皮带机智能张紧装置的应用研究

2022-01-27李建芳

机械管理开发 2021年12期

李建芳

（晋能控股装备制造集团金鼎山西煤机有限责任公司皮带机制造分公司，山西晋城 048000）

引言

皮带机是利用滚筒驱动输送带进行物料传输的设备，具有结构简单、传输效率高、经济性好的优点，输送带在运行过程中需要保持一定的张力才能进行有效的运转。由于输送带具有黏弹性特性，在运行过程中若出现载荷冲击现象，冲击力在输送带内将依次传输，从而导致输送带在部分区域的松弛、打滑、跑偏，特别是随着大运量、长距离、高带速皮带机的不断应用，这种现象表现得更明显，因此在皮带机系统上都设置有液压张紧装置，用于对输送带的张紧力进行调节，保证在运行过程中的可靠性[1]。

目前常用的液压张紧装置控制结构复杂、张紧系统反馈速度慢，无法有效解决输送带长度变化时导致的响应速度慢、控制精度差的不足，因此本文提出了一种新的皮带机智能张紧装置，该张紧装置采用了永磁变频电机驱动控制，响应速度快、控制精度高，能够满足皮带机在不同工况下的制动要求。

1 皮带机永磁变频张紧装置

为了满足皮带机在不同工况下的制动需求，本文所提出的皮带机永磁变频张紧装置结构如图1 所示[2]。

由图1 可知，在运行过程中由张力传感器对输送带的运行张力进行实时监测，并将监测结果传输到控制箱内，控制系统根据监测结果和皮带机的运行状态，对当前张紧力的合理性进行分析，根据分析结果确定系统的调整量，然后输出控制信号给变频控制装置，变频控制装置控制永磁电机的运行，实现对输送带张紧力的快速调整。

图1 皮带机永磁变频张紧装置结构

为了提升系统的控制精度，该控制系统采用了内外环双级控制结构，其采用矢量控制模式能够对电机的定子电流进行解耦，完成对磁场和电磁转矩的分别控制，从而确保在调节过程中的控制稳定性。

2 多状态下智能张紧装置控制逻辑

皮带机在运行过程中的运行状态不同，其对张紧装置的要求也不同，根据皮带机的运行情况，可将其分为启动阶段、稳定运行阶段及制动阶段，为了保证皮带机在不同情况下张紧的可靠性，对皮带机在不同状态下的张紧需求进行了分析[3]。

1）启动阶段，是指皮带机由静止状态到稳定运行的状态。此时皮带机的控制系统控制驱动电机运行，保证作用在皮带上的张紧力大于皮带稳定运行时的正常张力，避免在启动过程中皮带的打滑，此时的张紧力应为稳定运行时张力的1.5～2.0 倍。

2）稳定运行阶段，是指皮带机在匀速运行的阶段。该阶段下输送带的张紧力基本保持不变。

3）制动阶段，是指皮带机在制动情况下的运行状态。此状态下会在输送带内产生极大的制动冲击，制动冲击在皮带黏弹性的特性下沿皮带传播。为了避免打滑，需要保持皮带张紧力不小于正常运行张力的0.9 倍。在不同阶段情况下的张力如下页图2 所示[4]。

图2 不同阶段情况下的张力示意图

3 仿真分析

为了对该张紧装置的应用效果进行分析，利用AMESim 及MATLAB 仿真分析[5]软件建立传统液压张紧和永磁张紧的仿真分析模型，对相同工况下不同张紧方案的应用效果进行对比分析，在进行仿真时，设置皮带机启动的时间为139 s，当运行到199 s时给皮带一个载荷冲击，则不同张紧装置下皮带机的张紧力变化情况如图3 所示。

图3 不同张紧方式的应用效果对比

由图3 可知，在张紧的过程中永磁变频张紧和液压张紧在刚开始时均会产生一个小幅度的下降，这是输送带的黏弹性导致的，永磁张紧时的下降时间为0.5 s，而液压张紧的下降时间为2.4 s。在调节过程中永磁张紧装置经过11 s 可达到设定的启动张紧值，而液压张紧装置需要经过25 s 才能达到启动张紧值。在调节过程中液压张紧装置的最大超调量约为0.97 kN，永磁张紧的最大超调量仅0.42 kN，比液压张紧降低了56.7%。

从第140 s 时皮带机开始转为正常运行模式，采用永磁变频张紧时，仅需要5.2 s 即可达到稳定运行时的张力，而采用液压张紧的情况下，需要11.6 s 才能达到稳定运行张力。并且通过对整个调节过程的对比分析，采用永磁变频张紧的情况下在调节的过程中张力波动曲线更平滑、超调量更小，其调节精度、反应速度均全面优于液压张紧装置。

皮带机在载荷冲击下的张紧装置速度变化曲线如图4 所示。

图4 载荷冲击下的速度变化曲线

由图4 可知，当受到载荷冲击的情况下，永磁变频张紧装置能够快速地响应，反应速度比液压张紧方式提升了3 s，在调节的过程中永磁变频张紧装置的最大调速值为0.089m/s，远超液压张紧装置0.047m/s的调速值，从波动发生到调节完成，永磁变频张紧装置用时3.7 s，液压张紧装置用时10.4 s，调节用时降低了64.4%，调节速度快、调节精度高、平稳性好。