帶式輸送機液壓張緊裝置的研究

李 洋

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046100）

引言

采煤機、輸送機以及液壓支架作為綜采工作面的三大機電設(shè)備，其運行穩(wěn)定性直接決定綜采工作面的開采效率和安全性。隨著帶式輸送機朝著長距離、大運量以及大功率的方向發(fā)展，其動態(tài)特性影響著帶式輸送機的運行[1]。張緊裝置作為帶式輸送機的關(guān)鍵部件，鑒于其載重量不斷上升，出現(xiàn)在啟動階段對設(shè)備造成較大的沖擊或在運行、制動以及停車等階段出現(xiàn)張緊力余量過大或者余量不足的問題，進而導(dǎo)致設(shè)備功耗過大甚至輸送帶出現(xiàn)應(yīng)力疲勞、拉斷的事故發(fā)展。因此，本文旨在解決帶式輸送機啟動時對輸送帶沖擊較大、輸送帶張力反應(yīng)不及的問題開展對帶式輸送機液壓張緊裝置的研究，并對其張緊特性進行仿真分析。

1 帶式輸送機張緊裝置位置的確定

為確保帶式輸送機的張緊特性除了對其各零部件的性能提出要求外，其所處位置也相當(dāng)重要。經(jīng)驗表明，布置帶式輸送機張緊裝置時需遵循如下原則：

1）張緊裝置最好布置于帶式輸送機啟動裝置附近；若其布置位置確需離驅(qū)動裝置較遠，需為其增設(shè)相應(yīng)的重錘裝置；

2）張緊裝置最好布置于輸送帶張力最小或者離滾筒松邊較近的位置；

3）根據(jù)帶式輸送機具體工況設(shè)計對應(yīng)的張緊力；

4）根據(jù)帶式輸送機輸送帶接頭的預(yù)留量設(shè)計對應(yīng)的拉緊行程[2]。

基于上述原則，并結(jié)合綜采工作面的長度大于300 m且工作面坡度小于5%，將該工作面帶式輸送機張緊裝置布置于設(shè)備驅(qū)動裝置的空載一側(cè)。張緊裝置的布置位置如圖1所示。

圖1 張緊裝置布置示意圖

2 帶式輸送機張緊裝置的設(shè)計

2.1 張緊裝置的結(jié)構(gòu)組成

張緊裝置的主要結(jié)構(gòu)由液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)以及機械系統(tǒng)組成。其中，機械系統(tǒng)主要由絞車、拉緊小車以及滑輪等組成；電氣控制系統(tǒng)主要由傳感元器件以及電氣控制箱等組成；液壓系統(tǒng)主要由液壓泵站、制動器以及蓄能器等組成。

張緊裝置工作原理分析：在實際工作中，位于鋼絲繩上的拉力傳感器對設(shè)備輸送帶的張力進行采集，并將采集到的結(jié)果傳送至PLC控制系統(tǒng)與設(shè)定比較后得出相應(yīng)的控制信號，并實現(xiàn)對張緊裝置電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止等狀態(tài)的控制，從而實現(xiàn)對張緊裝置的拉伸與縮進[3]。

2.2 張緊裝置元器件的設(shè)計選型

2.2.1 張緊裝置液壓系統(tǒng)元器件的選型

帶式輸送機張緊裝置液壓系統(tǒng)主要有油濾器、泵、電動機、電磁換向閥、單向閥、張緊油缸、截止閥、溢流閥、平衡閥以及馬達[4]?；诮?jīng)驗及計算的基礎(chǔ)上，選擇如下頁表1所示的選型結(jié)果。

2.2.2 張緊裝置電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

張緊裝置電氣控制系統(tǒng)基于PLC控制器設(shè)計的。故，PLC控制器為其核心設(shè)備。所選PLC控制器的類型為S7-200系列，為系統(tǒng)設(shè)計兩個輸入模塊、一個輸出模塊。此外，為PLC控制器配置相關(guān)元器件如下頁表2所示。

表1 張緊裝置液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元器件的選型

表2 電氣控制系統(tǒng)元器件選型

本文所研究帶式輸送機的關(guān)鍵參數(shù)為：運量為2 500 t/h；皮帶長度為3 500 m；皮帶寬度為1 200 mm；日常運行速度規(guī)定為4.5 m/s；皮帶的最大角度為3°；驅(qū)動滾筒的直徑為1 030 mm；卸載滾筒的直徑為900 mm；機尾滾筒的直徑為630 mm；改向滾筒的直徑為900 mm。

3 張緊裝置模型的仿真分析

為分析本文所設(shè)計帶式輸送機張緊裝置的張緊特性，需建立可行的張緊裝置模型，并通過張緊裝置的響應(yīng)速度考核其工作性能[5]。本文所采用的仿真軟件為MATLAB，對張緊裝置中關(guān)鍵液壓元件的液壓油缸、溢流閥以及張緊裝置的性能進行仿真分析。

3.1 張緊裝置液壓元件仿真分析

3.1.1 液壓缸仿真分析

為系統(tǒng)提供一個階躍信號得到如圖2所示的液壓缸活塞桿位移隨時間的變化曲線。

圖2 液壓缸活塞桿位移隨時間變化曲線

如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)遇到階躍信號時，液壓缸內(nèi)油壓經(jīng)一定時間波動后趨于穩(wěn)定增長。經(jīng)仿真，可為所選型液壓缸的正確使用提供指導(dǎo)。

3.1.2 溢流閥仿真分析

溢流閥在實際生產(chǎn)中的穩(wěn)定性直接影響張緊裝置液壓系統(tǒng)的壓力的平衡性。因此，在仿真時為系統(tǒng)提供一個突變信號，對其抗干擾性能進行仿真分析。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)溢流閥抗干擾性能仿真結(jié)果

如圖3所示，張緊裝置液壓系統(tǒng)的溢流閥在遇到突變信號時，其穩(wěn)態(tài)過渡時間約為10 ms，即說明溢流閥具有較強的抗干擾性能。在實際生產(chǎn)中，常通過調(diào)節(jié)溢流閥的彈簧剛度和主閥芯質(zhì)量對其抗干擾性能進行優(yōu)化。

3.2 張緊裝置仿真分析

為分析帶式輸送機張緊裝置的張緊特性，特對其緊帶和松帶過程中輸送帶的張力變化進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 張緊裝置張緊特性仿真結(jié)果

如圖4所示，當(dāng)輸送帶的初張力為47 kN時，僅需11 s就能到達到輸送帶所需的張緊力61 kN；而當(dāng)輸送帶的初張力為72 kN時，僅需25 s即可將其張力下降到60 kN。對于長距離、大運量以及大功率的帶式輸送機而言，不論在緊帶過程還是在松帶過程其響應(yīng)時間均能夠滿足實際生產(chǎn)的需求。

4 結(jié)語

液壓系統(tǒng)及其電氣控制系統(tǒng)為張緊裝置的核心系統(tǒng)，在對兩個系統(tǒng)各元器件選型時需結(jié)合計算及經(jīng)驗，并對液壓系統(tǒng)的元器件的參數(shù)進行調(diào)整以達到提升其抗干擾性能的目的。經(jīng)仿真分析，所設(shè)計的張緊裝置不論在松帶還是在緊帶過程其響應(yīng)時間分別為12 s和2.3 s，滿足實際生產(chǎn)的需求。