卷帶張緊一體化裝置影響因素的數值模擬

上海煤科檢測技術有限公司 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協調工作，保證卷帶的順利進行[1-2]。

卷帶與張緊系統均采用液壓系統控制，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，這些情況都會對卷帶系統產生較大的影響[6-7]。因此，研究上述情況對卷帶張緊一體化裝置的影響規律，對卷帶張緊一體化裝置的研制以及保證現場操作人員的安全都有重要的現實意義。

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

1 系統建模

卷帶張緊一體化裝置的卷帶過程較為復雜，需要多個機構協調完成。其液壓系統的各個機構由多路換向閥控制，執行元件為液壓馬達或液壓缸。卷帶裝置液壓系統原理如圖 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對輸送帶的張緊。張緊裝置的液壓系統原理如圖 2 所示。

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

根據卷帶裝置和張緊裝置的液壓系統原理，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調工作，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用的鋼絲繩，以便于后期進一步開展更深入的閉環控制等仿真操作。系統采用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的 XHS4 型擺缸曲軸式徑向柱塞馬達，其他仿真參數如表 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Tab.1 Simulation parameters of integrated device of belt winding and tensioning

2 數值模擬結果分析

2.1 帶卷轉動慣量對系統的影響

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

對帶卷轉動慣量J分別為 1 500、3 000、4 500 和6 000 kg·m24 種工況進行數值模擬，觀察帶卷轉動慣量對系統壓力的影響，結果如圖 4 所示。

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

從圖 4 可以看出，帶卷開始轉動時，系統壓力的升高受帶卷轉動慣量的影響很小，系統壓力不是直接升至額定值，而是有一個超調量，然后再回落至額定值。超調量隨轉動慣量的增大而增大，當轉動慣量為 6 000 kg·m2時，超調量約為額定值的 230%。這是因為轉動慣量越大，系統的靜摩擦力越大，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壓力。超調量大，系統壓力回落至額定值所需的時間也長，轉動慣量為 6 000 kg·m2時，回落時間約為3 s。

帶卷轉動慣量對液壓泵流量及液壓馬達轉速的影響分別如圖 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液壓馬達轉速曲線的變化規律是一致的。對任一轉動慣量來說，液壓馬達開始轉動后，液壓泵的流量和液壓馬達的轉速都呈現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。對不同的轉動慣量來說，轉動慣量越大，泵的流量和液壓馬達轉速下降的幅度越大，這一點也與恒功率泵的變化特性相符合。調整時間與超調量成反比，超調量越大，調整時間越長，反之調整時間越短。

圖5 帶卷轉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 帶卷轉動慣量對液壓馬達轉速的影響Fig.6 Influence of rotary inertia of belt roll on rotary speed of hydraulic motor

由圖 4～6 可以看出，帶卷轉動慣量越大，啟動時液壓馬達的轉速以及對系統的沖擊也越大，因此卷帶時應連續工作，同時張緊裝置應配合協調工作，一次完成卷帶，如果中間停機再重新啟動，則對系統的使用壽命會產生一定的影響。

2.2 帶卷直徑對系統的影響

帶卷轉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，分別對應不同的帶寬。帶寬不同，雖然轉動慣量相同，但直徑并不相同，因此研究帶卷直徑變化對系統參數的影響也有一定的現實意義。對帶卷直徑D分別為 300、500、750 和 1 000 mm 時系統的變化規律進行了數值模擬，結果如圖7、8 所示。

圖7 帶卷直徑對系統壓力的影響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壓力的變化規律和圖 4 呈現的變化規律基本一致，這其中包括超調量和調整時間的變化規律。與圖 4 不同的是，帶卷直徑較小時，系統壓力波動較大，不僅在上升過程中有一定的沖擊，在調整過程中也有，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速(見圖 8)，帶卷直徑較小時，液壓馬達的轉速波動較大，調整時間較長。直徑越大，速度波動越小，說明隨著帶卷直徑的增大，卷帶裝置的穩定性在增加，這一特性對卷帶裝置來說是一個優點，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，系統壓力的峰值與平穩值均較高，這意味著帶卷直徑過小或過大都有可能導致系統動態性能的下降。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 卡帶現象對系統的影響

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，從而對系統壓力和卷帶轉速造成較大影響。卡帶現象對系統壓力、液壓馬達轉速的影響如圖 9 所示。從圖 9 可以看出，在卡帶現象發生時，系統壓力快速升高，達到最大值時趨于平穩，這主要是由于溢流閥起到安全保護作用。在卡帶發生時，液壓馬達轉速急劇下降，在下降過程中呈現一定的波動，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，液壓泵調至最小排量時，油路內的液壓油經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調配合，共同完成卷帶操作，避免卡帶現象的發生。

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部產生較大的相互作用力，易導致機架變形，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，很容易導致斷帶的發生，引發安全事故。因此，設計時除了在液壓系統中通過溢流閥來限制卡帶時的最大拉力外，操作臺應與卷帶裝置保持一定的距離，以確保操作人員的安全。

3 結論

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

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

(3)卡帶現象發生時系統壓力會迅速升至最高值，液壓馬達轉速快速下降，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。系統壓力的升高和速度的波動都會對輸送帶和機架的性能產生影響，因此卷帶時應和張緊裝置協調工作，減小對輸送帶和機架壽命的影響，確保操作人員的安全。