帶式輸送機(jī)中液壓張緊裝置的設(shè)計(jì)分析

王 岱

（晉能控股集團(tuán)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機(jī)是進(jìn)行物料輸送的重要設(shè)備，在煤礦、港口中被廣泛應(yīng)用。帶式輸送機(jī)的可靠性高，易于依托地形進(jìn)行布置，特別是在進(jìn)行煤炭輸送的過程中，依據(jù)礦山地形的變化，可以快速方便地進(jìn)行布置，實(shí)現(xiàn)煤炭的高效運(yùn)輸。帶式輸送機(jī)在啟停的過程中，依靠輸送帶的張力作用進(jìn)行緩沖，并且隨著輸送量的不同，需要對(duì)張力及時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)物料的平穩(wěn)輸送[1]。在帶式輸送機(jī)運(yùn)行的不同階段，對(duì)于張力大小的需求不同，過大或過小的張力均不利于輸送的平穩(wěn)安全，因此，針對(duì)帶式輸送機(jī)的張緊問題，設(shè)計(jì)采用新型的、適應(yīng)性強(qiáng)、張力自動(dòng)調(diào)節(jié)的液壓張緊裝置。

1 液壓張緊裝置的整體設(shè)計(jì)方案

采用液壓系統(tǒng)對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行張緊，整個(gè)張緊裝置的張緊力首先要保證輸送帶和滾筒之間的摩擦力，避免出現(xiàn)打滑，并為托輥之間的輸送帶提供足夠的張力，保證輸送帶的穩(wěn)定，避免垂度過大。在進(jìn)行張緊裝置的布置時(shí)，應(yīng)綜合考慮帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)，張緊裝置盡量布置在整個(gè)輸送帶的最小張力點(diǎn)的位置，并依據(jù)張緊力的作用區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，為保證張緊裝置的響應(yīng)速度，整體位置應(yīng)布置在靠近傳動(dòng)滾筒的離開點(diǎn)處，張緊力要經(jīng)過滾筒的中心線[2]。

確定足夠的張緊行程，要留有足夠的長(zhǎng)度滿足輸送帶的接頭需求，同時(shí)補(bǔ)償輸送帶的形變引起的長(zhǎng)度，在使用過程中，對(duì)于物料載荷及在啟停階段引起的彈性伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度要有所補(bǔ)償，保證張緊行程的有效性[3]。

液壓張緊裝置采用電液比例控制的方式，在不同的工況下對(duì)張緊力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證帶式輸送機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。液壓張緊裝置的整體方案圖如圖1 所示。液壓張緊裝置主要由液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)組成[4]。液壓系統(tǒng)包括液壓泵站、閥組、執(zhí)行油缸、蓄能器和制動(dòng)器；機(jī)械系統(tǒng)包括為張緊功能的執(zhí)行系統(tǒng)，主要由張緊小車、絞車、滑輪組等組成；電氣控制系統(tǒng)主要包括張緊力的監(jiān)控裝置和電控站，對(duì)張緊系統(tǒng)的運(yùn)行起到控制作用。液壓張緊裝置系統(tǒng)采用電液比例閥對(duì)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，并通過張力傳感器采集相應(yīng)的張力值并進(jìn)行數(shù)據(jù)的反饋，實(shí)現(xiàn)不同工況時(shí)的張緊力的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。采用液壓絞車作為張緊力的執(zhí)行元件，對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行張緊行程的調(diào)節(jié)，并保證輸送帶的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 液壓張緊裝置整體方案圖

采用方案中設(shè)計(jì)的液壓張緊裝置能夠依據(jù)帶式輸送機(jī)不同工況時(shí)對(duì)張緊力的不同需求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而使帶式輸送機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的張力減小，可延長(zhǎng)輸送帶的使用壽命，降低其工作強(qiáng)度，并減小帶式輸送機(jī)的運(yùn)行維護(hù)成本[5]。自動(dòng)液壓張緊系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，在帶式輸送機(jī)的啟停階段，緩沖油缸能夠及時(shí)地吸收彈性振動(dòng)的能量，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的張緊，降低帶式輸送機(jī)的沖擊作用。液壓張緊裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，布置靈活，可以依據(jù)帶式輸送機(jī)的實(shí)際工作位置進(jìn)行靈活地布置，滿足輸送帶的張緊需求，并帶有制動(dòng)裝置，能對(duì)液壓絞車進(jìn)行鎖緊，保證帶式輸送機(jī)的張力穩(wěn)定。在控制上，該設(shè)備不僅能夠進(jìn)行自動(dòng)控制，同時(shí)帶有手動(dòng)控制方式，在需要人工干預(yù)時(shí)，能夠進(jìn)行切換控制[6]。

2 液壓張緊裝置的穩(wěn)定性仿真分析

對(duì)于液壓張緊裝置中液壓系統(tǒng)的性能進(jìn)行一定的仿真分析，根據(jù)實(shí)際的物理系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)的辨識(shí)建立描述其動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，從而在計(jì)算上進(jìn)行仿真運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)方案的論證及參數(shù)優(yōu)化。采用Matlab 進(jìn)行液壓系統(tǒng)的性能分析，從軟件庫中建立相應(yīng)的模塊，搭建液壓系統(tǒng)的模型，設(shè)定模型運(yùn)行的參數(shù)，進(jìn)行運(yùn)算仿真。

對(duì)于液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析可以清晰地觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性并快速相應(yīng)，便于對(duì)系統(tǒng)的指標(biāo)記性分析。液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性是非常重要的特性，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法被應(yīng)用的。液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是指在打破原有平衡狀態(tài)之后再次達(dá)到平衡中所體現(xiàn)的特性，其中，系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)都發(fā)生一定的變化。采用頻率特性的方式來對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

在Matlab 軟件中搭建液壓系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)定液壓系統(tǒng)的整體傳遞函數(shù)方框圖如圖2 所示，并進(jìn)行液壓系統(tǒng)的運(yùn)行仿真，得到張緊系統(tǒng)的階躍響應(yīng)變化如圖3 所示。

圖2 液壓系統(tǒng)的力控制仿真模型框圖

圖3 液壓系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

從圖3 中可以看出，液壓系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，輸出為張緊力的大小，系統(tǒng)的上升時(shí)間為0.66 s，調(diào)整時(shí)間為8.52 s，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出值為1.36 kN。系統(tǒng)的超調(diào)量比較大，穩(wěn)態(tài)輸出相對(duì)期望值具有一定的差值，需要對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)一步分析。

圖4 中所示為液壓自動(dòng)張緊系統(tǒng)的伯德圖，從而可以對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。從圖4 中可以看出，液壓張緊系統(tǒng)的幅值裕量為7.86 dB，相對(duì)的裕量值為22°，由此表明液壓張緊系統(tǒng)是穩(wěn)定的，并具有一定的穩(wěn)定性儲(chǔ)備，可以滿足帶式輸送機(jī)的張緊需求。在液壓系統(tǒng)中，由于蓄能器的存在，使得系統(tǒng)對(duì)于帶式輸送機(jī)的沖擊具有較好的緩沖作用，保證了張力的快速相應(yīng)和超調(diào)量。

圖4 液壓張緊系統(tǒng)的伯德圖

3 結(jié)語

由于帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中需要張緊力，設(shè)計(jì)了液壓自動(dòng)張緊裝置。采用電液比例閥的形式對(duì)液壓馬達(dá)的張力進(jìn)行控制，并采用緩沖油缸的形式避免沖擊，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于張緊力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保證帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)，采用Matlab 仿真分析，確定了張緊系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并具有一定的超調(diào)量，滿足了帶式輸送機(jī)的張緊需求。