刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

李銀彥

（山西晉煤集團(tuán)金鼎煤機(jī)礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048006）

引言

采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等作為綜采工作面的大型機(jī)電設(shè)備，其運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性直接決定煤炭的開(kāi)采效率和質(zhì)量。刮板輸送機(jī)不僅承擔(dān)著煤炭、物料的運(yùn)輸任務(wù)，其還為采煤機(jī)的牽引提供導(dǎo)軌。隨著刮板輸送機(jī)朝著大運(yùn)量、大功率的方向發(fā)展，其可靠性和安全性受到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)[1]。實(shí)踐表明，刮板鏈作為刮板輸送機(jī)最易損壞的部件，主要?dú)w咎于其啟動(dòng)方式或者載重量發(fā)生變化，需對(duì)刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)張緊系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)

刮板輸送機(jī)是以撓性體為牽引機(jī)構(gòu)的輸送機(jī)械，是當(dāng)前工作面配合采煤機(jī)工作的關(guān)鍵設(shè)備。刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，刮板輸送機(jī)主要由機(jī)頭部、鏈輪組件、過(guò)渡槽、中部槽、機(jī)尾部以及刮板鏈等組成。

2 刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)主要根據(jù)實(shí)時(shí)工況對(duì)刮板鏈張力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，主要包括有伸縮機(jī)尾、張緊系統(tǒng)電氣控制分系統(tǒng)和液壓控制分系統(tǒng)組成。張緊系統(tǒng)液壓控制分系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要由各類(lèi)液壓元器件組成，根據(jù)電氣控制系統(tǒng)所發(fā)出的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油流動(dòng)方向的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伸縮機(jī)尾的伸出和收縮的控制[2]。伸縮機(jī)尾為張緊系統(tǒng)的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 刮板輸送機(jī)伸縮機(jī)尾結(jié)構(gòu)示意圖

3 自動(dòng)張緊系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 液壓控制系統(tǒng)的工作原理

液壓控制分系統(tǒng)作為張緊系統(tǒng)的核心部分，液壓控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性和控制精度直接決定張緊系統(tǒng)性能的發(fā)揮。自動(dòng)張緊系統(tǒng)的液壓控制分系統(tǒng)主要由液壓缸、伸出閥、收縮閥、壓力傳感器以及各類(lèi)液壓閥和管路等組成[3]。

自動(dòng)張緊系統(tǒng)液壓分系統(tǒng)的工作原理為根據(jù)壓力傳感器所采集的數(shù)據(jù)判斷伸出閥或者收縮閥的動(dòng)作。其中，液壓泵站為整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源；伸出閥和收縮閥為整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)其液壓缸的收縮和伸出來(lái)控制伸縮機(jī)尾的收縮和伸出。此外，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)乳化液壓力超過(guò)限值時(shí)，減壓閥動(dòng)作以達(dá)到減壓的目的。

3.2 液壓控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求

為確保自動(dòng)張緊系統(tǒng)能夠根據(jù)生產(chǎn)需求實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈條張緊力的調(diào)節(jié)，要求張緊系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)效率、功率利用、調(diào)速范圍以及液壓系統(tǒng)剛度方面滿(mǎn)足要求，最終反應(yīng)到張緊系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速響應(yīng)特性以及控制精度等[4]。自動(dòng)張緊系統(tǒng)的性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)性能指標(biāo)

3.3 液壓系統(tǒng)參數(shù)的確定

液壓缸、各類(lèi)控制閥為自動(dòng)張緊裝置液壓控制系統(tǒng)的關(guān)鍵液壓元器件，所謂自動(dòng)張緊裝置的設(shè)計(jì)主要是確定各類(lèi)液壓元器件的相關(guān)參數(shù)[5]。鑒于篇幅原因，此處僅列出關(guān)鍵元器件的參數(shù)，省略計(jì)算過(guò)程。關(guān)鍵元器件參數(shù)如表2 所示。

表2 自動(dòng)張緊裝置液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元器件參數(shù)

4 自動(dòng)張緊裝置液壓系統(tǒng)的仿真研究

前文講到對(duì)自動(dòng)張緊裝置的響應(yīng)特性和穩(wěn)定性提出了較高的要求。本節(jié)基于AMESim 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊裝置的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真研究。

4.1 仿真模型的搭建

基于AMESim 軟件分別對(duì)液壓系統(tǒng)中的液壓泵站、伸出閥、收縮閥、液壓缸等液壓元器件的模型進(jìn)行搭建，并將各個(gè)零部件的模型裝配為自動(dòng)張緊系統(tǒng)液壓控制分系統(tǒng)的仿真模型。仿真模型如圖3所示。

圖3 自動(dòng)張緊裝置液壓系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)表2 計(jì)算所得的各液壓元器件的參數(shù)對(duì)仿真模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，分別對(duì)自動(dòng)張緊裝置液壓控制系統(tǒng)液壓缸伸出工況和收縮工況的性能進(jìn)行仿真分析。

4.2 仿真結(jié)果的分析

設(shè)定仿真時(shí)長(zhǎng)為10 s，仿真步長(zhǎng)為0.1 s。

4.2.1 伸出工況下仿真結(jié)果的分析

液壓缸只有在無(wú)桿側(cè)壓力低于設(shè)定壓力值后才會(huì)進(jìn)行伸出動(dòng)作。因此，設(shè)定液壓缸無(wú)桿側(cè)壓力值為0 時(shí)對(duì)活塞位移、活塞速度以及活塞推力三個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果分析如下：

當(dāng)液壓缸無(wú)桿側(cè)壓力為0 時(shí)，液壓缸迅速伸出，即在仿真開(kāi)始階段活塞桿的速度在瞬間達(dá)到最大值，最大活塞速度為0.056 m/s；隨著液壓缸無(wú)桿側(cè)壓力的增加，活塞桿的伸出速度呈線(xiàn)性減小趨勢(shì)，直到液壓缸無(wú)桿側(cè)壓力值等于系統(tǒng)設(shè)定壓力值時(shí)，活塞桿的速度為0，歷時(shí)4.2 s，此時(shí)活塞桿的伸出位移為0.1 m，最終液壓缸無(wú)桿側(cè)的壓力穩(wěn)定在15.3 MPa。上述仿真結(jié)果滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

4.2.2 收縮工況下仿真結(jié)果的分析

當(dāng)液壓缸無(wú)桿側(cè)的壓力大于系統(tǒng)設(shè)定壓力值時(shí)，液壓缸才會(huì)進(jìn)行收縮動(dòng)作。此處，設(shè)定液壓缸無(wú)桿側(cè)的壓力值為20 MPa，同樣對(duì)活塞位移、活塞速度以及活塞推力三個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果分析如下：

當(dāng)液壓缸無(wú)桿側(cè)的壓力值為20 MPa 時(shí)，在仿真初期液壓缸有桿側(cè)的壓力小于單向閥反向?qū)▔毫?，?dǎo)致無(wú)桿側(cè)的壓力持續(xù)上升。當(dāng)單向閥反向被導(dǎo)通時(shí)，液壓缸活塞開(kāi)始收縮，并歷時(shí)3 s 后活塞桿的位移達(dá)到最低為0.205 m。此時(shí)，無(wú)桿側(cè)的壓力小于系統(tǒng)設(shè)定壓力值，系統(tǒng)開(kāi)始伸出動(dòng)作，直到無(wú)桿側(cè)壓力值穩(wěn)定于15.3 MPa 時(shí)，伸出動(dòng)作停止。

經(jīng)仿真可知，在收縮工況下由于系統(tǒng)壓力波動(dòng)導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，從而使得刮板輸送機(jī)鏈條的張力發(fā)生較大的浮動(dòng)。因此，為減小上述系統(tǒng)沖擊的情況，在收縮工況下應(yīng)適當(dāng)降低活塞桿的運(yùn)行速度、延長(zhǎng)無(wú)桿側(cè)的釋壓時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

刮板輸送機(jī)承擔(dān)著綜采工作面煤炭、物料運(yùn)輸任務(wù)的同時(shí)還作為采煤機(jī)牽引的導(dǎo)軌，因此其可靠性和穩(wěn)定性尤為重要。鑒于刮板輸送機(jī)在實(shí)際工作中由于啟動(dòng)以及載荷突變的原因，需對(duì)鏈條張力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。為此，為刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)與其相配套、性能穩(wěn)定的自動(dòng)張緊裝置，可促進(jìn)綜采工作面開(kāi)采效率的提升。