帶式輸送機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王瀏潔

（陽煤集團(tuán)機(jī)電設(shè)備管理中心， 山西 陽泉 045000）

引言

帶式輸送機(jī)為煤礦綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)輸效率和可靠性直接決定綜采工作面的生產(chǎn)能力。驅(qū)動系統(tǒng)為帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的動力分系統(tǒng)，其可靠性和合理性影響著整機(jī)設(shè)備的可靠性和安全性[1]。帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)性能主要影響帶式輸送機(jī)的啟動特性。因此，對帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對提高礦井的生產(chǎn)效率十分有必要。

1 對帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能要求

在實(shí)際生產(chǎn)中，帶式輸送機(jī)驅(qū)動裝置性能不佳導(dǎo)致在啟動階段由于輸送帶張力的瞬間增大出現(xiàn)輸送帶打滑或?qū)ぷ髅骐娋W(wǎng)造成沖擊的現(xiàn)象。為解決上述問題，對帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)提出如下要求：

1）為保證帶式輸送機(jī)能夠按照設(shè)定速度曲線完成平穩(wěn)啟動，要求驅(qū)動系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際情況對啟動時間進(jìn)行微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)啟動加速度的控制；

2）要求驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對帶式輸送機(jī)的多電機(jī)啟動任務(wù)；

3）要求驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對帶式輸送機(jī)的過載保護(hù)；

4）要求驅(qū)動系統(tǒng)在運(yùn)輸過程中發(fā)生故障必須停機(jī)時可不依賴電動機(jī)完成停機(jī)任務(wù)[2]。

2 帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

目前，可應(yīng)用于帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的方法包括有機(jī)械驅(qū)動、電力驅(qū)動、液力驅(qū)動和液壓驅(qū)動。經(jīng)對上述驅(qū)動方式綜合對比，且考慮到液壓驅(qū)動方式目前已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械運(yùn)輸、煤礦開采以及冶金等行業(yè)。因此，本文擬采用液壓驅(qū)動方式對帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行控制。帶式輸送機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要由電動機(jī)、液壓馬達(dá)、液壓泵、各類液壓閥和液壓油箱組成[3]，其結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3 帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文以某型帶式輸送機(jī)為研究對象，對其對應(yīng)的液壓驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。本文所研究帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 帶式輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)工作壓力需結(jié)合輸送帶的運(yùn)輸能力和運(yùn)輸成本兩個因素。若驅(qū)動系統(tǒng)工作壓力設(shè)計(jì)值較小將會降低驅(qū)動系統(tǒng)的靈活性，增加系統(tǒng)的制造成本；當(dāng)工作壓力設(shè)計(jì)值較大時容易導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)出現(xiàn)泄露、降低容積效率的問題出現(xiàn)[4]。因此，根據(jù)帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)工作壓力輸送機(jī)的負(fù)載和主機(jī)類型綜合確定。

根據(jù)表1 中帶式輸送機(jī)的參數(shù)，初步擬定驅(qū)動系統(tǒng)的工作壓力為25 MPa。

3.1 液壓馬達(dá)參數(shù)的確定

液壓馬達(dá)的排量為該設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，液壓馬達(dá)排量的計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：T 為帶式輸送機(jī)驅(qū)動滾筒的最大扭矩，取8.2 kN·m；p1為液壓馬達(dá)的工作壓力，取 25 MPa；p2為液壓馬達(dá)的回路背壓，取1 MPa；ηm為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，取0.9。經(jīng)計(jì)算可得，馬達(dá)的最大排量為2.4 L/r。

結(jié)合當(dāng)前市面液壓馬達(dá)的產(chǎn)品，所選液壓馬達(dá)的型號為1QJM-53-3.2。經(jīng)查表可得：該液壓馬達(dá)的最大排量為3.24 L/r，最大工作壓力為31.5 MPa，額定工作壓力為20 MPa，液壓馬達(dá)的最大流量為161 L/min。

3.2 液壓泵參數(shù)的確定

考慮到液壓油在液壓泵和液壓馬達(dá)管路之間的壓力損失（1 MPa），則液壓泵的最大工作壓力為26 MPa。

液壓泵的額定流量=1.1（泄露系數(shù)）×161 L/min（液壓馬達(dá)的最大流量）=177.1 L/min。

根據(jù)液壓泵的最大工作壓力和額定流量的計(jì)算結(jié)果，所選型液壓泵的型號為160CY14-1B。該型號液壓泵的最大工作壓力為32 MPa，額定排量為250 mL/r。

4 帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)特性研究

根據(jù)帶式輸送機(jī)的參數(shù)及其驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，基于AMESim 軟件建立驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型，所搭建驅(qū)動系統(tǒng)的液壓仿真模型如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動系統(tǒng)液壓仿真模型

設(shè)定仿真時長為173 s，對帶式輸送機(jī)在啟動、正常運(yùn)行以及制動三個工況下驅(qū)動系統(tǒng)的特性進(jìn)行仿真分析，著重對液壓泵的出口壓力、出口流量以及液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真分析[5]。

4.1 液壓泵出口壓力仿真結(jié)果

液壓泵出口壓力的仿真結(jié)果如圖3 所示。

如圖3 所示，帶式輸送機(jī)在啟動初期，液壓泵的出口壓力瞬間上升，此現(xiàn)象是由于液壓泵受到?jīng)_擊所導(dǎo)致。0～110 s 為帶式輸送機(jī)的啟動階段，液壓泵出口壓力在110 s 達(dá)到穩(wěn)定值為26 MPa；當(dāng)帶式輸送機(jī)約穩(wěn)定運(yùn)行30 s 后，開始制動，對應(yīng)液壓泵的出口壓力減小，并在163 s 左右泵的出口壓力重新到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 液壓泵出口壓力變化趨勢

4.2 液壓泵出口流量仿真結(jié)果

液壓泵出口流量仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 液壓泵出口流量曲線

如圖4 所示，在帶式輸送機(jī)啟動初期，由于對液壓泵有一定的沖擊，導(dǎo)致在瞬間液壓泵的出口流量瞬間達(dá)到峰值后又很快降至零，而后泵出口流量才穩(wěn)步上升，并在110 s 液壓泵出口壓力穩(wěn)定后其對應(yīng)的出口流量也穩(wěn)定在175 L/min。并在穩(wěn)定運(yùn)行約30 s 后開始制動，對應(yīng)液壓泵出口流量逐漸減小，最終閥口完全關(guān)閉，對應(yīng)出口流量為零。

4.3 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果如圖5 所示，液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速隨著系統(tǒng)的啟動而緩慢上升，期間經(jīng)歷了兩次平穩(wěn)運(yùn)行、兩次運(yùn)速上升，且最終液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定于60 r/min；當(dāng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行40 s 后開始制動，并在制動30 s 后馬達(dá)轉(zhuǎn)速為零，從而完成帶式輸送機(jī)的平穩(wěn)制動。

圖5 液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速曲線

綜上所述，基于本文所設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動系統(tǒng)能夠保證帶式輸送機(jī)在啟動、穩(wěn)定運(yùn)行以及制動等工況穩(wěn)定運(yùn)行，尤其在啟動階段能夠確保系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)曲線啟動。

5 結(jié)語

帶式輸送機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，其驅(qū)動系統(tǒng)性能直接決定設(shè)備整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。本文選擇液壓驅(qū)動方式對帶式輸送機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制，并為驅(qū)動系統(tǒng)選擇液壓馬達(dá)的型號為1QJM-53-3.2，液壓泵的型號為160CY14-1B。經(jīng)對液壓驅(qū)動系統(tǒng)仿真分析可知，液壓驅(qū)動系統(tǒng)能夠保證帶式輸送機(jī)在啟動、穩(wěn)定運(yùn)行以及制動等工況穩(wěn)定運(yùn)行，尤其在時啟動階段能夠確保系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)曲線啟動。