摘要：近年来，随着综采工作面采煤机截割能力的提升，采煤工艺不断改进，综采工作面的煤炭生产能力不断提高。刮板输送机作为综采工作面的主要运输设备，在当前形势下也朝着大运量、长距离以及高运速的方向发展。张紧装置可保证输送带张紧力，避免打滑等故障的发生，其已经从传统简单机械结构发展为当前的机电液一体化的自动张紧机构，主要由张紧电机+ 减速器组成的方式对装置进行驱动。但是，在实际应用中上述驱动方式存在传动效率低、可靠性低的问题。鉴于永磁同步电机具有良好的低速大扭矩传动能力和节能效果，本文将重点开展永磁同步电机在带式输送机张紧装置中的应用研究。 关键词：带式输送机；永磁同步电机；张紧装置；变频器；张力传感器
1 概述
在实际运输过程中，带式输送机输送带张力会随着运输工况的变化而处于动态变化状态。因此，根据带式输送机的运输工况对输送带张力进行实时调整控制是非常有必要的。简答说，带式输送机张紧装置可保证输送带与滚筒之间不打滑；同时，保证相邻托辊之间输送带的垂
度满足相关标准规范的要求。在实际生产中，需要根据带式输送机的具体结构参数、运速距离以及输送带的相关参数，综合确定张紧方案、所需的张紧力和张紧行程等。带式输送机所需张紧力为后续完成永磁同步电机选型的关键依据。结合DJS140/300/3×450 型带式输送机的主要技术参数及其运输要求，得出在系统启动阶段所需的输送带的张紧力不得小于404.2 kN。因此，确定基于永磁同步电机张紧装置的张紧力不得小于450 kN。张紧小车安装在固定轨道上，永磁同步电机和电磁制动器通过联轴器与张紧滚筒连接。调节张力时，制动器关闭制动，滚筒转动使游动小车在导轨上运动，实现张力调节。当张力满足运行需求时，中控对张紧装置发出指令，制动器开启制动，游动小车保持静止，该装置处于维持张力状态。带式输送机有启动、满速和停机三种运行状态，除停机状态外，其他工况张紧力预设值的合理区间是90%~110%。张力在该区间，张紧装置不启动；超出该区间时，张紧装置开始运行，张紧力重新回到合理区间后停止运行；如果带式输送机输送带断裂，张紧力骤降为0，张紧装置立即停机。PLC 控制系统比较张力传感器测得的张力信号和设定信号，通过计算确定输出值，从而对电机正反转和转速进行控制，实现张紧力动态调节。永磁同步电机对定子电流直轴励磁分量和定子电流交流转矩分量分别进行控制。输送机启动时，输送带会变形，需增加张紧力，将变频器设为40 Hz，张紧小车速度增加。
稳定后，张紧力主要因煤堆积量变化而变化，变化很小，此时将变频器设为10 Hz，张紧小车速度减小。该张紧装置使用PLC 控制系统，具有良好的动态响应特性。当出现各种工况时，该装置响应时间短，能够减少整机达到稳定运行的时间。当输送机受到冲击载荷时，系统动态响应迅速，张紧速度快，张紧力超调量小，可避免对带式输送机造成冲击。该张紧装置控制系统采用了内外环双极控制结构，能够实现在不同工作状态下对张紧力的精确控制，在运量不变的情况下，可以降低皮带张紧强度要求，减少磨损，延长设备寿命。该张紧装置应用四象限变频器，可以实现软启动，减小对电机的冲击，并且能根据电机运行状况调整所需电源电压，实现带式输送机的稳定运行。
2 基于永磁同步电机自动张紧装置的设计
本节将重点完成对永磁同步电机自动张紧装置中变频张紧绞车、电气控制系统的设计。结合带式输送机传统自动张紧装置的结构组成，完成基于永磁同步电机自动张紧装置的结构设计，基于永磁同步电机的自动张紧装置主要包括有永磁变频张紧绞车、电气控制系统和制动装置。其中，电气控制系统主要实现对永磁同步电动机的变频调速控制；制动装置为保证系统安全、稳定运行的基础；永磁变频张紧绞车为直接对输送带张力进行调节和控制
的执行机构；张力传感器为对输送带张力进行实时监测的装置，所采集的数据为电气控制系统得出控制指令的依据。
2.1 永磁变频张紧绞车的设计
永磁变频张紧绞车为张紧装置功能实现的直接执行机构，该机构的核心设计为对永磁同步电机的选型。结合DJS140/300/3×450 型带式输送机的主要技术参数及其运输要求完成张紧绞车中钢丝绳、滑轮以及张紧滚筒的设计。本节重点对永磁同步电机的选型设计进行研究。根据自动张紧装置在工作面的工况，确定张紧绞车中配套钢丝绳为7×18 型钢芯钢丝绳，直径为24mm；对应滑轮的直径为500 mm；张紧滚筒的直径为520 mm，根据张紧行程和相关容绳量的标准要求确定滚筒长度为520 mm。根据张紧小车的速度为0.1 m/s，带式输送机所需张紧力为450 kN，则要求驱动电机的驱动功率不小于0.1 m/s×450 kN=45 kW。由于基于永磁同步电机的驱动系统中，永磁同步电机、联轴器直接与张紧滚筒实现连接，结合电机轴承机械效率为0.98，联轴器的机械效率为0.98，滑轮组的机械效率为0.95，得出永磁同步电机直驱系统的机械效率为0.893。因此，可以得出永磁同步电机的输出功率不得小于45 kW/0.893=50.4 kW。考虑到1.4 倍的余量要求，最终确定永磁同步电机
的输出功率不得小于50.4kW×1.4=70.56 kW。结合计算结果，并综合市面上永磁同步电机的产品，最终确定张紧装置的永磁同步电机型号。同时，根据电机的选型结果为其配套盘式制动器。
2.2 电气控制系统的设计
电气控制系统根据张力传感器所采集张力参数和实时工况对应的张力要求得出相应的控制指令；同时，所得控制指令对变频器进行控制，从而实现对永磁同步电机转速的控制，直接表现为张紧小车速度和行程的控制。本节重点对电气控制系统的变频器和张力传感器进行选型。鉴于变频器在实际工作中会有部分能量转换为热量，而且该型变频器的最高工作温度为65 ℃。因此，为保证变频器在合理温度范围之内工作，需为变频器配套IGBT底板水套冷却系统。根据DJS140/300/3×450 型带式输送机在启动阶段所需的张紧力为75kN。本系统选用型号为GAD100 的矿用本安型张力传感器对输送带的实时张力进行检测。
3 结语
永磁变频自动张紧装置控制系统包括监测系统、张紧绞车、控制系统、供电系统、冷却系
统等，能够满足带式输送机在不同状态下运行。本文提出一种永磁同步电机带动绞车张紧的方案，通过PLC 控制系统，将张紧力传感器监测值与设定值进行对比，实现对输送带张紧力的快速调整，具有响应迅速、控制精确、张紧速度快、运行平稳、设备寿命长等优点。带式输送机张紧装置为保证输送带张力满足实际工况的机构，其对保证带式输送机的安全、稳定运行具有重要意义。鉴于永磁同步电机具有传动效率高、节能效果好的优势，本文基于永磁同步电机完成了永磁直驱张紧装置的设计，将张紧装置传统三相异步电动机+ 减速器的驱动方式改进为永磁同步电动机直驱的方式。结合带式输送机的工况，确定了永磁同步电机的型号为TYZD-110/45（380），配套制动器的型号为KZP-450/25-I，配套变频器的型号为ACS550-01-246A-4。
参考文献
[1] 皮带机智能张紧装置的应用研究 [J]. 李建芳. 机械管理开发. 2021(12)
[2] 带式输送机调速张紧装置张紧力控制技术的应用研究 [J]. 刘伟莲. 煤矿机械. 2021(04)
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