帶式輸送機(jī)液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真

樊 祥

(山西焦煤霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電有限公司 方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033102)

0 引言

帶式輸送機(jī)為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，隨著工作面采煤工藝改進(jìn)及采煤設(shè)備自動(dòng)化水平的提升，帶式輸送機(jī)朝著大運(yùn)量、長距離以及高運(yùn)速的方向發(fā)展。反映帶式輸送機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)為其啟動(dòng)特性、沖擊特性等。尤其是輸送帶長度越來越長，對其啟動(dòng)特性提出了更高的要求，若啟動(dòng)特性較差，會影響其正常運(yùn)行；若啟動(dòng)過程中加速度突變明顯，容易對系統(tǒng)造成沖擊，影響其穩(wěn)定性[1]。因此本文將著重對帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行研究，并主要對其液壓驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真分析。

1 帶式輸送機(jī)概述

目前，綜采工作面常采用的帶式輸送機(jī)主要由輸送帶、滾筒、托輥、張緊裝置以及清掃器等組成。輸送帶通過驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒形成一個(gè)完全封閉的帶；驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒通過回程托輥和承載托輥進(jìn)行支撐；張緊裝置根據(jù)實(shí)際工況對輸送帶進(jìn)行張緊或松帶操作。帶式輸送機(jī)運(yùn)送物料的原理為依靠輸送帶與滾筒之間的摩擦力，通過滾筒對輸送帶進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際生產(chǎn)中，還為帶式輸送機(jī)配置了打滑保護(hù)傳感器、跑偏傳感器、縱向撕裂保護(hù)傳感器、堆煤保護(hù)傳感器、煙霧保護(hù)傳感器、灑水裝置以及急停傳感器等來保護(hù)設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)方山木瓜煤礦生產(chǎn)能力，所選用帶式輸送機(jī)的參數(shù)如表1所示。

表1 帶式輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

2 帶式輸送機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

采用液壓系統(tǒng)對帶式輸送機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，根據(jù)其工況一般以低速運(yùn)行為主，故采用液壓馬達(dá)為帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行部件[2]。具體驅(qū)動(dòng)原理為：通過電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，在液壓馬達(dá)的作用下驅(qū)動(dòng)設(shè)備的滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過摩擦力帶動(dòng)輸送帶的傳動(dòng)。電機(jī)與液壓馬達(dá)之間配置液壓泵，通過對液壓泵流量的調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)對輸送帶傳送速度的控制。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓原理如圖1所示。

1-驅(qū)動(dòng)馬達(dá)；2-單向控制閥；3-電磁溢流閥；4-雙向平衡控制閥；5-梭閥；6-三位四通電磁比例換向控制閥；7-負(fù)載敏感控制閥；8-壓力控制閥；9-液壓油缸；10-變量泵；11-電機(jī)；12-液壓油過濾器；13-液壓油油箱

2.2 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)元器件的選型設(shè)計(jì)

對于液壓系統(tǒng)而言，其對應(yīng)工作壓力的選擇對后期元器件的選型尺寸、重量以及造價(jià)成本有著重大影響[3]。因此，綜合帶式輸送機(jī)實(shí)際工況對應(yīng)的負(fù)載和固定主機(jī)類型對應(yīng)的工作壓力，最終確定帶式輸送機(jī)液壓系統(tǒng)的工作壓力為25 MPa。

本文所研究帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的最大扭矩為8.2 kNm，液壓馬達(dá)排量Vm的計(jì)算公式如下：

(1)

其中：T為帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)的最大扭矩，取T=8.2 kNm；p1為液壓系統(tǒng)的工作壓力，取p1=25 MPa；p2為液壓系統(tǒng)對應(yīng)的回路壓力，取p2=1 MPa；ηmm為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，取ηmm=0.9。

經(jīng)計(jì)算可得，液壓馬達(dá)對應(yīng)的最大排量為2.4 L/r；其對應(yīng)最大流量為161 L/min。結(jié)合上述結(jié)果選擇液壓馬達(dá)的具體型號為1QJM52-3.2，其對應(yīng)的參數(shù)如表2所示。

表2 1QJM52-3.2液壓馬達(dá)參數(shù)

帶式輸送機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所選取的工作壓力為25 MPa，考慮到管路壓力損失等因素一般將其最大工作壓力設(shè)定為25.2 MPa～26 MPa；根據(jù)液壓馬達(dá)的最大排量得出液壓泵的額定流量為177.1 L/min。綜合市面液壓泵的產(chǎn)品，最終選擇液壓泵的型號為160CY14-1B，其對應(yīng)的參數(shù)如表3所示。

結(jié)合液壓泵和液壓馬達(dá)的選型結(jié)果，根據(jù)式(2)的計(jì)算結(jié)果對液壓系統(tǒng)的電機(jī)進(jìn)行選型：

(2)

其中：P為電機(jī)的功率；pp為液壓馬達(dá)的最大工作壓力，取pp=26 MPa；qpt為液壓泵的額定流量，取qpt=160 L/min；ηpm為液壓泵的機(jī)械效率，取ηpm=0.95。經(jīng)計(jì)算得出，P=72.98 kW。結(jié)合電機(jī)產(chǎn)品參數(shù)，最終選擇電機(jī)型號為Y315S，該電機(jī)的額定功率值為75 kW，其對應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。

3 帶式輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，根據(jù)上述元器件的參數(shù)基于AMESim軟件搭建仿真模型并進(jìn)行仿真分析，基于AMESim所搭建的仿真模型如圖2所示。

圖2 帶式輸送機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)AMESim仿真模型

對模型中的參數(shù)設(shè)置完畢后，設(shè)定仿真時(shí)間為173 s，仿真步長為0.1 s，分別對系統(tǒng)在啟動(dòng)階段、穩(wěn)定運(yùn)行階段以及制動(dòng)工況進(jìn)行仿真分析，主要對液壓泵的出口壓力、輸出流量以及馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變化情況進(jìn)行分析[4]。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果

(1)泵出口壓力仿真結(jié)果：在啟動(dòng)階段系統(tǒng)液壓泵的出口壓力迅速增加，對其造成一定的沖擊，而后液壓泵的出口壓力不斷上升，并在110 s后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段；待穩(wěn)定運(yùn)行至140 s后通過對比例換向閥進(jìn)行調(diào)整，液壓泵的壓力逐漸下降并在閥口關(guān)閉出現(xiàn)短時(shí)間的振蕩后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)泵輸出流量仿真結(jié)果：系統(tǒng)在啟動(dòng)階段液壓泵輸出流量迅速增大后又很快降低為零，而后隨著電磁比例換向閥開口的增大，對應(yīng)液壓泵出口流量增加，且閥口開至最大后泵流量穩(wěn)定并處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，最大流量為175 L/min；在制動(dòng)階段，隨著電磁比例換向閥開口減小，泵出口流量逐漸減小，并最終為零。

(3)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，電機(jī)空轉(zhuǎn)3 s后隨著比例換向閥閥口的增大，對應(yīng)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速增加，并逐漸穩(wěn)定至62 r/min后處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；在制動(dòng)階段，隨著比例閥開口的不斷減小，對應(yīng)液壓泵的流量減小，而且制動(dòng)30 s后泵的流量為零，此時(shí)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為零，最終實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的制動(dòng)操作[5]。

4 總結(jié)

帶式輸送機(jī)作為工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，為保證其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠適應(yīng)大運(yùn)量、長距離以及高運(yùn)速的要求，本文采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對設(shè)備的啟動(dòng)、制動(dòng)等操作進(jìn)行控制。根據(jù)帶式輸送機(jī)的實(shí)際參數(shù)選擇液壓馬達(dá)的型號為1QJM52-3.2，液壓泵的型號為160CY14-1B，電機(jī)的型號為Y315S。最后，基于AMESim對帶式輸送機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上述馬達(dá)、泵的響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析，得出其能夠滿足帶式輸送機(jī)的工況要求。