帶式輸送機(jī)液壓張緊裝置的動(dòng)態(tài)仿真研究

湯多良，水 偉

（1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽淮南 232001， 2.淮南礦業(yè)集團(tuán)丁集礦， 安徽淮南 232141）

帶式輸送機(jī)液壓張緊裝置的動(dòng)態(tài)仿真研究

湯多良1，水 偉2

（1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽淮南 232001， 2.淮南礦業(yè)集團(tuán)丁集礦， 安徽淮南 232141）

基于對(duì)帶式輸送機(jī)液壓張緊裝置的研究，利用平臺(tái)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真環(huán)境對(duì)其從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的工況進(jìn)行仿真，為帶式輸送機(jī)液壓張緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及理論研究提供參考，保證帶式輸送機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

帶式輸送機(jī)； 液壓張緊裝置； 動(dòng)態(tài)仿真

隨著我國(guó)煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)綜采設(shè)備的產(chǎn)煤能力和安全可靠性要求越來(lái)越高，作為綜采安全運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備——帶式輸送機(jī)的發(fā)展方向必然是長(zhǎng)距離、大功率。那么為了適應(yīng)輸送機(jī)的發(fā)展需要，作為輸送機(jī)裝備的重要部件——輸送帶張緊裝置的運(yùn)行和安全的要求也越來(lái)越高，這就使得我國(guó)開(kāi)展安全可靠的輸送帶張緊裝置的開(kāi)發(fā)與研制的工作迫在眉睫。傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)張緊裝置多為機(jī)械張緊和固定絞車張緊，易出現(xiàn)輸送帶因塑性變形而伸長(zhǎng)從而導(dǎo)致輸送帶的變松、打滑等現(xiàn)象，且不易于控制，安全系數(shù)較低，如何設(shè)計(jì)制造出安全可靠的張緊裝置，長(zhǎng)期以來(lái)，一直是同行技術(shù)人員最為關(guān)切的難題。該文通過(guò)建立液壓張緊系統(tǒng)的模型，利用 軟件中的插件對(duì)建立的帶式輸送機(jī)液壓張緊系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以探索出實(shí)現(xiàn)張緊力的自動(dòng)調(diào)節(jié)、對(duì)帶式輸送機(jī)的彈性變形以及塑性伸長(zhǎng)所進(jìn)行的自動(dòng)補(bǔ)償。

1 液壓系統(tǒng)的控制模型

（1）式中：U r為指令電壓信號(hào)；

U f為反饋電壓信號(hào)；

U e為輸入電壓信號(hào)；

圖1 帶式輸送機(jī)液壓張緊系統(tǒng)的控制原理

K fF為力傳感器增益；

F A為液壓缸活塞桿的輸出力；

K d為電子放大器的增益；

2 控制系統(tǒng)方塊圖的建立

通過(guò)以上的分析首先建立電液伺服閥的傳遞函數(shù)：

（2）式中：K bv為電液伺服閥的增益；

Gbv（s）為K bv＝1時(shí)的電液伺服閥的傳遞函數(shù)，此時(shí)Gbv（s）＝Gsv（s）；

因而，可以得出液壓缸活塞桿的拉力和輸入電壓信號(hào)之間的傳遞函數(shù)為：

（3）式中：Cip為液壓缸的內(nèi)泄漏系數(shù)，m3/Pa；K為負(fù)載彈性剛度，N/M；

A為液壓缸進(jìn)油腔的面積，A＝2πR2；

βec為液壓缸內(nèi)管路有效體積的膨脹系數(shù)，βec＝V/βe，V為液壓缸的有效體積，βe為液壓缸有效體積的彈性模量；

M A為系統(tǒng)的有效質(zhì)量之和，kg；

可得出系統(tǒng)的張力方塊圖如圖2所示：

圖2 液壓張緊系統(tǒng)張力方塊圖

3 仿真參數(shù)的確定

按照帶式輸送機(jī)液壓張緊系統(tǒng)，采用 MATLAB的Simulink模塊對(duì)其進(jìn)行仿真，這里給出淮南潘三礦所用的某一型號(hào)的帶式輸送機(jī)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1：

表1 帶式輸送機(jī)的相關(guān)參數(shù)表

根據(jù)前面的理論分析及圖2，利用中MATLAB的Simulink模塊建立仿真模型，并對(duì)公式（3）中相應(yīng)參數(shù)的值進(jìn)行查表，見(jiàn)表1，可得系統(tǒng)開(kāi)環(huán)的傳遞函數(shù)為：

代入相關(guān)參數(shù)即可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，所建立的Simulink系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)Simulink簡(jiǎn)化模型圖

4 仿真優(yōu)化

在完成系統(tǒng)的Simulink建模以及對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行賦值以后，可以對(duì)帶式輸送機(jī)液壓張緊裝置進(jìn)行仿真，仿真后系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)曲線如圖4所示。

圖4給出了帶式輸送機(jī)啟動(dòng)到正常運(yùn)行時(shí)的速度曲線，從圖中可以看出帶式輸送機(jī)從啟動(dòng)到正常運(yùn)行具有很好的過(guò)渡，正常運(yùn)行時(shí)的速度為4 m/s，所以要求達(dá)到的速度一致。

圖5反應(yīng)的是帶式輸送機(jī)輸送帶與滾筒張緊處張緊力的變化曲線，從圖中可以看出張緊系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)一開(kāi)始的震蕩后經(jīng)過(guò)0.8 s便逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 反“S”型輸送帶運(yùn)行速度曲線

圖5 反“S”型輸送帶預(yù)緊力調(diào)節(jié)過(guò)程

圖6及圖7顯示的曲線為張緊裝置中液壓缸活塞桿的伸縮速度以及活塞桿的伸縮距離的變化范圍。從圖中可以看出活塞桿在液壓缸中的最大伸縮速度為vmax＝0.19 m/s，大約在100 s后，速度趨于零達(dá)到穩(wěn)定。活塞桿的最大伸縮距離為L(zhǎng)max＝0.79 m，之后逐漸減小，同樣大約在100 s后，活塞桿的伸縮長(zhǎng)度達(dá)到L＝0.4 m，也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 反“S”型液壓缸活塞桿的伸縮速度圖

圖7 反“S”型液壓缸活塞桿的伸縮距離圖

當(dāng)系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)時(shí)，張緊系統(tǒng)的閉環(huán)響應(yīng)曲線如圖8所示，由圖中可以看出系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)4 s后趨于穩(wěn)定。不過(guò)從曲線上可以看出系統(tǒng)的響應(yīng)比較緩慢，同時(shí)由于系統(tǒng)傳遞函數(shù)中的參數(shù)在取值時(shí)，部分參數(shù)取值不合理使得系統(tǒng)出現(xiàn)了一定的振動(dòng)現(xiàn)象，因此需要進(jìn)行校正。

這里對(duì)系統(tǒng)的校正采用PID校正，在系統(tǒng)中加入PID控制器。通過(guò)校正后系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖9所示。通過(guò)校正后的系統(tǒng)響應(yīng)曲線可以看出：在對(duì)系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)后，輸送帶受到了一定的沖擊，此時(shí)液壓缸中的活塞桿做出相應(yīng)的響應(yīng)，以消除輸送帶的沖擊力并在2.7 s后很快達(dá)到了平衡。

圖8 系統(tǒng)響應(yīng)曲線

圖9 校正后的系統(tǒng)響應(yīng)曲線

通過(guò)對(duì)以上的分析，可得出系統(tǒng)校正前后的Bode圖，圖10為系統(tǒng)校正前后的Bode圖曲線。

圖10 系統(tǒng)校正前后Bode圖曲線

在系統(tǒng)Bode圖中可以得出液壓張緊系統(tǒng)校正后的系統(tǒng)性能指標(biāo)如下：

剪切頻率ωc＝0.67 rad/s，相角穩(wěn)定裕度γ＝74°，－π穿越頻率ωg＝1.573 4 rad/s，幅值穩(wěn)定裕度L h＝7.512 3 dB，可知校正后的系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到要求。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)液壓張緊裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，可見(jiàn)所設(shè)計(jì)的液壓張緊系統(tǒng)響應(yīng)基本穩(wěn)定，略有一定的振動(dòng)。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正之后，能夠很快的達(dá)到穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的張緊力、速度以及液壓缸中活塞桿的位移都能快速響應(yīng)。通過(guò)系統(tǒng)的Bode圖可以看出系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，能夠滿足液壓張緊裝置所要求的反應(yīng)迅速，準(zhǔn)確的要求，并且優(yōu)化后的系統(tǒng)可以減小振動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

［1］ 楊吉宏，陸奎.帶式輸送機(jī)膠帶張緊裝置的改進(jìn)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2010，（7）：65－66.

［2］ 陳夫保，李滋峰.帶式輸送機(jī)拉緊行程的確定［J］.煤礦現(xiàn)代化，2010，（2）：103－104.

［3］ 侯波.帶式輸送機(jī)液壓張緊裝置設(shè)計(jì)探討［J］.煤炭工程，2008，（1）：23－25.

［4］ 姚俊，馬松輝.Simulink建模與仿真［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

The Dynamic Simulation on Hydraulic Tension Device for Belt Conveyor

TANG Duo－liang1，SHUI Wei2
（1.Huainan Vocational＆Technical College，Huainan Anhui232001；
2.Dingji Coal Mine of Huainan Coal Mining Group，Huainan Anhui232001）

Based on the study of the hydraulic tension device of belt conveyor，the operating condition of hydraulic tension device of belt conveyor is simulated from the start to the stable operation by using the dynamic simulation environment of Simu1ink under MATLAB environment.It provides the reference for design and study of hydraulic tension device andguarantee a safe and stable running of the belt conveyor.

belt conveyor；hydraulic tension device；dynamical simulation

TD528

A

1671－4733（2011）06－0016－03

10.3969/j.issn.1671－4733.2011.06.006

2011－09－25

湯多良（1976－），男，安徽淮南人，講師，碩士研究生，從事機(jī)械制造研究、設(shè)計(jì)及教學(xué)工作，電話：13083072570。