帶式輸送機用雙油缸液壓張緊裝置設計

朱安卿 孫健 趙立 陳昊祥

摘 要：【目的】液壓張緊裝置是可伸縮帶式輸送機的關鍵組成部分，對于確保輸送機在啟動、行駛和制動等過程中的穩定運行具有重要的意義，但傳統液壓張緊裝置的設計會有張緊力調整不方便、張緊裝置結構復雜的缺點，有必要對此進行研究。【方法】設計一種適用于帶式輸送機的雙油缸液壓張緊的裝置，其兼具螺桿張緊裝置與液壓張緊裝置的優點。【結果】該裝置具有工作狀態平穩、響應速度迅速、空間需求較小、性能出眾等優勢，其雙油缸設計還能夠大幅度降低輸送帶發生跑偏情況的概率。【結論】該裝置主要用于短距離帶式輸送機，不僅延長了帶式輸送機的使用壽命，而且大大提高了工作的安全系數。

關鍵詞：帶式輸送機；雙油缸；液壓張緊

中圖分類號：TP24? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）06-0044-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.009

Design of Double Oil Cylinder Hydraulic Tensioning Device for Belt Conveyor

ZHU Anqing1 SUN Jian1 ZHAO Li2 CHEN Haoxiang1

（1.Mechanical and Electronic Department， Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou 221018， China;

2.Xuzhou ZMLT Heavy Industry Co.， Ltd.， Xuzhou 221116， China）

Abstract：[Purposes] The hydraulic tensioning device is a key component of the retractable belt conveyor， which is of key significance to ensure the stable operation of the conveyor in the process of starting， driving and braking， but the design of the traditional hydraulic tensioning device has the shortcomings of inconvenient tension adjustment and complex structure of the tensioning device. Therefore it is necessary to conduct research on this matter. [Methods] A double-cylinder hydraulic tensioning device suitable for belt conveyor was designed， which had the advantages of both screw tensioning device and hydraulic tensioning device. [Findings] The device had the advantages of stable working state， rapid response speed， small space requirement and outstanding performance， and the double-cylinder design could also greatly reduce the probability of deviation of the conveyor belt. [Conclusions] This device is mainly used on short distance conveyors， which not only extends the service life of belt conveyors， but also greatly improves the safety factor of work.

Keywords： belt conveyor; dual oil cylinder; hydraulic tensioning

0 引言

帶式輸送機是集運用機械、控制及液壓等的大型運輸設備，主要通過輸送帶間的摩擦力來運輸物料，具有運量大、自動化程度高、工作便捷等特點。張緊裝置是帶式輸送機的重要組成部分，能夠實現輸送帶的張緊，保證帶式輸送機運行的安全與穩定。目前，用于短距離帶式輸送機的張緊裝置主要有兩種，分別為螺旋式張緊裝置和液壓張緊裝置。其中，螺旋式張緊裝置在輸送帶自行伸長時，不能夠自動張緊，并且響應速度較慢。液壓張緊裝置能夠對張緊力進行實時動態調節與監控，精確快速對系統做出響應，以及控制輸送機張緊行程，因此已逐漸替代傳統的機械張緊裝置［1］。但是，現有短距離帶式輸送機的液壓張緊裝置在輸送機啟動時，輸送帶寬度方向拉應力分布不均，導致輸送帶出現跑偏。針對上述問題，本研究設計了一種專門適用于帶式輸送機的雙油缸液壓張緊裝置，其同時具備了螺旋式張緊裝置與液壓張緊裝置的優點。該裝置主要用于短距離輸送機，能夠有效防止輸送帶跑偏情況的發生，使輸送系統工作更加穩定。

1 雙油缸液壓張緊裝置的設計

傳統帶式輸送機的液壓張緊裝置主要由三部分組成，分別為液壓系統、機械系統和電氣控制系統。其中，壓泵站、執行油缸、蓄能器以及制動器等結構組成液壓系統［2］；張緊車、絞車、滑輪組等結構組成機械系統；電氣控制系統在夾緊系統的運行中起到一定的控制作用，主要包含牽引控制裝置和電子控制站。張緊力產生設備主要由電機、制動器和慢速絞車等組成［3］。以上系統協同工作，通過控制電機和制動器，以及調整絞車速度和力量，實現準確、穩定的張緊力生成，能夠給運輸機提供一定的張力。一般情況下緩沖油缸還能夠緩解傳送帶在工作過程中產生的一些不良現象，如振動和松弛等［4］。單油缸液壓張緊系統如圖1所示。一般來說，液壓張緊裝置只有一個執行油缸，其主要作用是通過收縮來補償輸送帶的彈性振蕩，從而實現動態張緊和減小機器啟動時的沖擊動負荷，這對于提高帶式輸送機的平穩性、傳送效率和可靠性非常重要［5］。

本研究所設計的帶式輸送機采用雙油缸液壓張緊裝置，主要由滾筒、膠管、蓄能站、泵站、油缸、支座、機架、滑塊和同步閥組等部分構成。滑塊安裝在機架的導軌上，油缸通過支座安裝于機架上，滾筒固定在滑塊上，滾筒通過銷軸連接兩個油缸，且油缸間通過膠管與同步閥組連接。同步閥組安裝于蓄能站上，且通過膠管與泵站連接。雙油缸液壓張緊系統如圖2所示。

當設備正常工作時，液壓張緊裝置由泵站提供動力，蓄能站吸收帶式輸送應力波傳遞產生的振蕩，此時蓄能站進出油液都經過同步閥組，由同步閥組保證兩個油缸間始終保持同步，從而大大降低兩個油缸因不同步而導致發生輸送帶跑偏情況的概率［6］。當工作過程中出現輸送帶跑偏的情況時，可以通過同步閥組切斷同步回路以及兩個油缸中跑偏方向的油缸，由另一根油缸進行糾正，糾正完成后再切斷回路，最后重新打開同步回路，以保證帶式輸送機的正常運行。

2 雙油缸張緊裝置主要元件參數計算與選型

2.1 基本要求

①設計參數。張緊力F=45～130 kN；張緊速度V=2 m/min，快退速度為V=4 m/min；張緊行程s=1 000 mm。

②在一些突發情況下應對系統進行特殊保護，如出現斷帶、過載等情況時［7］。

③因為帶式輸送機在啟動和穩定工作時對張緊力的要求不同，啟動時系統所需的壓力較大，所以應當保證系統啟動時的工作壓力能夠達到其系統在正常工作狀態下壓力的1.4～1.5倍。在保證油缸能夠正常啟動的情況下，不僅要防止出現輸送帶打滑等突發情況，同時還要保證系統能夠平穩運行且所受的沖擊力較小［8］。

2.2 液壓缸的參數計算與選型

液壓油缸，也被稱為液壓缸，是一種重要的液壓執行元件，其工作原理是將液壓能轉化為機械能，實現直線往復或擺動運動。液壓缸具有簡單的結構和可靠的工作性能。與其他傳動裝置相比，液壓缸在進行往復運動時，無需安裝減速裝置，并且具有傳動間隙小的特點，保證其運行更加平穩。這種平穩的運行特性使得液壓缸在許多機械系統中得到了廣泛應用，如起重設備、注塑機、機床等。

2.2.1 確定各工況負載。液壓缸負載主要由張緊力、摩擦阻力、慣性阻力、重力、密封阻力及背壓阻力等組成。

①張緊力。根據工作要求，在啟動液壓系統時的壓力應為實際工作壓力的1.4～1.5倍。這就意味著油缸在啟動時需要的張緊力為67.5～195 kN。

②摩擦阻力。摩擦阻力的計算見式（1）、式（2）。

F靜=F法× f靜=9 800×0.2=1 960 N ≈ 2 kN （1）

F動=F法× f動=9 800×0.1=980 N ≈ 1 kN （2）

以上式中：F法為作用在缸壁上的法向力；f靜、f動為靜摩擦系數和動摩擦系數。

③慣性阻力、重力。由于液壓缸在一般情況下都是水平放置的，并且其在工作時的運動量較小，不在快速往復運動型的范圍之內，因此，可以忽略慣性阻力和重力的影響。

④密封阻力和背壓阻力。封阻力是指液壓系統中由于密封件與活塞桿之間的摩擦而帶來的阻力。根據一般經驗，可以將密封阻力估算為總負載的0.1倍，即F密=0.1F（F為總負載）。背壓阻力是液壓缸回油路上的阻力，其會對系統的工作產生一定的影響。在初步計算時，可以暫時不考慮背壓阻力，但不能完全忽略，因為具體的背壓阻力數值需要在系統參數確定后才能確定。在啟動開始階段，F啟=F靜+F密，單個液壓缸負載為F啟=1.1 kN；在啟動階段，F啟=F張+F靜+F密，單個液壓缸負載為F啟min=38.61 kN，F啟max=109.44 kN；在張緊階段，F工=F張+F動+F密，單個液壓缸負載為F工min=25.56 kN，F工max=72.78 kN；在快退階段，F快退=F動+F密，單個液壓缸負載為F快退=0.56 kN。

在液壓缸的整個設計過程中，主要需要考慮張緊和初始這兩個階段，因為液壓缸的工作狀態階段處于張緊階段，在其快速縮回過程中速度的范圍一般來說是不受限制的。

本研究設計了一種帶式輸送機的雙油缸液壓張緊裝置，根據原理分析可知，在輸送機工作過程中，有兩個油缸來分擔系統所需的張緊力。相較于傳統的帶式輸送機單油缸設計，這樣設計不僅可以防止輸送帶跑偏，還能夠縮小液壓缸的尺寸，使機械結構更加緊湊。

2.2.2 液壓缸的選型。由F啟max=109.44 kN，F工max=72.78 kN，P工max=10 MPa，則液壓缸的內徑D的計算見式（3）。

根據工程用液壓缸系列表，可取D=125 mm=0.125 m，同時，由于P工max=10 MPa>7 MPa，故可取活塞桿直徑d=0.70D=0.70×125=87.5 mm。由查表得到，取標準值d=90 mm=0.09 m，根據前文所得到的缸徑和活塞桿的直徑，查得液壓缸活塞行程1 500 mm。

計算液壓缸的實際有效面積，無桿腔的面積A1與桿腔面積A2分別見式（4）、式（5）。

本研究取張緊工況中壓力損失ΔP=5×105 Pa，工作時背壓力P背=8×105 Pa，快退時背壓力P背=5×105 Pa，則液壓系統所能承受的最大壓力和在單位時間內能夠輸送的液體量見式（6）、式（7）。

以上式中：P1為進油腔壓力；P2為回油腔壓力，P2=P背=0.8 MPa；ηm為液壓油缸的機械效率，一般取0.90～0.95［9］；ην為液壓缸的容積效率，液壓缸的容積效率與其活塞的密封材料密切相關。當液壓缸的活塞采用彈性密封材料時，容積效率會相對較高（ην=1）；而當活塞采用金屬環密封材料時，容積效率則相對較低（ην=0.98）。ν2為活塞運動速度。因此，選擇液壓缸型號為HSGL01-125/dE。

2.3 液壓泵參數的計算與選型

液壓泵將原動機產生的機械能轉為壓力能，為系統提供加壓介質，是液壓系統中的動力元件。

2.3.1 確定液壓泵的工作壓力。進行液壓泵選型應確定泵的最大工作壓力，見式（8）。

2.3.2 確定液壓泵流量。液壓泵的流量與液壓泵最大工作時的流量和其回路時的泄漏量這兩個方面有關，因此液壓泵工作流量Qp見式（9）。

2.3.3 選擇液壓泵型號。液壓泵型號的選擇要考慮其壓力儲備功能，因而所選擇液壓缸的額定壓力要滿足大于其最大工作時的壓力的25%～60%，通過前期查閱液壓泵的相關規格型號表，可選排量Vb=31.5 mL/r，容積效率為0.93，額定壓力為20 MPa，額定轉速n=2 000 r/min，型號為CBN-F532。液壓泵的實際流量見式（10）。

2.4 電動機參數的計算與選型

電動機是把電能轉換成機械能的一種設備。電動機的功率應參照液壓泵的最大功率，由前文相關計算可以得出液壓泵能夠承受的最大工作壓力為19.5 MPa，而液壓泵每分鐘提供的實際流量為58.59 L。根據已知條件可以進一步得到電動機功率，見式（11）。

考慮所需的功率和正常電機的使用規格要求，需要YB系列防爆型異步電動機，電機的型號為YB180L，功率為22 kW，其滿載轉速為1 500 r/min。

3 結語

液壓張緊裝置是帶式輸送機的一個重要組成部分。本研究設計的雙油缸液壓張緊裝置能夠滿足帶式輸送機啟動、運行以及制動過程中穩定運行的要求，雙油缸設計不僅使裝置輸送時響應速度更快，同時，在出現輸送帶跑偏的情況時，還可以通過調整單側油缸進行調節。該裝置運行時可以保證油缸始終保持同步，防止發生因油缸不同步而導致輸送帶跑偏的情況，不僅延長了帶式輸送機的使用壽命，而且大大提高了輸送工作的安全系數。

參考文獻：

［1］岳松偉.帶式輸送機張緊裝置的發展及應用［J］.中國金屬通報，2021（11）：3-4.

［2］潘瑛.長距離帶式輸送機液壓自動張緊裝置的設計研究［J］.石化技術，2023，30（3）：257-258，190.

［3］郭洪麗.帶式輸送機液壓自動張緊裝置的設計分析［J］.機電工程技術，2021，50（9）：266-268.

［4］鄒錢平，朱小明，楊麗紅.高性能液壓缸的研究綜述［J］.液壓氣動與密封，2023，43（3）：4-8.

［5］賀錦龍.煤礦帶式輸送機自動張緊裝置的研究及應用［J］.山東煤炭科技，2023，41（1）：142-144，148.

［6］李藝偉.帶式輸送機液壓張緊裝置設計及應用［J］.機械管理開發，2022，37（3）：182-183.

［7］孟建興.帶式輸送機液壓張緊裝置設計和控制研究［J］.機械管理開發，2021，36（3）：54-56.

［8］雷春福.長距離大型帶式輸送機張緊裝置研究［J］.機械管理開發，2022，37（11）：171-173.

［9］張元越.液壓與液壓傳動［M］.成都：西南交通大學出版社，2016.

［10］劉暢，孫健，趙立.帶式輸送機用比例液壓張緊系統設計［J］.煤炭技術，2020，39（5）：152-154.