下運帶斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)優(yōu)化及仿真研究*

成志鋒，陳 攀

(1.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006；3.浙江省機械工業(yè)聯(lián)合會，浙江 杭州 310009)

0 引 言

由于皮帶運輸系統(tǒng)的皮帶在生產(chǎn)、安裝、維修及管理等方面存在的種種缺陷，導(dǎo)致皮帶斷裂(即所謂的鋼絲繩芯輸送帶斷裂)事故時有發(fā)生[1-3]，斷帶保護裝置在保證輸送帶安全運輸方面發(fā)揮不可替代的作用[4-5]。國外主要側(cè)重于斷帶前的皮帶斷裂檢測研究，通過多種檢測手段進行斷帶預(yù)測及監(jiān)控，及時更換有缺陷的皮帶，進而保護皮帶運輸系統(tǒng)[6-7]。斷帶抓捕裝置主要利用帶斷或逆止器失效后沿傾斜方向下滑產(chǎn)生的摩擦力為驅(qū)動源，有效地把上、下重空段膠帶抓捕住，防止由此造成重大經(jīng)濟損失和人身事故[8-10]。但抓捕斷帶后，加速下滑的輸送帶動能完全作用于斷帶抓捕裝置上，會對斷帶抓捕裝置產(chǎn)生巨大的沖擊，進而對輸送帶沿線裝備造成嚴重破壞，影響煤礦正常運行。

針對斷帶抓捕產(chǎn)生的沖擊問題，葛雨霞等[11]通過彈簧將斷帶抓捕夾持裝置和支架連接，吸收了斷帶抓捕的沖擊，但彈簧壓縮行程有限，吸收沖擊能力較低；楊寅威等[12-13]提出了利用液壓缸有桿腔外接溢流閥緩沖吸收斷帶抓捕沖擊的方法，溢流閥開啟時，液壓缸活塞桿伸出，有桿腔壓力可以阻止輸送帶的快速下滑；曹亞光[14]改進了楔形斷帶抓捕液壓系統(tǒng)，在液壓缸位移達到一半行程時，其有桿腔油液經(jīng)溢流閥溢流到油箱，從而緩沖了液壓缸末端的液壓沖擊；王利鋒[15]研究了溢流閥開啟壓力對緩沖油缸壓力、制動距離的影響情況，為下運帶式輸送機斷帶抓捕緩沖優(yōu)化研究提供了理論參考；成志鋒[16]通過溢流閥、液壓軟管、蓄能器組合吸收斷帶抓捕的沖擊，并通過仿真，驗證了其有效性和可行性。

現(xiàn)有斷帶抓捕緩沖系統(tǒng)存在較大的振動問題，特別是輸送帶減速后期有明顯的余振和波動情況。

針對上述缺陷，本文對下運輸送機斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，借助AMESIM搭建系統(tǒng)仿真模型，對比研究改進前后系統(tǒng)的性能，分析溢流閥不同開啟壓力對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。

1 原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)原理

原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)簡圖

在圖1中，斷帶抓捕裝置與液壓缸活塞桿相連，斷帶抓捕裝置移動帶動活塞桿伸出與縮回，液壓缸有桿腔與溢流閥連接，大腔直接與油箱相連。

斷帶前，活塞桿處于縮回狀態(tài)；發(fā)生斷帶后，斷帶抓捕裝置夾緊輸送帶，加速下滑的輸送帶沿箭頭方向驅(qū)動斷帶抓捕裝置移動，與其連接的活塞桿會迅速擠壓有桿腔液壓油。

當(dāng)有桿腔液壓油壓力達到溢流閥的開啟壓力時，有桿腔液壓油溢流到油箱，活塞桿伸出，活塞桿擠壓液壓油的過程中，有桿腔壓力會反作用于活塞桿上，阻止活塞快速伸出，進而對斷帶抓捕裝置產(chǎn)生一定緩沖作用。

2 原緩沖系統(tǒng)模型建立及仿真分析

基于AMESIM，本文搭建了斷帶抓捕液壓緩沖模型簡圖，如圖2所示。

圖2 斷帶抓捕緩沖系統(tǒng)簡圖

由于斷帶抓捕裝置沿線布置于輸送帶托輥之間，而托輥間距一般為1.5 m[17]，因此，液壓缸行程暫定L=1.5 m，液壓缸缸徑取D=100 mm，桿徑取d=50 mm。

斷帶抓捕裝置及斷帶總質(zhì)量按6 000 kg計算[18]，輸送帶速度為4.0 m/s，下運傾角為20°。

原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)仿真參數(shù)

設(shè)定仿真步長為0.001 s，仿真時間為2 s，可得到原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)緩沖性能曲線圖，如圖3所示。

圖3 原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)性能圖

由圖3可得：

緩沖過程中，液壓缸位移在1.08 m上下持續(xù)波動，輸送帶速度在-0.15 m/s～+0.15 m/s持續(xù)波動，液壓缸有桿腔壓力在0～10 MPa之間同樣持續(xù)波動。

由此可見，在緩沖輸送帶的沖擊時，原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)會產(chǎn)生劇烈的振動現(xiàn)象。

3 改進斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)原理及建模

基于原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)的仿真分析，本文對斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

改進后的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)原理及仿真模型示意圖如圖4所示。

(a)改進的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)原理圖

(b)改進的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型圖

圖4中，改進后的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)主要由復(fù)位液壓缸、溢流閥、阻尼孔、單向閥組成。當(dāng)發(fā)生斷帶時，斷帶抓捕裝置夾緊輸送帶，與之連接的活塞桿擠壓無桿腔液壓油，無桿腔部分液壓油經(jīng)阻尼孔流回有桿腔。

為防止有桿腔吸空，油液通過單向閥為有桿腔補液；與此同時，無桿腔液壓油壓力達到溢流閥開啟壓力時，會溢流到油箱。

改進后的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)主要優(yōu)點為：

(1)無桿腔為緩沖腔，因此，相比原系統(tǒng)，有更多的液壓油可作為緩沖油液；根據(jù)克拉伯龍方程(pV=定值)可知，緩沖過程的液壓缸無桿腔壓力會有所降低；

(2)無桿腔與有桿腔通過阻尼孔連接，因此，在緩沖過程中，當(dāng)無桿腔壓力低于溢流閥開啟壓力時，無桿腔油液緩慢流回到有桿腔；相比原緩沖系統(tǒng)，當(dāng)有桿腔壓力低于溢流閥開啟壓力前，無桿腔與有桿腔連通，可以避免系統(tǒng)產(chǎn)生較大振動。

4 改進的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)仿真分析

設(shè)定仿真步長為0.001 s，仿真時間為2 s。仿真參數(shù)表如表2所示。

表2 改進的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)仿真參數(shù)

仿真得到改進后的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)性能圖如圖5所示。

圖5 改進后的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)性能圖

由圖(3,5)可知：

在緩沖過程中，改進后的緩沖系統(tǒng)液壓缸位移速度及無桿腔壓力波動程度明顯降低。

在緩沖過程中，液壓缸無桿腔一部分流量經(jīng)溢流閥溢流到油箱，瞬時最大溢流流量為1 800 L/min，另一部分流量經(jīng)阻尼孔流回有桿腔，最大流量為84 L/min；由于輸送帶速度較大，活塞迅速縮回，液壓缸有桿腔會吸空，單向閥最大補油流量為450 L/min。

顯然，在緩沖過程中，溢流閥和阻尼孔均能起到緩沖作用。

在0.35 s時，溢流流量將為0 L/min，溢流閥關(guān)閉，阻尼孔流量由84 L/min緩慢減小至0 L/min，正是由于阻尼孔的作用，液壓缸位移、速度始終無波動。

在溢流閥壓力為8 MPa、10 MPa、12 MPa、14 MPa時，本文對緩沖系統(tǒng)進行仿真，得到溢流閥對改進的緩沖系統(tǒng)的影響規(guī)律圖，如圖6所示。

由圖6可知：溢流閥開啟壓力由8 MPa增大到14 MPa，液壓缸位移由0.97 m減小到0.5 m，液壓缸速度減幅增大，平滑性基本不變，液壓缸無桿腔壓力波動程度增大。

圖6 溢流壓力對改進系統(tǒng)的影響規(guī)律圖

4 結(jié)束語

本文介紹了原下運帶式輸送機斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)工作原理，對系統(tǒng)存在的振動現(xiàn)象進行了仿真建模分析；對原緩沖系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，并搭建模型進行了系統(tǒng)緩沖性能的仿真研究，分析了溢流閥開啟壓力對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)在緩沖過程中，原下運帶式輸送機斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)存在明顯的振動現(xiàn)象；

(2)改進的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)液壓缸位移、速度、壓力波動程度降低，在溢流閥關(guān)閉后，阻尼孔能發(fā)揮較好的減振緩沖作用；

(3)溢流閥開啟壓力增大，液壓缸位移增大，液壓缸速度平滑性不變；降幅增大，液壓缸無桿腔壓力波動程度有所增加。