帶式輸送機液壓控制系統的設計及仿真

樊 祥

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

0 引言

帶式輸送機為綜采工作面的主要運輸設備，隨著工作面采煤工藝改進及采煤設備自動化水平的提升，帶式輸送機朝著大運量、長距離以及高運速的方向發展。反映帶式輸送機性能的關鍵指標為其啟動特性、沖擊特性等。尤其是輸送帶長度越來越長，對其啟動特性提出了更高的要求，若啟動特性較差，會影響其正常運行；若啟動過程中加速度突變明顯，容易對系統造成沖擊，影響其穩定性[1]。因此本文將著重對帶式輸送機驅動裝置進行研究，并主要對其液壓驅動裝置進行設計、仿真分析。

1 帶式輸送機概述

目前，綜采工作面常采用的帶式輸送機主要由輸送帶、滾筒、托輥、張緊裝置以及清掃器等組成。輸送帶通過驅動滾筒、改向滾筒形成一個完全封閉的帶；驅動滾筒、改向滾筒通過回程托輥和承載托輥進行支撐；張緊裝置根據實際工況對輸送帶進行張緊或松帶操作。帶式輸送機運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行驅動。在實際生產中，還為帶式輸送機配置了打滑保護傳感器、跑偏傳感器、縱向撕裂保護傳感器、堆煤保護傳感器、煙霧保護傳感器、灑水裝置以及急停傳感器等來保護設備的安全、穩定運行。

根據方山木瓜煤礦生產能力，所選用帶式輸送機的參數如表1所示。

表1 帶式輸送機關鍵參數

2 帶式輸送機液壓驅動系統的設計

2.1 液壓驅動系統的總體設計

采用液壓系統對帶式輸送機進行驅動時，根據其工況一般以低速運行為主，故采用液壓馬達為帶式輸送機驅動系統的執行部件[2]。具體驅動原理為：通過電機將機械能轉化為液壓能，在液壓馬達的作用下驅動設備的滾筒轉動，從而通過摩擦力帶動輸送帶的傳動。電機與液壓馬達之間配置液壓泵，通過對液壓泵流量的調節控制實現對輸送帶傳送速度的控制。液壓驅動系統的液壓原理如圖1所示。

1-驅動馬達；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-負載敏感控制閥；8-壓力控制閥；9-液壓油缸；10-變量泵；11-電機；12-液壓油過濾器；13-液壓油油箱

2.2 液壓驅動系統元器件的選型設計

對于液壓系統而言，其對應工作壓力的選擇對后期元器件的選型尺寸、重量以及造價成本有著重大影響[3]。因此，綜合帶式輸送機實際工況對應的負載和固定主機類型對應的工作壓力，最終確定帶式輸送機液壓系統的工作壓力為25 MPa。

本文所研究帶式輸送機在啟動時的最大扭矩為8.2 kNm，液壓馬達排量Vm的計算公式如下：

(1)

其中：T為帶式輸送機啟動時的最大扭矩，取T=8.2 kNm；p1為液壓系統的工作壓力，取p1=25 MPa；p2為液壓系統對應的回路壓力，取p2=1 MPa；ηmm為液壓馬達的機械效率，取ηmm=0.9。

經計算可得，液壓馬達對應的最大排量為2.4 L/r；其對應最大流量為161 L/min。結合上述結果選擇液壓馬達的具體型號為1QJM52-3.2，其對應的參數如表2所示。

表2 1QJM52-3.2液壓馬達參數

帶式輸送機液壓驅動系統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定為25.2 MPa～26 MPa；根據液壓馬達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品，最終選擇液壓泵的型號為160CY14-1B，其對應的參數如表3所示。

結合液壓泵和液壓馬達的選型結果，根據式(2)的計算結果對液壓系統的電機進行選型：

(2)

其中：P為電機的功率；pp為液壓馬達的最大工作壓力，取pp=26 MPa；qpt為液壓泵的額定流量，取qpt=160 L/min；ηpm為液壓泵的機械效率，取ηpm=0.95。經計算得出，P=72.98 kW。結合電機產品參數，最終選擇電機型號為Y315S，該電機的額定功率值為75 kW，其對應的額定轉速為1 000 r/min。

3 帶式輸送機電氣控制系統的設計

為驗證本文所設計的帶式輸送機液壓驅動系統的性能，根據上述元器件的參數基于AMESim軟件搭建仿真模型并進行仿真分析，基于AMESim所搭建的仿真模型如圖2所示。

圖2 帶式輸送機液壓驅動系統AMESim仿真模型

對模型中的參數設置完畢后，設定仿真時間為173 s，仿真步長為0.1 s，分別對系統在啟動階段、穩定運行階段以及制動工況進行仿真分析，主要對液壓泵的出口壓力、輸出流量以及馬達的轉速變化情況進行分析[4]。仿真結果如圖3所示。

圖3 仿真結果

(1)泵出口壓力仿真結果：在啟動階段系統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后進入穩定運行階段；待穩定運行至140 s后通過對比例換向閥進行調整，液壓泵的壓力逐漸下降并在閥口關閉出現短時間的振蕩后達到穩定狀態。

(2)泵輸出流量仿真結果：系統在啟動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，對應液壓泵出口流量增加，且閥口開至最大后泵流量穩定并處于穩定運行狀態，最大流量為175 L/min；在制動階段，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)液壓馬達轉速仿真結果：當系統啟動后，電機空轉3 s后隨著比例換向閥閥口的增大，對應液壓馬達的轉速增加，并逐漸穩定至62 r/min后處于穩定運行狀態；在制動階段，隨著比例閥開口的不斷減小，對應液壓泵的流量減小，而且制動30 s后泵的流量為零，此時液壓馬達的轉速為零，最終實現對系統的制動操作[5]。

4 總結

帶式輸送機作為工作面的關鍵運輸設備，為保證其驅動系統能夠適應大運量、長距離以及高運速的要求，本文采用液壓驅動系統對設備的啟動、制動等操作進行控制。根據帶式輸送機的實際參數選擇液壓馬達的型號為1QJM52-3.2，液壓泵的型號為160CY14-1B，電機的型號為Y315S。最后，基于AMESim對帶式輸送機液壓驅動系統上述馬達、泵的響應特性進行仿真分析，得出其能夠滿足帶式輸送機的工況要求。