帶式輸送機(jī)斷帶抓捕器液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

趙云龍

（陽(yáng)煤寺家莊有限責(zé)任公司機(jī)運(yùn)部修配隊(duì)， 山西 昔陽(yáng) 045300）

引言

帶式輸送機(jī)作為工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，其主要功能是實(shí)現(xiàn)工作面物料、設(shè)備等到地面的運(yùn)輸任務(wù)。由于實(shí)際生產(chǎn)中帶式輸送機(jī)輸送帶的受力不均常出現(xiàn)過(guò)載、接口疲勞等問(wèn)題，從而導(dǎo)致輸送帶發(fā)生撕裂或者斷裂等事故。當(dāng)前應(yīng)用于輸送帶的斷帶保護(hù)裝置為抓捕器，當(dāng)發(fā)生斷帶事故時(shí)完成帶式輸送機(jī)制動(dòng)的同時(shí)抓住斷開(kāi)的輸送帶。常規(guī)設(shè)計(jì)中雖然根據(jù)相關(guān)規(guī)范及要求對(duì)抓捕器的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在實(shí)際生產(chǎn)中要驗(yàn)證其性能仍具有一定的局限性[1]。因此，本文將基于AMESim軟件對(duì)所設(shè)計(jì)抓捕器的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

1 斷帶抓捕器液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 斷帶抓捕器液壓系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求

斷帶抓捕器工作原理：當(dāng)帶式輸送機(jī)發(fā)生斷帶事故時(shí)，系統(tǒng)中傳感器得到信號(hào)控制液壓缸迅速推動(dòng)制動(dòng)裝置動(dòng)作，并對(duì)輸送帶進(jìn)行夾持操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)斷帶輸送帶的抓捕任務(wù)。為確保抓捕器起到對(duì)設(shè)備的保護(hù)作用，要求其液壓系統(tǒng)滿足如下要求：一是當(dāng)帶式輸送機(jī)發(fā)生斷帶事故，相關(guān)傳感器發(fā)出信號(hào)到設(shè)備制動(dòng)，整個(gè)過(guò)程要求在2 s內(nèi)完成；二是針對(duì)輸送帶的正向和反向運(yùn)行，要求液壓系統(tǒng)擁有兩套方向閥控制液壓缸的動(dòng)作，從而確保抓捕器能夠從兩個(gè)方面完成對(duì)斷帶的抓捕任務(wù)[2]。

1.2 斷帶抓捕器液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)要求，為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向閥對(duì)液壓缸的控制，從而從兩個(gè)方向完成對(duì)斷帶的抓捕任務(wù)，設(shè)計(jì)如圖1所示的抓捕器液壓系統(tǒng)原理圖。

如圖1所示，為滿足液壓系統(tǒng)在2 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的制動(dòng)操作，普通液壓換向閥僅適用于小流量的場(chǎng)合，而電液換向閥的響應(yīng)時(shí)間等級(jí)在毫秒級(jí)。因此，本液壓系統(tǒng)中采用電液換向閥。

圖1 斷帶抓捕器液壓系統(tǒng)原理圖

1.3 抓捕器液壓系統(tǒng)元件的選型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)中液壓缸的內(nèi)徑為100 mm，活塞桿直徑為55 mm，工作壓力為21 MPa，1號(hào)液壓缸行程為300 mm，2號(hào)液壓缸行程為450 mm?；谏鲜鲆髮?duì)液壓系統(tǒng)中蓄能器、液壓泵以及電液換向閥等關(guān)鍵液壓元件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算結(jié)果及結(jié)合經(jīng)驗(yàn)選型的基礎(chǔ)上，液壓系統(tǒng)元件的選型結(jié)果如表1所示。

表1 抓捕器液壓系統(tǒng)關(guān)鍵液壓元件選型結(jié)果

2 抓捕器液壓控制系統(tǒng)的仿真分析

2.1 仿真模型的搭建

以液壓缸流量、蓄能器流量及壓力的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，基于Matlab/Simulink軟件搭建仿真模型，并根據(jù)液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元器件的參數(shù)對(duì)模型中的部件進(jìn)行設(shè)置，給予液壓系統(tǒng)中電磁換向閥的信號(hào)如下：電磁換向閥在0～3 s時(shí)的位移為5 mm，3.06 s時(shí)到仿真結(jié)束的位移為-5 mm。在上述基礎(chǔ)上對(duì)液壓系統(tǒng)中液壓缸壓力、流量以及響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析[3]。

2.2 仿真結(jié)果的分析

2.2.1 液壓缸位移仿真結(jié)果的分析

基于2.1中所搭建的仿真模型和給予電磁換向的信號(hào)，所得兩個(gè)液壓缸活塞的位移變化如圖2所示。

圖2 液壓缸活塞位移變化情況

如圖2所示，當(dāng)帶式輸送機(jī)在0 s時(shí)發(fā)生斷帶事故，1號(hào)液壓缸1.3 s的時(shí)間內(nèi)完成活塞桿的全部伸出且行程為300 mm；2號(hào)液壓缸在1.7 s內(nèi)完成活塞桿的全部伸出且行程為450 mm[4]。此時(shí)，液壓缸均處于供油狀態(tài)并抓緊斷帶，滿足系統(tǒng)在2 s內(nèi)完成制動(dòng)的相關(guān)要求。

完成抓捕任務(wù)后，在3.06 s電磁換向閥反向得電，1號(hào)液壓缸在4 s時(shí)活塞桿全部收回，2號(hào)液壓缸在4.3 s時(shí)活塞桿全部收回。1號(hào)、2號(hào)液壓缸活塞桿全部收回的耗時(shí)分別為0.94 s和1.24 s，均滿足系統(tǒng)在2 s內(nèi)完成動(dòng)作的要求。

2.2.2 液壓缸流量仿真結(jié)果的分析

基于2.1中所搭建的仿真模型和給予電磁換向的信號(hào)，所得兩個(gè)液壓缸入口流量變化曲線如圖3所示。

圖3 1號(hào)液壓缸入口流量變化情況

如圖3所示，對(duì)于1號(hào)液壓缸而言，當(dāng)液壓缸活塞桿在1.3 s伸出過(guò)程中，液壓缸入口的流量為138 L/min；當(dāng)液壓缸全部伸出處于供油狀態(tài)，正在完成抓帶動(dòng)作時(shí)，此時(shí)電磁換向閥處于中位，液壓缸此時(shí)的入口流量為0 L/min；當(dāng)系統(tǒng)完成抓捕任務(wù)，對(duì)應(yīng)的液壓缸活塞桿收回時(shí)，此時(shí)電磁換向閥反向開(kāi)口，與其對(duì)應(yīng)的液壓缸的入口流量為-138 L/min（“—”代表液壓油方向）；當(dāng)液壓缸活塞桿全部收回后對(duì)應(yīng)的電磁換向閥又處于中位，此時(shí)液壓缸的入口流量為0。

同樣，對(duì)于2號(hào)液壓缸入口流量的變化趨勢(shì)和1號(hào)液壓缸相似，唯一不同在于2號(hào)液壓缸伸出和回收所經(jīng)歷的時(shí)間較長(zhǎng)，即0～1.7 s伸出過(guò)程的入口流量為149 L/min；4.3 s以后完成活塞桿全部收回，入口流量為0 L/min。

3 結(jié)論

帶式輸送機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，其承擔(dān)著整個(gè)工作面物料、設(shè)備等的運(yùn)輸任務(wù)。在實(shí)際生產(chǎn)中常常遇到載荷突變或者超載的工況，進(jìn)而造成斷帶事故的發(fā)生[5]。為了避免事故的進(jìn)一步惡化，需采用有效的斷帶保護(hù)裝置，即可對(duì)斷帶進(jìn)行抓捕。為進(jìn)一步提升抓捕器的可靠性和高效性，要求抓捕器液壓系統(tǒng)需在斷帶事故發(fā)生后2 s內(nèi)完成制動(dòng)，并可從兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)斷帶的抓捕任務(wù)。經(jīng)仿真分析，所設(shè)計(jì)的抓捕器均能夠滿足要求，可在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。