【正文】 輸送機(jī)張緊裝置理論分析 張緊裝置的合理布置張緊裝置的合理選用與合理布置，是保證輸送機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)、起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)膠帶在驅(qū)動(dòng)滾筒上不打滑的必要條件。一般情況下，布置拉緊裝置必須考慮以下幾點(diǎn)：1）拉緊裝置要盡可能布置在膠帶張力的最小邊。2）長(zhǎng)度在300米以上的水平或坡度在5%以下的傾角輸送機(jī)，拉緊裝置應(yīng)設(shè)置在緊靠滾筒的空載側(cè)。3）距離較短的輸送機(jī)和坡度在5%以上的上傾輸送機(jī)，拉緊裝置大多布置在輸送機(jī)尾部，并用尾部滾筒作為拉緊滾筒。4）在雙滾筒驅(qū)動(dòng)時(shí)，一般拉緊裝置設(shè)置在后一個(gè)傳動(dòng)滾筒分離點(diǎn)；考慮傳遞制動(dòng)力的要求，也可設(shè)置在兩個(gè)傳動(dòng)滾筒之間。5）不論哪一種拉緊裝置，都必須布置成拉緊滾筒繞入和繞出膠帶分支與滾筒位移線平行，而且施加的張緊力要通過滾筒中心。 帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行時(shí)對(duì)張緊力的要求帶式輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中，輸送帶呈環(huán)形，并以一定的拉力作用在滾筒上。帶式輸送機(jī)靠驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶之間的摩擦力來傳遞牽引力。如圖21所示，當(dāng)帶傳動(dòng)不工作時(shí)，輸送帶兩邊的拉力相等；當(dāng)驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于輸送帶對(duì)滾筒的摩擦力作用使相遇點(diǎn)的張力加大到T1,稱為緊邊拉力；分離點(diǎn)的張力減小到T2，稱為松邊拉力；兩者之差即為摩擦力。圖 21 撓性體摩擦傳動(dòng)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)輸送帶驅(qū)動(dòng)滾筒處不可拉伸，沒有彎曲阻力，沒有質(zhì)量且在滾筒圍包弧的摩擦系數(shù)不變。在圍包角弧內(nèi)任取一微量弧長(zhǎng)dl,所對(duì)應(yīng)的圍抱角為dθ。在這段弧長(zhǎng)內(nèi)，輸送帶受到的力有：近分離點(diǎn)c點(diǎn)的張力T，近相遇點(diǎn)d點(diǎn)的張力T+dT，滾筒對(duì)輸送帶的支反力dTN，圖中μ為驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶之間的摩擦系數(shù)。在極限狀態(tài)下，即摩擦力達(dá)到最大靜摩擦力時(shí)，可得出下列方程： 由于dθ很小，可近似認(rèn)為這樣兩式可變?yōu)? 略去微量項(xiàng)，并將它代入（24）得兩邊積分 求解得 此即為撓性體摩擦傳動(dòng)的歐拉公式。式中 e——自然對(duì)數(shù)的底，e=；T2max——輸送帶在相遇點(diǎn)的極限張力。 傳動(dòng)滾筒（只介紹單傳動(dòng)滾筒）（一）驅(qū)動(dòng)力輸送帶在驅(qū)動(dòng)滾筒上緊邊與松邊的張力差，即是驅(qū)動(dòng)滾筒的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)假設(shè)輸送帶作為一種撓性體，可以任意彎曲，不受彎曲應(yīng)力；忽略輸送帶質(zhì)量所產(chǎn)生的重力與慣性力，輸送帶與滾筒相遇點(diǎn)的張力T1和分離點(diǎn)的張力T2按歐拉公式有如下關(guān)系：T1=T2eμλ （26）由此得到傳動(dòng)滾筒所傳遞的驅(qū)動(dòng)力為 式中 μ——輸送帶雨滾筒間的摩擦系數(shù)； λ——滾筒與輸送帶有相對(duì)彈性滑動(dòng)弧對(duì)應(yīng)的圓心角，rad； α——輸送帶圍包滾筒的角度（包角），rad；圖 22 圍抱角力示意如圖22所示，從分離點(diǎn)到相遇點(diǎn)張力按指數(shù)增加，由于輸送帶為彈性體，所以隨著張力的變化，輸送帶的伸長(zhǎng)也要發(fā)生變化，故驅(qū)動(dòng)滾筒上輸送帶會(huì)由分離點(diǎn)向相遇點(diǎn)發(fā)生彈性滑動(dòng)。但是，并不是全部接觸弧上都發(fā)生彈性滑動(dòng)。接觸弧可分為有相對(duì)滑動(dòng)的滑動(dòng)弧和無相對(duì)滑動(dòng)的靜止弧兩部分。兩弧所對(duì)應(yīng)的中心角分別為滑動(dòng)角和靜止角，隨著載荷的增加滑動(dòng)角逐漸加大而靜止角逐漸減小。當(dāng)滑動(dòng)角達(dá)到時(shí)，輸送帶開始打滑，所以傳動(dòng)滾筒可能傳遞的最大驅(qū)動(dòng)力為Fmax=T1maxT2=T2(eμα1) (28)研究表明，滑動(dòng)弧并非單純彈性滑動(dòng)，而存在傳送帶與滾筒之間的滑粘效應(yīng)，也就是產(chǎn)生摩擦力的原因不僅有輸送帶和滾筒之間的彈性滑動(dòng)，還有輸送帶與滾筒之間的粘滯作用，這樣，摩擦系數(shù)就大于單純的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。設(shè)計(jì)中為了安全起見，將傳動(dòng)滾筒可以傳遞的最大驅(qū)動(dòng)力與傳動(dòng)滾筒需要傳遞的驅(qū)動(dòng)力之比作為備用系數(shù)，即：ξ=Fmax/F (29)這里備用系數(shù)ξ并不是為滿足摩擦的備用系數(shù)，而是相對(duì)于起、制動(dòng)動(dòng)載荷的備用系數(shù)?！?。所以當(dāng)圍包角和分離點(diǎn)張力一定時(shí)，傳動(dòng)滾筒傳遞的驅(qū)動(dòng)力為F=T2(eμα1)/ξ (210)當(dāng)包角和傳遞滾筒所需的傳遞驅(qū)動(dòng)力一定時(shí)，分離點(diǎn)的張力為 T2=ξF/(eμα1) (211)由此可知，要提高驅(qū)動(dòng)力可以從以下三方面考慮：1）增大張緊力 增加初張力，可使輸送帶在傳動(dòng)滾筒分離點(diǎn)的張力T2增加。用這種方法，雖然使張力增大了，但也可能是驅(qū)動(dòng)裝置增大，增加設(shè)備的投資。從另一方面講，適當(dāng)增加張緊力對(duì)輸送機(jī)工作是有利的，所以在權(quán)衡二者的情況下再來選擇合適的張緊力。2）增大圍包角α 增加α的方法有兩種：；。3）增大摩擦系數(shù)μ 一是在驅(qū)動(dòng)滾筒表面覆蓋一層摩擦系數(shù)較大的襯墊材料；另一種方法是在驅(qū)動(dòng)滾筒的襯墊滾筒表面上做各種花紋；再一種方法就是將輸送帶本身做成花紋的。（二）制動(dòng)力在電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，T1與T2仍然滿足歐拉公式，只是相遇點(diǎn)張力T1變?yōu)榈蛷埩?，分離點(diǎn)的張力變?yōu)楦邚埩2，設(shè)傳動(dòng)滾筒所需傳遞的制動(dòng)力為FB，可得下列各式：由上式可得 一般情況下，張緊裝置設(shè)置在傳動(dòng)滾筒的分離點(diǎn)側(cè)，由式（212）可知，如果想提高制動(dòng)力，只能增加張緊力。為了減小張緊力，又需要把張緊力設(shè)置在驅(qū)動(dòng)滾筒的相遇點(diǎn)一側(cè)，所以一般在電動(dòng)機(jī)處設(shè)置負(fù)功率反饋發(fā)電狀態(tài)時(shí)，要把驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置在輸送機(jī)尾部。 張緊裝置參數(shù)的確定張緊力的確定需要考慮輸送機(jī)在起、制動(dòng)及正常運(yùn)行工況下的張緊力情況；輸送機(jī)的布置線路情況以及輸送量。張緊力的計(jì)算，主要分下面三種情況：1）重錘式拉緊裝置由于張力保持不變，所以應(yīng)按照張力最大的情況進(jìn)行設(shè)置張緊力。2）自動(dòng)式張緊裝置可以根據(jù)各種工況計(jì)算出所需的張力，在輸送機(jī)的運(yùn)行過程中，張緊裝置可以提供相應(yīng)工況的張力，但在設(shè)置張緊裝置時(shí)，張緊裝置所輸送的張力應(yīng)根據(jù)輸送機(jī)所需的最大張力來設(shè)計(jì)。3）固定式張緊裝置的張緊力要考慮輸送機(jī)在不同工況下的張力分布提供必要的最小張緊力。輸送機(jī)的布置形式和線路都有很大不同，本設(shè)計(jì)所做的是針對(duì)頭部滾筒傳動(dòng)的輸送機(jī)，張緊裝置在傳動(dòng)滾筒的松邊、制動(dòng)器安裝在驅(qū)動(dòng)裝置上為例來說明張緊力的確定。設(shè)輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)力為F,制動(dòng)力為FB。在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，滿足摩擦傳動(dòng)的張緊力TTUA為 在制動(dòng)狀態(tài)，滿足摩擦傳動(dòng)的張緊力TTUA為 （214）按逐點(diǎn)張力計(jì)算法從傳動(dòng)滾筒的分離點(diǎn)開始編號(hào)把輸送帶分為n段。在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，設(shè)各段的阻力為FAi(i=1，2，，n)，可計(jì)算出各點(diǎn)的張力 （i=1，2，，n）這里FA1=FA，T1=TTUA輸送帶張力除滿足驅(qū)動(dòng)條件傳動(dòng)條件，還有考慮滿足輸送帶的垂度要求等。計(jì)算出上分支所需要的最小拉力為Tmin，設(shè)上分支的各點(diǎn)張力為Tj（j=m,m+1,m+01）(m為從此點(diǎn)開始為上分支，o為承載段的點(diǎn)數(shù))，下分支的各點(diǎn)張力為Tj(j=k,k+1,，k+u1)（k為從此點(diǎn)開始為下分支，u為承載段的點(diǎn)數(shù)）。當(dāng)Tminomin時(shí)，取上分支的最小張力為Tmino，即將輸送帶的各點(diǎn)張力增加ΔT0=Tminomin{Tj(j=m，m+1，，m+o1)}當(dāng)Tmino≤min時(shí)，各點(diǎn)張力不變，即輸送帶的各點(diǎn)張力增加為0。當(dāng)Tminomin時(shí)，取上分支的最小張力為Tmino，即將輸送帶的各點(diǎn)張力增加ΔTu=Tminomin{Tj(j=m，m+1，，m+u1)}當(dāng)Tmino≤min時(shí)，各點(diǎn)張力不變，即輸送帶的各點(diǎn)張力增加為0這樣，輸送帶各點(diǎn)張力需要增加量為ΔT=max{ΔTo,ΔTu}這樣，輸送帶各點(diǎn)的張力分別增加ΔT后，各點(diǎn)張力變?yōu)門=Ti+ΔTi，張緊力為T’TUA=TTUA+ΔT (215)制動(dòng)狀態(tài)的張緊力可以類似方法得到。 張緊裝置行程的確定輸送機(jī)拉緊行程的確定需要考慮以下幾個(gè)方面的因素：1）留有足夠的長(zhǎng)度來接輸送帶接頭2）補(bǔ)償輸送帶永久伸長(zhǎng)的行程3）補(bǔ)償輸送帶彈性伸長(zhǎng)的行程輸送帶接頭長(zhǎng)度和輸送帶永久伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度可以從手冊(cè)中查到，不再說明，這里只計(jì)算輸送帶的彈性伸長(zhǎng)。計(jì)算時(shí)，把輸送帶作為彈性體來研究。彈性伸長(zhǎng)的計(jì)算是在已知輸送帶在各種工況的張力分布下，通過逐點(diǎn)張力計(jì)算法得到的。計(jì)算各種工況下相對(duì)于輸送帶靜止時(shí)的伸長(zhǎng)量，需要首先知道輸送帶靜止時(shí)的張力分布，但這又是很困難的。一般情況，當(dāng)輸送帶的傾角較小，由于輸送帶的下滑力小于輸送帶的靜摩擦力，輸送帶的張力不確定。通過逐點(diǎn)張力計(jì)算得到的張力可以表示為圖23所示的曲線，圖中i、i+1為輸送帶上張力變化的臨近點(diǎn)，各點(diǎn)的張力分別為Ti、Ti+1，從i到i+1區(qū)間輸送帶的長(zhǎng)度為L(zhǎng)i，各段輸送帶上張力是線性變化的。[28]圖 23 張力曲線在區(qū)間[I,i+1]，輸送帶的能量為，輸送帶的總能量為，輸送帶的總伸長(zhǎng)為ΔL=U/（EB），考慮輸送帶垂度的影響，輸送帶的總伸長(zhǎng)量為 ，對(duì)應(yīng)不同工況，可以計(jì)算出輸送帶在靜止時(shí)的彈性伸長(zhǎng)量ΔLs，啟動(dòng)時(shí)的彈性伸長(zhǎng)量ΔLA，停機(jī)過程的彈性伸長(zhǎng)量ΔLB，正常運(yùn)行時(shí)的彈性伸長(zhǎng)量ΔLR，從而得到相對(duì)于輸送機(jī)靜止時(shí)的彈性伸長(zhǎng)量為：正常啟動(dòng)時(shí)ΔLRS=ΔLRΔLS；啟動(dòng)過程中ΔLAS=ΔLAΔLS；停機(jī)過程中ΔLBS=ΔLBΔLS。3 變頻調(diào)速?gòu)埦o裝置系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置的系統(tǒng)組成我設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置主要由防爆變頻器、隔爆型三向異步電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、電磁制動(dòng)器、漸開線圓柱斜齒輪三級(jí)展開式減速器、卷筒、張力傳感器及控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖31所示：圖 31 系統(tǒng)構(gòu)成示意 變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置工作原理當(dāng)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，首先把輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)信號(hào)傳遞給自動(dòng)張緊裝置控制系統(tǒng)。防爆變頻器、隔爆電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、電磁制動(dòng)器順序得電，隔爆電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電磁離合器、聯(lián)軸器、電磁制動(dòng)器、減速器和卷筒工作，鋼絲繩通過滑輪組拉緊輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒。當(dāng)張力傳感器反饋張緊力達(dá)到起動(dòng)時(shí)的設(shè)定值時(shí)，電磁離合器、電磁制動(dòng)器先后斷電。此時(shí)電磁制動(dòng)器處于失電制動(dòng)狀態(tài)。輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)結(jié)束后，主電動(dòng)機(jī)起動(dòng)結(jié)束信號(hào)再次傳遞給張緊裝置控制系統(tǒng)，這時(shí)電磁制動(dòng)器得電，電磁制動(dòng)器中摩擦片受電磁力作用被松開，卷筒靠輸送帶張力逆轉(zhuǎn)，起到自動(dòng)松帶的效果，直到張力傳感器反饋的數(shù)值達(dá)到設(shè)定的工作值時(shí)，電磁制動(dòng)器斷電，電磁制動(dòng)器中制動(dòng)摩擦片依靠?jī)?nèi)部彈簧壓緊從而起到制動(dòng)效果。在正常工作時(shí)允許輸送機(jī)張力在設(shè)定值的177。10%范圍內(nèi)波動(dòng)。如果皮帶張緊力小于設(shè)定的張力，自動(dòng)張緊裝置自動(dòng)啟動(dòng)，輸送帶被拉緊，直到張緊力達(dá)到設(shè)定的范圍內(nèi)。當(dāng)張力大于設(shè)定的張緊力，電磁離合器得電、電磁制動(dòng)器得電，制動(dòng)器內(nèi)摩擦片被松開，皮帶張力自動(dòng)下降。當(dāng)張緊力突然下降到0時(shí)，說明皮帶斷裂或發(fā)生其它情況，此時(shí)張緊裝置停止工作。詳細(xì)的控制工作過程詳見控制系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。 變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置的特點(diǎn)（1）變頻調(diào)速變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置采用目前較為先進(jìn)的變頻調(diào)速控制技術(shù)，這樣在張緊裝置起、制動(dòng)時(shí)減少對(duì)皮帶的沖擊，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。（2）自動(dòng)調(diào)節(jié)張緊力且適應(yīng)性強(qiáng)變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置可以在輸送機(jī)運(yùn)行過程中，根據(jù)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行條件自動(dòng)調(diào)節(jié)張緊力。滿足輸送機(jī)起、制動(dòng)及正常運(yùn)行時(shí)能自動(dòng)以不同的張緊力運(yùn)行，保證輸送機(jī)以較大張力起、制動(dòng)，防止輸送帶波涌現(xiàn)象，同時(shí)能以較小的張力穩(wěn)定運(yùn)行。這對(duì)大型帶式輸送機(jī)來說提高了整個(gè)輸送機(jī)系統(tǒng)的可靠性、安全性。同時(shí)提高了輸送帶的使用壽命。實(shí)際上輸送機(jī)各種工況下張力的理論值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值之間有很大的差距，加上控制系統(tǒng)信號(hào)采集誤差，造成現(xiàn)場(chǎng)工作點(diǎn)張力偏離理論值很大。這就要求張緊裝置對(duì)張力的調(diào)節(jié)功能較強(qiáng)。本系統(tǒng)中，各種工況下張力的控制范圍可在PLC中進(jìn)行設(shè)定，使張緊裝置能靈活控制各種工況條件下的張力范圍。（3）響應(yīng)速度快自動(dòng)張緊裝置設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的另一個(gè)重要因素是：張緊裝置的反應(yīng)速度不能低于張力波在輸送帶中的傳播速度。由公式31得出彈性波的傳播速度j。 m/s （31）式中E——膠帶的彈性模量 N/mm2；A——膠帶面積 mm2；q——膠帶、貨物及托輥單位長(zhǎng)度的質(zhì)量 kg/m。在變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置中，傳感器、電磁離合器及電磁制動(dòng)器等元件都通過控制系統(tǒng)直接控制，電動(dòng)機(jī)的反應(yīng)速度也能通過變頻器的設(shè)定控制在2s以內(nèi)，能滿足張緊裝置對(duì)反應(yīng)速度的要求，而且響應(yīng)速度快。（4）設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置由于只有電器與機(jī)械部分，與目前帶式輸送機(jī)上使用的許多張緊裝置相比，中間減少了一些機(jī)械與液壓部件。從一臺(tái)設(shè)備使用的角度來講，在滿足使用的條件下，系統(tǒng)與零部件越少，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，越不易出現(xiàn)問題，而且維護(hù)也方便快捷。變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置作為一種新型的皮帶張緊裝置。能對(duì)張緊力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，而且響應(yīng)速度快。由于采用了變頻調(diào)速技術(shù)，因此起、制動(dòng)時(shí)對(duì)皮帶的沖擊有明顯的降低，有效增加皮帶和設(shè)備的使用壽命。與其它形式的張緊裝置相比，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，能實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的張緊要求。 本課題所做的工作1）對(duì)帶式輸送機(jī)張緊系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，總結(jié)了輸送機(jī)啟動(dòng)張緊力、制動(dòng)張緊力和正常張緊力的計(jì)算方法以及張緊系統(tǒng)的安裝位置。設(shè)計(jì)出變頻調(diào)速自動(dòng)張緊裝置。2）設(shè)計(jì)出了配套的滾筒，通過滾筒的旋轉(zhuǎn)來拉緊皮帶或放松皮帶。2）設(shè)計(jì)了三級(jí)展開式圓柱斜齒輪減速器，用于聯(lián)接電機(jī)與滾筒，以便降低隔爆電機(jī)的高速合理驅(qū)動(dòng)滾筒。3）選取了西門子MM440變頻器，對(duì)其進(jìn)行介紹，并設(shè)計(jì)出了其與PLC、電動(dòng)機(jī)的接線圖及控制程序。4）介紹了如何運(yùn)用STEP7Micro/WIN32軟件對(duì)PLC程序的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控及調(diào)試。5）介紹了如何實(shí)現(xiàn)PC對(duì)PLC的遠(yuǎn)程編程或控制。4 設(shè)計(jì)計(jì)算部分輸送機(jī)長(zhǎng)度：L=3000；與長(zhǎng)度有關(guān)的局部阻力系數(shù)：k=1；輸送量：A=2500t/h；輸送機(jī)帶速：v=；每米貨載質(zhì)量：Q=；輸送機(jī)