卷帶張緊一體化裝置影響因素的數(shù)值模擬

上海煤科檢測技術(shù)有限公司 上海 201401

卷帶張緊一體化裝置為順槽帶式輸送機的重要組成部分，它既能實現(xiàn)順槽帶式輸送機的張緊，又可在儲帶倉輸送帶達到一定長度時完成收放帶，以保證順槽帶式輸送機的正常工作。在收放帶過程中，張緊部分與卷帶部分應(yīng)協(xié)調(diào)工作，保證卷帶的順利進行[1-2]。

卷帶與張緊系統(tǒng)均采用液壓系統(tǒng)控制，由于機器的制造及安裝誤差、輸送帶厚薄不均及張力波動等各種因素，都會影響張緊的性能和卷帶的效率[3-5]；另外，在卷帶過程中，帶卷的直徑和質(zhì)量都會逐漸增大，如果張緊裝置不能及時松繩放帶，輸送帶則處于卡死即卡帶狀態(tài)，這些情況都會對卷帶系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響[6-7]。因此，研究上述情況對卷帶張緊一體化裝置的影響規(guī)律，對卷帶張緊一體化裝置的研制以及保證現(xiàn)場操作人員的安全都有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 卷帶裝置液壓系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of hydraulic system of belt winding device

1 系統(tǒng)建模

卷帶張緊一體化裝置的卷帶過程較為復(fù)雜，需要多個機構(gòu)協(xié)調(diào)完成。其液壓系統(tǒng)的各個機構(gòu)由多路換向閥控制，執(zhí)行元件為液壓馬達或液壓缸。卷帶裝置液壓系統(tǒng)原理如圖 1 所示。

張緊裝置主要起張緊作用，一般由液壓缸和液壓絞車構(gòu)成。液壓缸用于吸收輸送帶啟動過程中的張力波動，而液壓絞車用于在輸送帶長度變化較大時，通過放繩或卷繩實現(xiàn)對輸送帶的張緊。張緊裝置的液壓系統(tǒng)原理如圖 2 所示。

圖2 張緊裝置液壓系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of hydraulic system of tensioning device

根據(jù)卷帶裝置和張緊裝置的液壓系統(tǒng)原理，采用AMESim 軟件建立卷帶張緊一體化裝置的仿真模型，如圖 3 所示。由于只有在收放帶時才需要兩者協(xié)調(diào)工作，因此一體化仿真模型卷帶部分僅考慮收放帶。為使仿真模型更加完整，更接近實際情況，該模型同時還考慮了輸送帶和張緊系統(tǒng)用的鋼絲繩，以便于后期進一步開展更深入的閉環(huán)控制等仿真操作。系統(tǒng)采用1600S 塑料整芯阻燃輸送帶，帶寬 1 400 mm，液壓馬達為某公司生產(chǎn)的 XHS4 型擺缸曲軸式徑向柱塞馬達，其他仿真參數(shù)如表 1 所列。

圖3 卷帶張緊一體化裝置仿真模型Fig.3 Simulation model of integrated device of belt winding and tensioning

表1 卷帶張緊一體化裝置仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of integrated device of belt winding and tensioning

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 帶卷轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)的影響

在卷帶過程中，帶卷纏繞的輸送帶越來越多，其轉(zhuǎn)動慣量也越來越大，實際操作過程中存在停止卷帶然后又重新開始的情況，因此研究帶卷轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)的影響具有實際意義。

對帶卷轉(zhuǎn)動慣量J分別為 1 500、3 000、4 500 和6 000 kg·m24 種工況進行數(shù)值模擬，觀察帶卷轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)壓力的影響，結(jié)果如圖 4 所示。

圖4 帶卷轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)壓力的影響Fig.4 Influence of rotary inertia of belt roll on system pressure

從圖 4 可以看出，帶卷開始轉(zhuǎn)動時，系統(tǒng)壓力的升高受帶卷轉(zhuǎn)動慣量的影響很小，系統(tǒng)壓力不是直接升至額定值，而是有一個超調(diào)量，然后再回落至額定值。超調(diào)量隨轉(zhuǎn)動慣量的增大而增大，當轉(zhuǎn)動慣量為 6 000 kg·m2時，超調(diào)量約為額定值的 230%。這是因為轉(zhuǎn)動慣量越大，系統(tǒng)的靜摩擦力越大，而液壓馬達要克服的靜摩擦力矩就越大，因而需要更大的系統(tǒng)壓力。超調(diào)量大，系統(tǒng)壓力回落至額定值所需的時間也長，轉(zhuǎn)動慣量為 6 000 kg·m2時，回落時間約為3 s。

帶卷轉(zhuǎn)動慣量對液壓泵流量及液壓馬達轉(zhuǎn)速的影響分別如圖 5、6 所示。從圖中可以看出，帶卷啟動(2 s)以后，液壓泵流量曲線與對應(yīng)液壓馬達轉(zhuǎn)速曲線的變化規(guī)律是一致的。對任一轉(zhuǎn)動慣量來說，液壓馬達開始轉(zhuǎn)動后，液壓泵的流量和液壓馬達的轉(zhuǎn)速都呈現(xiàn)一個先下降然后再上升的趨勢，這是由于所采用的泵為恒功率泵，泵的壓力升高，排量隨之下降。對不同的轉(zhuǎn)動慣量來說，轉(zhuǎn)動慣量越大，泵的流量和液壓馬達轉(zhuǎn)速下降的幅度越大，這一點也與恒功率泵的變化特性相符合。調(diào)整時間與超調(diào)量成反比，超調(diào)量越大，調(diào)整時間越長，反之調(diào)整時間越短。

圖5 帶卷轉(zhuǎn)動慣量對液壓泵流量的影響Fig.5 Influence of rotary inertia of belt roll on flow rate of hydraulic pump

圖6 帶卷轉(zhuǎn)動慣量對液壓馬達轉(zhuǎn)速的影響Fig.6 Influence of rotary inertia of belt roll on rotary speed of hydraulic motor

由圖 4～6 可以看出，帶卷轉(zhuǎn)動慣量越大，啟動時液壓馬達的轉(zhuǎn)速以及對系統(tǒng)的沖擊也越大，因此卷帶時應(yīng)連續(xù)工作，同時張緊裝置應(yīng)配合協(xié)調(diào)工作，一次完成卷帶，如果中間停機再重新啟動，則對系統(tǒng)的使用壽命會產(chǎn)生一定的影響。

2.2 帶卷直徑對系統(tǒng)的影響

帶卷轉(zhuǎn)動慣量的變化理論上已包括帶卷直徑的變化，但卷帶裝置有多種型號，分別對應(yīng)不同的帶寬。帶寬不同，雖然轉(zhuǎn)動慣量相同，但直徑并不相同，因此研究帶卷直徑變化對系統(tǒng)參數(shù)的影響也有一定的現(xiàn)實意義。對帶卷直徑D分別為 300、500、750 和 1 000 mm 時系統(tǒng)的變化規(guī)律進行了數(shù)值模擬，結(jié)果如圖7、8 所示。

圖7 帶卷直徑對系統(tǒng)壓力的影響Fig.7 Influence of diameter of belt roll on system pressure

圖8 帶卷直徑對液壓馬達轉(zhuǎn)速的影響Fig.8 Influence of diameter of belt roll on rotary speed of hydraulic motor

從圖 7 可以看出，不同帶卷直徑下系統(tǒng)壓力的變化規(guī)律和圖 4 呈現(xiàn)的變化規(guī)律基本一致，這其中包括超調(diào)量和調(diào)整時間的變化規(guī)律。與圖 4 不同的是，帶卷直徑較小時，系統(tǒng)壓力波動較大，不僅在上升過程中有一定的沖擊，在調(diào)整過程中也有，這一點在帶卷直徑為 300 mm 時尤為明顯。隨之而變化的是液壓馬達的轉(zhuǎn)速(見圖 8)，帶卷直徑較小時，液壓馬達的轉(zhuǎn)速波動較大，調(diào)整時間較長。直徑越大，速度波動越小，說明隨著帶卷直徑的增大，卷帶裝置的穩(wěn)定性在增加，這一特性對卷帶裝置來說是一個優(yōu)點，對保障人員的安全具有重要意義。

從圖 7、8 還可以看出，帶卷直徑過大時，系統(tǒng)壓力的峰值與平穩(wěn)值均較高，這意味著帶卷直徑過小或過大都有可能導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)性能的下降。因此，對卷帶裝置來說，成卷輸送帶的長度不可要求過長。

2.3 卡帶現(xiàn)象對系統(tǒng)的影響

卷帶過程中輸送帶被卡死時，帶卷與卡死處之間的輸送帶會受到突增的拉力，從而對系統(tǒng)壓力和卷帶轉(zhuǎn)速造成較大影響?？◣КF(xiàn)象對系統(tǒng)壓力、液壓馬達轉(zhuǎn)速的影響如圖 9 所示。從圖 9 可以看出，在卡帶現(xiàn)象發(fā)生時，系統(tǒng)壓力快速升高，達到最大值時趨于平穩(wěn)，這主要是由于溢流閥起到安全保護作用。在卡帶發(fā)生時，液壓馬達轉(zhuǎn)速急劇下降，在下降過程中呈現(xiàn)一定的波動，降至約 5 r/min 時維持約 1.5 s，然后迅速下降至零，在零附近有一個調(diào)整過程。下降過程中維持 1.5 s 以及后面的波動是由于所采用的泵為恒功率泵，液壓泵調(diào)至最小排量時，油路內(nèi)的液壓油經(jīng)溢流閥流回油箱需要一定的時間，這就要求張緊和卷帶裝置協(xié)調(diào)配合，共同完成卷帶操作，避免卡帶現(xiàn)象的發(fā)生。

卡帶時一方面會對輸送帶過度拉伸，影響輸送帶的使用壽命；另一方面會造成機架內(nèi)部產(chǎn)生較大的相互作用力，易導(dǎo)致機架變形，影響帶式輸送機的正常工作；更為嚴重的是，如果輸送帶本身有疲勞裂紋等缺陷，很容易導(dǎo)致斷帶的發(fā)生，引發(fā)安全事故。因此，設(shè)計時除了在液壓系統(tǒng)中通過溢流閥來限制卡帶時的最大拉力外，操作臺應(yīng)與卷帶裝置保持一定的距離，以確保操作人員的安全。

3 結(jié)論

(1)帶卷的成卷直徑和成卷質(zhì)量對系統(tǒng)壓力的影響基本一致，開始卷帶時系統(tǒng)壓力的升高會有一個超調(diào)量，然后回落至額定值；在壓力變化過程中，帶卷直徑和成卷質(zhì)量越小，壓力波動越大。

(2)開始卷帶時，液壓馬達轉(zhuǎn)速有一定程度的降低，然后逐漸上升至額定值，轉(zhuǎn)速的降低程度隨著帶卷直徑和成卷質(zhì)量的增大而增大；與開始卷帶時系統(tǒng)壓力變化規(guī)律相似，帶卷直徑和成卷質(zhì)量越小，速度波動越大。

(3)卡帶現(xiàn)象發(fā)生時系統(tǒng)壓力會迅速升至最高值，液壓馬達轉(zhuǎn)速快速下降，由于輸送帶的彈性，速度下降過程中伴隨著一定程度的波動，特別是在接近零值時波動尤為明顯。系統(tǒng)壓力的升高和速度的波動都會對輸送帶和機架的性能產(chǎn)生影響，因此卷帶時應(yīng)和張緊裝置協(xié)調(diào)工作，減小對輸送帶和機架壽命的影響，確保操作人員的安全。