变频调速自动张紧装置在远距离皮带运输机中的研究及应用

在采矿行业，皮带输送机已经成为一种主要的运输机械，几乎装备于每一个自动化矿井。伴随着煤矿产量的不断提高，对皮带运输机加长、加宽的要求也越来越高，尤其是可伸缩带输送机运行中的过大张力波动成为制约其远距离运输的障碍。这就需要对可伸缩带输送机启动、运行、停止等状态下的张力变化进行分析研究，设计一种反应速度块、调节精度高、变化范围大的全自动张力调节设备。

常规皮带张紧装置，由于自身性能限制，主要适用于距离短、低运输量的可伸缩带输送机上，本文便是基于对可伸缩带输送机的各种状态运输时张力波动的研究，设计出变频调速自动张紧装置，该装置以张力传感器为监测元件、以变频器为控制元件,通过改变PLC输出的模拟信号，来改变变频器精确控制的电机速度,从而实现张紧力的实时调节，解决了远距离可伸缩带输送机张力突变造成的安全生产事故。

1 皮带运输机张力变化分析

由于煤矿的特殊生产条件，皮带运输机的张力波动会与其的长度、宽度、厚度、材质、负载、阻力等等许多因素有关。要设计出适用于远距离皮带运输机的自动张紧装置，必须先要了解各种条件下皮带运输机的张力变化(未调节)，以及经过自动张紧装置精确调节以后的张力情况(调节后)。

1.1皮带启动阶段

皮带启动阶段由于负载不同，可分为满载和空载两种情况，T2为皮带运输机启动张力，T2min为皮带运输机最小启动张力。

1.2 稳定运行阶段

随着出煤量的变化和自移机尾的前移，皮带上的张力也随着波动，波动范围超出限定范围必须进行调整。张力过大增加设备运行负荷和损坏风险，张力过小会造成皮带打滑、冒烟，必须保持张力的稳定，实现设备的良好运行。

负载影响下的张力波动自移机尾前移下的张力波动

1.3 停机阶段

对于远距离皮带运输机，不应过频地启停，因为大皮带运输机启动比较繁琐，过程较长，影响出煤效率，而且停车过程中产生的巨大张力，对各个设备的使用寿命造成一定影响。停机阶段会出现两种状态，一种是正常运行中的减速停车，出现的张力变化比较平稳，另一种是在危险时刻的急停状态，会出现很大的张力峰值，使得所用设备承受相当大的作用力，不应作为常用的停机方式。

2 自动张紧装置的设计原理及系统组成

2.1 系统的设计原理

皮带自动张紧装置是一种用来随时控制和调节皮带张力,使得皮带运输机时刻处于最佳运行状态的自动工作设备。它通过可编程控制器PLC来精确控制张紧电机的运行速度，使输出张力产生变化，同时与外部张力监测传感器采集的数据进行比较和补偿，使得实际张力与给出张力相互一致，从而实现皮带张力适时给定的目的。

当给定张紧拉力大于皮带张力时，张紧电机正向缠进(紧带);当张紧拉力小于皮带拉力时，张紧电机反向运行(松带)，直至皮带张力达到需求张力为止，电机转速的大小取决与要求调节的张力大小。下图为整个张紧装置控制系统的设计理论：

张力传感器采集张力F1与控制器设定张力F2比较得到ΔF，然后针对包含大惯性、大滞后及非线性摩擦的系统特点，通过PLC采用张力补偿技术，设计了控制规律，对采集的张力进行运算处理后，以模拟量的形式把速度信号传给ABB变频器，变频器控制电机速度和方向，再通过减速器传给张紧绞车，使得外部负载张力发生变化，负载张力最后又会通过张力传感器反馈回控制器，由此形成一个闭合控制回路。

2.2 系统的组成

自动张紧装置主要由变频调速系统、操作显示系统、液压系统、缓冲系统，以及若干监测传感器组成。

变频调速系统内置ABB的ACS800系列四象限变频器，采用DTC直接转矩控制模式，实现对驱动电机速度和转矩的精确控制，同时采用三菱FX-2N可编程控制器实现全部的顺序控制、保护监视和数据采集;操作箱主要实现设备的基本操作和显示;液压系统负责提供制动器工作压力;缓冲系统可为瞬时出现的超大张力提供缓冲释放作用，用于快速减小停机峰值张力，释放弹性变形量，在低张力区，绞车工作，高张力区，绞车与缓冲该机构同时工作;外置多个传感器实现张力和压力数据的实时监测和控制分析。

3.自动张紧装置的特点

3.1可实现张力的全自动调节

自动张紧装置可自动判断皮带运输机的工作状态，进行实时的张力调节。对于不同工况、性能的皮带运输机，能够按要求设定出合适的运行张力，使得皮带运输机的张力不会出现较大波动，一直处于最佳的张力范围，减小皮带运输机的功耗，降低设备承受强度的等级，减少投资和维护的费用。

3.2精度高、响应快

在皮带运输机运行过程中，一旦出现较大张力波动，自动张紧装置立即进行张力微调，直至皮带运输机的张力达到要求张力的±1kN范围以内。

皮带运输机在紧急停止信号发出几秒后，会出现很大张力峰值，不能及时释放出这部分冲击张力，就有可能造成设备的损坏或人员安全的事故。自动张紧装置可判断出是正常停止还是紧急停车，从而做出不同的应急方案，在出现紧急停止情况下，立即以最大速度放松皮带运输机的张力，同时在配备的缓冲系统配合下，安全平稳地实现皮带运输机的紧急停车。

3.3控制简易方便

自动张紧装置可以实现手动、自动两种模式切换工作，在手动模式下，工作人员只需操作松带、紧带两个按钮，观察显示系统的张力值，即可实现皮带运输机的张力调节。在自动模式下，自动张紧装置为无人职守状态，只需接收皮带运输机的启停控制信号，即可进入自动状态，实现整个皮带运输系统的可靠运行。

4.应用

自动张紧装置目前已应用于晋兴公司斜沟矿05、02工作面、晋神公司沙坪矿、平煤安家岭一号井等煤矿，证明该自动张紧装置能够适应不同工况、响应速度快、调节进度高、运行稳定可靠，满足了煤矿的生产需求。

5.结论

自动张紧装置能有效地改善皮带运输机启动、停止、急停，以及运行过程中的张力平稳调节，提高了整机运行的可靠性;电控系统控制前景大，易于与主机控制系统无缝连接，容易维护，控制简单，抗干扰能力强;响应快、精度高，可降低胶带的强度，减少胶带投资。因此，该变频调速下的自动张紧装置，非常适用于长距离皮带运输机的张力调节，其工作性能远比其他类型张紧装置更可靠、更安全。