可伸縮帶式輸送機張緊裝置設計與驗證

李久承

（山西焦煤西山煤電（集團）有限責任公司東曲煤礦，山西 古交 030200）

帶式輸送機自動張緊裝置為輸送帶提供合適張緊力，保障輸送帶正常工作、平穩運行，減少或者杜絕撒料現象，為故障維修提供動力保證輸送帶正常工作。帶式輸送機張緊裝置以液壓張緊、變頻自動張緊為主。在實際應用中，液壓張緊裝置因存在漏油、壓力波動大、故障率高、張緊效率低等問題而逐漸被變頻自動張緊置代替。張緊裝置的優劣直接關系到帶式輸送機的安全、可靠運行以及使用壽命，避免打滑、斷帶、撤料等故障[1-2]。實際應用中，張緊裝置提供實時、合適張緊力的能力受限，因此，設計智能型張緊裝置，根據帶式輸送機實際運行情況進行實時控制，滿足帶式輸送機不同工況的張緊力需求成為亟需解決的問題。

1 自動張緊技術分析

帶式輸送機張緊力過小會引發皮帶打滑故障，張緊力過大會引發皮帶斷帶故障。設計張緊裝置，為帶式輸送機提供實時、合適的張緊力成為關鍵。常用的帶式輸送機張緊裝置分為液壓張緊、變頻自動張緊兩種方式。液壓張緊裝置依靠液壓缸牽引鋼絲繩，使其內部活塞桿控制張緊小車運動，達到調節皮帶張緊力的目的。典型液壓張緊裝置有YZL 系列液壓絞車式自動張緊裝置、DYL 液壓缸型自動張緊裝置、KJ2029 型帶式輸送機自動張緊裝置等。這些張緊裝置普遍存在漏油、壓力不穩、張緊效率低等問題。

變頻自動張緊裝置多以永磁同步電機為調速裝置，對張緊裝置進行快速自動調節，實現變頻自動張緊裝置中控制算法以PID 控制為主[3]，調節PID 參數的方法有下述三種：

（1）理論計算法：通過理論計算得到控制參數值，再經工程實際應用對參數進行修正。

（2）工程整定法：經工程公式反復試驗得出控制參數，如Z-N 整定、臨界比例度、衰減曲線整定法等。

（3）智能PID 參數整定，通過模擬生物的自然行為演化為群智能控制算法，達到高度并行、自組織、自學習、自適應的目的，如模糊PID 控制、粒子群控制、遺傳算法控制等。

2 自動張緊裝置設計

2.1 帶式輸送機結構設計

可伸縮帶式輸送機基本結構如圖1 所示，其中1 為機頭改向滾筒，2 為機頭驅動單元，3 為儲帶倉，4 為張緊裝置，5 為機尾改向滾筒，6 為機尾自移單元。自動張緊裝置可將多余的輸送帶存儲至儲帶倉，或釋放儲帶倉中的輸送帶，滿足帶式輸送機機尾伸縮自移。

圖1 可伸縮帶式輸送機基本結構

2.2 變頻自動張緊結構設計

可伸縮帶式輸送機變頻張緊裝置結構設計如圖2 所示，其中1 為張緊小車，2 為滑輪組，3 為鋼絲繩，4 為電磁制動器，5 為聯軸器，6 為絞車車架，7 為張緊滾筒，8 為傳動機構，9 為永磁同步電機，10 為變頻器，11 為張緊力傳感器，12 為主控柜。鋼絲繩選用7×18 型鋼芯鋼絲繩，直徑為24 mm，抗拉強度為1 770 MPa，最小破斷力為334 kN?；喗Y構中的繩槽兩側夾角β 取值25°，滑輪槽底半徑R 取值14.4 mm，滑輪直徑D1 取值500 mm。張緊滾筒直徑D2取值520 mm，厚度δ 取值24 mm，張緊行程為30 m，容繩量為180 m。驅動模式設計為永磁同步電機直驅。

圖2 變頻自動張緊裝置結構設計

可伸縮帶式輸送機在工作過程中有啟動、滿速運行、受控停機三種工況，在不同工況下變頻自動張緊裝置工作流程為： 主控柜內的控制器周期性地監測張緊傳感器數據，經A/D 轉換、分析、邏輯處理后與該工況下張緊力設定值做差值，控制變頻器輸出的頻率和方向，進而完成對永磁同步電機轉動方向和大小的控制，實時調整輸送帶的張緊力。

3 自動張緊系統設計

3.1 硬件設計

根據永磁同步電機技術參數，選用ACS550-01-246A-4 型變頻器，關鍵技術參數為：額定功率110 kW，輸入電壓380 V，輸出電流246 A，輸出頻率0～80 Hz，最高工作溫度85°，冷卻方式為水冷。該變頻器為四象限變頻器，可控制電機無極調速。張緊裝置驅動電機的電源為變頻器IGBT 逆變模塊的輸出交流電壓。

選用GAD100 型張緊力傳感器，實時監測帶式輸送機皮帶張緊力的變化。GAD100 型張緊力傳感器的關鍵部件為應變片，能將張緊力信號轉換為電流信號，經變送電路放大后輸出與形變程度成正比的4～20 mA 電流信號[4-5]。該張緊力傳感器的工作電壓為DC12V，工作電流不大于45 mA，量程為0～100 kN，接線方式為三線制，輸出信號為4～20 mA。

選用的永磁同步電機型號為TYZD-110/45（380），額定功率為110 kW，額定電壓為380 V，額定電流為111 A，額定轉矩為23.342 kN·m，額定效率為92.5，同步轉速為45 r/min，功率因數為0.96。

制動器型號為KZP-450/25-Ⅰ，額定制動力矩為25 kN·m，制動半徑為450 mm，額定正壓力為40 kN，最高油壓為5.9 MPa，閘瓦比壓為53 N/cm2。

3.2 算法設計

設計變頻自動張緊裝置PID 控制器，輸入為張緊小車速度設定值與反饋值的差值ev，輸出為張緊小車實際運行速度vout。通過調節比例KP、積分Ki、微分Kd三個參數來控制張緊小車的動作，提高控制性能，控制規律為式（1）所示：

基于粒子群算法對KP、Ki、Kd三個參數進行尋優[6]，具體步驟為：

步驟1：初始化粒子群中粒子位置、粒子速度、粒子個體極值及粒子全局極值，其中粒子位置及初始粒子速度通常是在允許的范圍內隨機產生的，粒子個體極值為粒子自身，粒子全局極值為所有個體極值點中適應值最優的個體極值點。

步驟2：計算新生粒子的適應值，更新粒子個體極值和粒子全局極值。

步驟3：由式（2）及式（3）更新當前粒子群。

式中：w 為慣性權值；c1、c2為學習因子；r1、r2為[0，1]之間的隨機數；vij∈[-vmax,vmax]，vmax為設置的最大粒子速度；Pij為已知的粒子個體極值，xij粒子空間位置矢量，i =1，2，...，N，j =1，2，...，d，N 為粒子群規模，d 為空間數，即d 維空間。

步驟4：判斷是否滿足結束條件，如果滿足，則停止迭代，輸出最優解；否則，轉到步驟2。

4 仿真分析

為驗證設計的基于粒子群算法的可伸縮帶式輸送機變頻自動張緊裝置的控制效果，進行聯合仿真，獲取帶式輸送機啟動、滿速運行、受控停機三種運行模式下的張緊小車速度、位移曲線。

啟動階段張緊小車速度曲線如圖3 所示，帶式輸送機啟動約4 s 后，張緊裝置開始運行，從約54～98 s 之間，張緊小車速度持續增大并在約98s時達到最大速度0.18 m/s。之后，張緊小車速度持續下降并在約150 s 時速度保持為0，帶式輸送機啟動階段結束。啟動階段張緊小車位移曲線如圖4所示，整個過程位移約8 m。

圖3 啟動階段速度曲線

圖4 啟動階段位移曲線

滿速運行階段張緊小車速度曲線如圖5、圖6所示，最大速度為0.03 m/s，在約341 s 時張緊小車速度下降為0，總位移為6.8 m。

圖5 滿速階段速度曲線

圖6 滿速階段位移曲線

受控停機階段張緊小車張緊力曲線如圖7、圖8 所示，經兩次變化后張緊力值穩定在292.2 kN，總位移為5.24 m，受控停機過程結束。

圖7 受控停機張緊力曲線

圖8 受控停機位移曲線

5 結論

新設計的能滿足可伸縮帶式輸送機運行工況的變頻自動張緊裝置，根據設備運行工況，實時調節皮帶張緊力，保障了帶式輸送機高效率運行。主要完成的工作如下：

1）設計了變頻自動張緊裝置結構，包括滑輪組、絞車車架、聯軸器、傳動機構、主控柜等。

2）設計了變頻自動張緊裝置硬件系統，以控制器為核心，周期性采集張緊力傳感器數據并實現對永磁同步電機的變頻控制，進而精確控制張緊小車運行速度。

3）設計了變頻自動裝置算法系統，即基于粒子群尋優的PID 控制算法，并完成啟動、滿載運行、受控停機三種工況的仿真驗證。

4）驗證結果證明了設計的變頻自動張緊裝置的有效性和適用性。