、蓄能器和张紧力产生设备中的部分设备组成[3]。张紧力产生设备主要由张紧电机、慢速绞车和制动器构成，用于为运输机提供运行张力，其中张紧电机和制动器属于液压系统。缓冲油缸用于缓解传送带运行过程中所产生的振动和松弛，具有自动和手动两种工作模式[4]。第二部分为电控系统，本系统采用PLC对张紧电机输出转矩进行控制，并通过张紧力传感器实时反馈张力值，实现不同运行状态下运输机张紧力的动态调节。电控系统是用于本自动张紧系统逻辑判断和张力输出的核心部分，控制程序与算法全部在电控系统内运算完成。第三部分为机械系统，主要由张紧小车、钢丝绳、导向滑轮和慢速绞车等组成。慢速液压绞车用于执行系统的张紧动作，可实现大范围的传送带张紧调节[5]。钢丝绳和导向滑轮用于连接各执行元件，传送带的松紧调节可通过液压绞车对钢丝绳的正反向缠绕实现。液压自动张紧系统总体结构如图1所示。

1-传送带；2-张紧小车；3-导向滑轮；4-小车轨道；5-张紧力传感器；6-蓄能器；7-缓冲油缸

1.2 系统控制原理

图2为液压自动张紧系统的结构原理图。基于运输机在运行期间不同状态下对张力的要求，由PLC内设定的张紧装置参数和程序对运输机启动、制动及正常运行状态时的张力进行动态调节。操作指令由上位机远程向控制器发出，上位机还可接收来自控制器的反馈信号，实时监测运输机的运行动态以及张力变化趋势。控制器接收到启动信号后，立即发出控制信号将张紧力自动调整为启动张紧力，设定值为正常运行张力的1.5倍～2倍，张紧绞车的制动器关闭，张紧电机正转紧绳，同时通过控制液压站向缓冲油缸充油[6]。当张紧力达到启动要求值后，制动器开启，张紧电机停转，液压站空载运行。当传送带速度达到正常运行值时，PLC通过接收到的信号自动控制张力至正常运行张力。当系统接收到停机信号后，PLC发出控制信号将张紧力自动调整至停机张紧力，设定值为正常运行张力的0.9倍，绞车制动器开启，液压站空载运行，所有电磁阀关闭，液压系统停止工作[7]。

图2 液压自动张紧系统结构原理图

系统还加入了断带保护功能，当传送带因故障发生断裂时，传送带张力降至0，PLC发出信号控制液压站停止运行，绞车制动器开启，并控制蓄能器与油箱接通，使得缓冲油缸卸掉负载。通过关闭缓冲油缸使张紧小车减速，避免小车撞向张紧装置，从而实现了断带保护。

2 硬件方案设计及选型

系统内的硬件是实现程序运算的载体，硬件设计选型是系统设计中重要的一环[8]。本文根据上述控制原理和功能要求，设计出一套结构合理、操作简便的硬件系统。

PLC控制器是本系统控制部分的核心，本文选用西门子S7-1200可编程控制器。其结构设计紧凑，运算速度快，可以以导轨方式安装，配置有10个～24个高速I/O接口，电源模块选用PM1207，输入为120/230V AC，输出24V DC/2.5A，集成了MPI、PROFIBUS等多种通信接口，同时S7-1200还集成了PROFINET接口，内置专用RJ45连接器，大大提高了数据传输速率，完全满足本系统的需求。

张紧电机选用Y180L-4型三相异步电动机，转速为1 470 r/min，功率为11 kW，额定电压为380 V，可选200 V～760 V间任意电压值。

在液压系统中，经常会出现油泵供油量无法满足系统峰值需求或压力脉动等情况，蓄能器在运行时可以吸收压力脉动，提供瞬时能量，从而提高系统性能。本文选用NXQ-L型囊式蓄能器，公称容积为0.4 L，公称压力为10 MPa，其容积和设计压力均可满足本系统要求。

液压油泵作为液压系统的动力元件，通过电机驱动将液压油箱中的油液送入执行单元，是液压系统的重要组成部分。本文选用NBT3-D10F型液压油泵，额定压力为12.5 MPa，额定功率为3.2 kW，排量为10 mL/r，完全满足本系统的实际需求。

本系统的张力值实时采样系统由张力传感器、张力变送器组成，安装在钢丝绳上的张力传感器对运输机工作时的张力值实时采样，经过张力变送器放大为标准的4 mA～20 mA电信号，发送到PLC的模拟量输入模块，PLC在处理接收信号的同时将采样数据上传至上位机，在程序运算的同时在上位机监控器上实时显示张力值，便于观察。张力传感器选用GAD10型矿用本质安全传感器，该传感器精度为±3%，量程为0 t～10 t，非线性度<0.25%，工作电压为DC 12 V。张力变送器选用ZHZF-FD型高精度张力变送器，该变送器工作电压为DC 10 V～DC 33 V，工作温度为-5 ℃～+50 ℃，输入灵敏度为0 mV～30 mV，分辨率精度为65 000分度，线性度≤0.005%，零位可调范围为0 mV～20 mV，量程可调范围为2 mV～30 mV，其灵敏度和调节范围均满足本系统要求。

3 软件方案设计

传统的张紧装置系统控制算法没有考虑运输机在运行中传送带具有弹性和波动性，无法对张紧力进行及时调整，导致张紧小车振荡或传送带打滑。根据上述控制原理,本文开发了张紧力动态调整程序。张紧力控制程序流程如图3所示。

图3 张紧力控制程序流程图

4 结束语

本文设计的皮带运输机液压自动张紧系统经实际测试可实现对运输机张紧力的动态调节和监测，系统的控制精度、稳定性、自动化程度都得到了提升，具有良好的经济效益和应用前景。