下運帶斷帶抓捕液壓緩沖系統優化及仿真研究*

成志鋒，陳 攀

(1.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006；3.浙江省機械工業聯合會，浙江 杭州 310009)

0 引 言

由于皮帶運輸系統的皮帶在生產、安裝、維修及管理等方面存在的種種缺陷，導致皮帶斷裂(即所謂的鋼絲繩芯輸送帶斷裂)事故時有發生[1-3]，斷帶保護裝置在保證輸送帶安全運輸方面發揮不可替代的作用[4-5]。國外主要側重于斷帶前的皮帶斷裂檢測研究，通過多種檢測手段進行斷帶預測及監控，及時更換有缺陷的皮帶，進而保護皮帶運輸系統[6-7]。斷帶抓捕裝置主要利用帶斷或逆止器失效后沿傾斜方向下滑產生的摩擦力為驅動源，有效地把上、下重空段膠帶抓捕住，防止由此造成重大經濟損失和人身事故[8-10]。但抓捕斷帶后，加速下滑的輸送帶動能完全作用于斷帶抓捕裝置上，會對斷帶抓捕裝置產生巨大的沖擊，進而對輸送帶沿線裝備造成嚴重破壞，影響煤礦正常運行。

針對斷帶抓捕產生的沖擊問題，葛雨霞等[11]通過彈簧將斷帶抓捕夾持裝置和支架連接，吸收了斷帶抓捕的沖擊，但彈簧壓縮行程有限，吸收沖擊能力較低；楊寅威等[12-13]提出了利用液壓缸有桿腔外接溢流閥緩沖吸收斷帶抓捕沖擊的方法，溢流閥開啟時，液壓缸活塞桿伸出，有桿腔壓力可以阻止輸送帶的快速下滑；曹亞光[14]改進了楔形斷帶抓捕液壓系統，在液壓缸位移達到一半行程時，其有桿腔油液經溢流閥溢流到油箱，從而緩沖了液壓缸末端的液壓沖擊；王利鋒[15]研究了溢流閥開啟壓力對緩沖油缸壓力、制動距離的影響情況，為下運帶式輸送機斷帶抓捕緩沖優化研究提供了理論參考；成志鋒[16]通過溢流閥、液壓軟管、蓄能器組合吸收斷帶抓捕的沖擊，并通過仿真，驗證了其有效性和可行性。

現有斷帶抓捕緩沖系統存在較大的振動問題，特別是輸送帶減速后期有明顯的余振和波動情況。

針對上述缺陷，本文對下運輸送機斷帶抓捕液壓緩沖系統進行優化設計，借助AMESIM搭建系統仿真模型，對比研究改進前后系統的性能，分析溢流閥不同開啟壓力對系統性能的影響規律。

1 原斷帶抓捕液壓緩沖系統原理

原斷帶抓捕液壓緩沖系統簡圖如圖1所示。

圖1 原斷帶抓捕液壓緩沖系統簡圖

在圖1中，斷帶抓捕裝置與液壓缸活塞桿相連，斷帶抓捕裝置移動帶動活塞桿伸出與縮回，液壓缸有桿腔與溢流閥連接，大腔直接與油箱相連。

斷帶前，活塞桿處于縮回狀態；發生斷帶后，斷帶抓捕裝置夾緊輸送帶，加速下滑的輸送帶沿箭頭方向驅動斷帶抓捕裝置移動，與其連接的活塞桿會迅速擠壓有桿腔液壓油。

當有桿腔液壓油壓力達到溢流閥的開啟壓力時，有桿腔液壓油溢流到油箱，活塞桿伸出，活塞桿擠壓液壓油的過程中，有桿腔壓力會反作用于活塞桿上，阻止活塞快速伸出，進而對斷帶抓捕裝置產生一定緩沖作用。

2 原緩沖系統模型建立及仿真分析

基于AMESIM，本文搭建了斷帶抓捕液壓緩沖模型簡圖，如圖2所示。

圖2 斷帶抓捕緩沖系統簡圖

由于斷帶抓捕裝置沿線布置于輸送帶托輥之間，而托輥間距一般為1.5 m[17]，因此，液壓缸行程暫定L=1.5 m，液壓缸缸徑取D=100 mm，桿徑取d=50 mm。

斷帶抓捕裝置及斷帶總質量按6 000 kg計算[18]，輸送帶速度為4.0 m/s，下運傾角為20°。

原斷帶抓捕液壓緩沖系統仿真參數如表1所示。

表1 原斷帶抓捕液壓緩沖系統仿真參數

設定仿真步長為0.001 s，仿真時間為2 s，可得到原斷帶抓捕液壓緩沖系統緩沖性能曲線圖，如圖3所示。

圖3 原斷帶抓捕液壓緩沖系統性能圖

由圖3可得：

緩沖過程中，液壓缸位移在1.08 m上下持續波動，輸送帶速度在-0.15 m/s～+0.15 m/s持續波動，液壓缸有桿腔壓力在0～10 MPa之間同樣持續波動。

由此可見，在緩沖輸送帶的沖擊時，原斷帶抓捕液壓緩沖系統會產生劇烈的振動現象。

3 改進斷帶抓捕液壓緩沖系統原理及建模

基于原斷帶抓捕液壓緩沖系統的仿真分析，本文對斷帶抓捕液壓緩沖系統進行優化設計。

改進后的斷帶抓捕液壓緩沖系統原理及仿真模型示意圖如圖4所示。

(a)改進的斷帶抓捕液壓緩沖系統原理圖

(b)改進的斷帶抓捕液壓緩沖系統仿真模型圖

圖4中，改進后的斷帶抓捕液壓緩沖系統主要由復位液壓缸、溢流閥、阻尼孔、單向閥組成。當發生斷帶時，斷帶抓捕裝置夾緊輸送帶，與之連接的活塞桿擠壓無桿腔液壓油，無桿腔部分液壓油經阻尼孔流回有桿腔。

為防止有桿腔吸空，油液通過單向閥為有桿腔補液；與此同時，無桿腔液壓油壓力達到溢流閥開啟壓力時，會溢流到油箱。

改進后的斷帶抓捕液壓緩沖系統主要優點為：

(1)無桿腔為緩沖腔，因此，相比原系統，有更多的液壓油可作為緩沖油液；根據克拉伯龍方程(pV=定值)可知，緩沖過程的液壓缸無桿腔壓力會有所降低；

(2)無桿腔與有桿腔通過阻尼孔連接，因此，在緩沖過程中，當無桿腔壓力低于溢流閥開啟壓力時，無桿腔油液緩慢流回到有桿腔；相比原緩沖系統，當有桿腔壓力低于溢流閥開啟壓力前，無桿腔與有桿腔連通，可以避免系統產生較大振動。

4 改進的斷帶抓捕液壓緩沖系統仿真分析

設定仿真步長為0.001 s，仿真時間為2 s。仿真參數表如表2所示。

表2 改進的斷帶抓捕液壓緩沖系統仿真參數

仿真得到改進后的斷帶抓捕液壓緩沖系統性能圖如圖5所示。

圖5 改進后的斷帶抓捕液壓緩沖系統性能圖

由圖(3,5)可知：

在緩沖過程中，改進后的緩沖系統液壓缸位移速度及無桿腔壓力波動程度明顯降低。

在緩沖過程中，液壓缸無桿腔一部分流量經溢流閥溢流到油箱，瞬時最大溢流流量為1 800 L/min，另一部分流量經阻尼孔流回有桿腔，最大流量為84 L/min；由于輸送帶速度較大，活塞迅速縮回，液壓缸有桿腔會吸空，單向閥最大補油流量為450 L/min。

顯然，在緩沖過程中，溢流閥和阻尼孔均能起到緩沖作用。

在0.35 s時，溢流流量將為0 L/min，溢流閥關閉，阻尼孔流量由84 L/min緩慢減小至0 L/min，正是由于阻尼孔的作用，液壓缸位移、速度始終無波動。

在溢流閥壓力為8 MPa、10 MPa、12 MPa、14 MPa時，本文對緩沖系統進行仿真，得到溢流閥對改進的緩沖系統的影響規律圖，如圖6所示。

由圖6可知：溢流閥開啟壓力由8 MPa增大到14 MPa，液壓缸位移由0.97 m減小到0.5 m，液壓缸速度減幅增大，平滑性基本不變，液壓缸無桿腔壓力波動程度增大。

圖6 溢流壓力對改進系統的影響規律圖

4 結束語

本文介紹了原下運帶式輸送機斷帶抓捕液壓緩沖系統工作原理，對系統存在的振動現象進行了仿真建模分析；對原緩沖系統進行了優化設計，并搭建模型進行了系統緩沖性能的仿真研究，分析了溢流閥開啟壓力對系統性能的影響規律，得出以下結論：

(1)在緩沖過程中，原下運帶式輸送機斷帶抓捕液壓緩沖系統存在明顯的振動現象；

(2)改進的斷帶抓捕液壓緩沖系統液壓缸位移、速度、壓力波動程度降低，在溢流閥關閉后，阻尼孔能發揮較好的減振緩沖作用；

(3)溢流閥開啟壓力增大，液壓缸位移增大，液壓缸速度平滑性不變；降幅增大，液壓缸無桿腔壓力波動程度有所增加。