帶式輸送機液壓張緊裝置的研究

李 洋

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司， 山西 長治 046100）

引言

采煤機、輸送機以及液壓支架作為綜采工作面的三大機電設備，其運行穩定性直接決定綜采工作面的開采效率和安全性。隨著帶式輸送機朝著長距離、大運量以及大功率的方向發展，其動態特性影響著帶式輸送機的運行[1]。張緊裝置作為帶式輸送機的關鍵部件，鑒于其載重量不斷上升，出現在啟動階段對設備造成較大的沖擊或在運行、制動以及停車等階段出現張緊力余量過大或者余量不足的問題，進而導致設備功耗過大甚至輸送帶出現應力疲勞、拉斷的事故發展。因此，本文旨在解決帶式輸送機啟動時對輸送帶沖擊較大、輸送帶張力反應不及的問題開展對帶式輸送機液壓張緊裝置的研究，并對其張緊特性進行仿真分析。

1 帶式輸送機張緊裝置位置的確定

為確保帶式輸送機的張緊特性除了對其各零部件的性能提出要求外，其所處位置也相當重要。經驗表明，布置帶式輸送機張緊裝置時需遵循如下原則：

1）張緊裝置最好布置于帶式輸送機啟動裝置附近；若其布置位置確需離驅動裝置較遠，需為其增設相應的重錘裝置；

2）張緊裝置最好布置于輸送帶張力最小或者離滾筒松邊較近的位置；

3）根據帶式輸送機具體工況設計對應的張緊力；

4）根據帶式輸送機輸送帶接頭的預留量設計對應的拉緊行程[2]。

基于上述原則，并結合綜采工作面的長度大于300 m且工作面坡度小于5%，將該工作面帶式輸送機張緊裝置布置于設備驅動裝置的空載一側。張緊裝置的布置位置如圖1所示。

圖1 張緊裝置布置示意圖

2 帶式輸送機張緊裝置的設計

2.1 張緊裝置的結構組成

張緊裝置的主要結構由液壓系統、電氣控制系統以及機械系統組成。其中，機械系統主要由絞車、拉緊小車以及滑輪等組成；電氣控制系統主要由傳感元器件以及電氣控制箱等組成；液壓系統主要由液壓泵站、制動器以及蓄能器等組成。

張緊裝置工作原理分析：在實際工作中，位于鋼絲繩上的拉力傳感器對設備輸送帶的張力進行采集，并將采集到的結果傳送至PLC控制系統與設定比較后得出相應的控制信號，并實現對張緊裝置電機正轉、反轉以及停止等狀態的控制，從而實現對張緊裝置的拉伸與縮進[3]。

2.2 張緊裝置元器件的設計選型

2.2.1 張緊裝置液壓系統元器件的選型

帶式輸送機張緊裝置液壓系統主要有油濾器、泵、電動機、電磁換向閥、單向閥、張緊油缸、截止閥、溢流閥、平衡閥以及馬達[4]。基于經驗及計算的基礎上，選擇如下頁表1所示的選型結果。

2.2.2 張緊裝置電氣控制系統的設計

張緊裝置電氣控制系統基于PLC控制器設計的。故，PLC控制器為其核心設備。所選PLC控制器的類型為S7-200系列，為系統設計兩個輸入模塊、一個輸出模塊。此外，為PLC控制器配置相關元器件如下頁表2所示。

表1 張緊裝置液壓系統關鍵元器件的選型

表2 電氣控制系統元器件選型

本文所研究帶式輸送機的關鍵參數為：運量為2 500 t/h；皮帶長度為3 500 m；皮帶寬度為1 200 mm；日常運行速度規定為4.5 m/s；皮帶的最大角度為3°；驅動滾筒的直徑為1 030 mm；卸載滾筒的直徑為900 mm；機尾滾筒的直徑為630 mm；改向滾筒的直徑為900 mm。

3 張緊裝置模型的仿真分析

為分析本文所設計帶式輸送機張緊裝置的張緊特性，需建立可行的張緊裝置模型，并通過張緊裝置的響應速度考核其工作性能[5]。本文所采用的仿真軟件為MATLAB，對張緊裝置中關鍵液壓元件的液壓油缸、溢流閥以及張緊裝置的性能進行仿真分析。

3.1 張緊裝置液壓元件仿真分析

3.1.1 液壓缸仿真分析

為系統提供一個階躍信號得到如圖2所示的液壓缸活塞桿位移隨時間的變化曲線。

圖2 液壓缸活塞桿位移隨時間變化曲線

如圖2所示，當系統遇到階躍信號時，液壓缸內油壓經一定時間波動后趨于穩定增長。經仿真，可為所選型液壓缸的正確使用提供指導。

3.1.2 溢流閥仿真分析

溢流閥在實際生產中的穩定性直接影響張緊裝置液壓系統的壓力的平衡性。因此，在仿真時為系統提供一個突變信號，對其抗干擾性能進行仿真分析。仿真結果如圖3所示。

圖3 液壓系統溢流閥抗干擾性能仿真結果

如圖3所示，張緊裝置液壓系統的溢流閥在遇到突變信號時，其穩態過渡時間約為10 ms，即說明溢流閥具有較強的抗干擾性能。在實際生產中，常通過調節溢流閥的彈簧剛度和主閥芯質量對其抗干擾性能進行優化。

3.2 張緊裝置仿真分析

為分析帶式輸送機張緊裝置的張緊特性，特對其緊帶和松帶過程中輸送帶的張力變化進行仿真分析，仿真結果如圖4所示。

圖4 張緊裝置張緊特性仿真結果

如圖4所示，當輸送帶的初張力為47 kN時，僅需11 s就能到達到輸送帶所需的張緊力61 kN；而當輸送帶的初張力為72 kN時，僅需25 s即可將其張力下降到60 kN。對于長距離、大運量以及大功率的帶式輸送機而言，不論在緊帶過程還是在松帶過程其響應時間均能夠滿足實際生產的需求。

4 結語

液壓系統及其電氣控制系統為張緊裝置的核心系統，在對兩個系統各元器件選型時需結合計算及經驗，并對液壓系統的元器件的參數進行調整以達到提升其抗干擾性能的目的。經仿真分析，所設計的張緊裝置不論在松帶還是在緊帶過程其響應時間分別為12 s和2.3 s，滿足實際生產的需求。