带式输送机的制动装置液压系统设计

中国矿业大学 08 届本科生毕业设计 第 1 页1 绪论1.1 引言 带式输送机是输送带兼作牵引机构和承载机构的一种运输设备，在经过两个世纪的发展，已从最小型运输工具发展成为输送散体物料的最重要的运输工具之一，因其能实现物料的连续装卸运输而且运输距离长、输送能力大、电耗低、投资费用相对较低以及维护方便等特点，而被广泛应用于港口、矿山、码头、冶金、电站、化工、轻工、建材、粮食等许多工业领域。其生产率高，输送量大，能源消耗也比较少能实现连续长距离大倾斜输送工作平稳可靠、噪音小、结构简单，设备运行费用低，可在输送带的任意位置加料或卸料，因此在散体物料的运输中，带式输送机的应用越来越广泛。带式输送机发展趋势主要集中在长距离、高速度、大运量、大功率等方向。在提高带式输送机生产效率的同时，必须保证输送机整机的性能，降低故障的发生率。随着科学技术的迅速发展，可用于制造、设计、安装的各种新技术、新方法的出现，输送带接头的技术的不断完善，带式输送机进入了一个新的发展时期。这段时期的一个明显特点是：带式输送机技术发展迅速，具体表现在带式输送机功能多元化、应用范围扩大化，如大倾角带式输送机、管状带式输送机、空间转弯带式输送机等各种机型带式输送机本身的技术向长运距、大运量、高带速的大型带式输送机的方向、发展，运行控制更加智能化、稳定化、界面化带式输送机本身关键零部件向高性能、高可靠性方向发展。在煤矿运输中，拉紧装置是带式输送机不可缺少的重要组成部分，它的性能好坏对带式输送机整机的性能影响很大，直接关系到带式输送机的安全运行及使用寿命。本文研究的是一种新型的拉紧装置，主要由机械原理完成对带式输送机的张紧作用，使拉紧装置更加安全有效，性能优异。1.2 拉紧装置概述1.2.1 拉紧装置作用(1)使得输送带在驱动滚筒上具有足够的张力,输送带和驱动滚筒之间产生足够的摩擦力,防止输送带打滑。(2)使输送带各点的张力不低于最小值,可有效防止输送带悬垂度过大而引起撒料和增加运行阻力。(3)可以补偿输送带的塑性伸长和工作中的弹性伸长产生的长度变化。(4)为输送带接头及处理输送机故障需要松带时提供必要的行程。1.2.2 对拉紧装置的要求(1) 响应速度快。拉紧装置使输送带张力恢复到设定值所花费的时间称为响应速度。响应速度要越快越好, 响应周期小于输送带张力变化周期, 输送带可获得一个稳定的张力, 此时运行平稳; 反之, 张力不稳定会产生振动 ;(2) 可自动地调节张力与张紧行程。输送机启(制)动时, 张力自动调节到额中国矿业大学 08 届本科生毕业设计 第 2 页定值的 1. 4 1. 5 倍, 而在正常运转时, 又能自动降低张力, 使张力值为额定工作张力的 0. 9 1. 1 倍, 始终保持输送带设计规定的挠度;(3) 张紧滚筒上输送带的包角为 180, 与滚筒位移平行, 所施加的张紧力应通过滚筒中心;(4) 张紧滚筒作反向移动时, 不会产生张力的突然变化而致使煤滚落。1.2.3 拉紧装置的方式与发展阶段(1)机械张紧。这是带式输送机张紧装置发展的第一阶段,主要有重锤式张紧（图 1-1）和固定式绞车张紧（图 1-2）2 种张紧方式。固定式绞车张紧仅能实现张紧功能,若输送带由于某种原因伸长导致张紧力减小时,只能进行人工张紧,无法实现输送带的张力恒定。重锤式张紧装置通过滑轮组和重锤块实现张紧,当输送带伸长时能自动补偿其伸长,结构简单,工作可靠,但受滑轮摩擦阻力和重锤惯性力的限制,响应速度慢,输送带张力明显不恒定,失重现象严重。为了保证重锤式张紧装置的正常工作,井下需要打一个很大的硐室,从成本、操作和维护方面看,都不可行。单重锤式 重锤车式图 1-1 重锤式张紧1 2 3 4 51、张紧滚筒 2、钢丝绳 3、减速器 4、制动器 5、电机图 1-2 固定式绞车张紧(2)自动张紧。这是带式输送机张紧装置发展的第二阶段,它是液压绞车张紧装置（图 1-3）,其技术只能实现在匀速阶段的自动张紧,保持输送带在该阶段的张力恒定,而在启动与制动不稳定运行工况下,由于它的惯性大,响应慢,较难实现张力恒定,作用与固定式绞车紧张装置相同; 其结构特征表现为带闸,绞车张紧时松闸,停止时紧闸,绞车运转的时间很短。为了保证液压绞车张紧的响应速度,液压泵站不能停机,液压马达始终处于待命状态,有消耗能量较大、设备有形磨损严重,故障率高等特点。中国矿业大学 08 届本科生毕业设计 第 3 页1 2 3 4 51、张紧小车 2、钢丝绳 3、缓冲油缸 4、张力传感器 5、液压绞车图 1-3 液压绞车张紧装置(3)动态自动张紧。主要产品有液压绞车自动张紧与液压缸自动张紧，如国内外使用较多的 KJ2029 型矿用带式输送机自动张紧系统，法国 A 型带式输送机液压缸白动张紧系统、DYL 液压缸型张紧系统，这几种白动张紧系统都可以做到自动调节输送带张紧力，动态响应快，能在起动阶段和正常运行阶段两种工况下提供相应的张紧力。液压绞车长时间处于工作状杰，其结构特征是不带闸。自动张紧装置采用大拉力张紧装置张紧输送带，不但能根据主动滚筒的牵引力来自动调整张紧力，而且还能补偿输送带的弹性伸长和塑性变形，同时配备张力传感器及变送器，测定输送带的张力。当输送带张力发生变化，超过输送机正常运行的范围时，自动张紧装置迅速动作，调整输送带张力，保证输送机的正常运行。白动张紧装置与自移机尾配合使用，可在输送机不停机的条件下，实现输送机机尾的移动和输送带的伸缩，大大提高了带式输送机的工作效率。图 1-4 是液压自动张紧装置的工作原理图1、粗过滤器 2、油泵 3、溢流阀 4、精过滤器 5、换向阀 6、单向阀 7、压力表 8、油缸 9、动滑轮 10、张紧小车 11、蓄能器 12、电磁阀 13、溢流阀 14、油箱 15、固定绳座 16、改向滑轮 17、慢速绞车 18、逆止阀 Y J1、Y J2、Y J3-压力继电器中国矿业大学 08 届本科生毕业设计 第 4 页图 1-4 液压自动张紧装置的工作原理图1.3 国内外同类技术发展状况1.3.1 带式输送机拉紧装置在国内的发展与应用从国内实际应用的情况看，绞车拉紧和液压拉紧可以实现自动控制且拉紧力可调，重锤拉紧装置有较高的安全可靠性。随着工业和技术的发展，具有长距离、大运量、高带速特征的大型带式输送机已成为发展主流，由此对拉紧装置提出更高要求，传统的拉紧装置逐渐显示出其缺点，技术人员已将对拉紧装置的研究方向逐步转入到自动拉紧领域。如我校开发的 YZL 系列带式输送机液压绞车式自动拉紧装置，它能根据带式输送机起动加速阶段和平稳运行阶段对输送带拉力的不同要求，提供相应的输送带拉力，并能在输送带拉力发生变化时准确监测并及时自动调整。在国内的理论研究方面，煤炭科学研究总院的上海分院在 03 年研究出一种新型带式输送机自动拉紧绞车，该自动拉紧绞车由机械传动、液压系统及电控和保护系统等部分组成，具有技术先进、性能优良、体积小、运行可靠、控制灵活、操作简单等特点，与国外同类产品相比价格较低。目前，上海煤炭研究院正准备投入生产。山东科技大学的肖林京教授，在总结了以往输送机的拉紧装置的应用特点和存在的不足之处的基础上，从系统整体出发，设计了液压自适应拉紧装置的系统设计，并对拉紧装置及系统的动特性在理论上作了详细的论述，建立了自适应液压拉紧装置各个元件的数学模型，给出了液压系统的传递函数，优化了系统的整体动特性。太原理工大学的廉自生教授对带式输送机拉紧系统进行了理论分析，总结了输送机起动拉紧力、制动拉紧力和正常拉紧力的计算方法以及拉紧系统的安装位置，设计出变频调速自动拉紧装置。1.3.2 带式输送机拉紧装置在国外的发展与应用主要有澳大利亚 ACE 输送机公司带式输送机自动拉紧装置（简称 APW） 。该专利绞车就是专为调节与控制带式输送机的输送带拉力而设计的拉紧装置，它具有快速的紧带和松带性能，反应敏捷、体积小、运行可靠、控制灵活、操作简单、安装方便、噪音小、保护功能齐全等一系列特点，在世界上许多国家都得到了很快的发展和应用。APW 拉紧装置可在大范围内调节和控制输送带拉力，具有良好的动态性能。我国的神华集团、充州矿务局、晋城矿务局等现代化矿井的大型输送机均使用这种拉紧装置，国内矿井最长的 6000m（运量2500t/h）顺槽输送机和 6762m（运量 2500t/h）固定输送带的拉紧技术便采用了该装置。这种新型拉紧装置不仅在高产高效长壁工作面的可伸缩顺槽输送机上普遍应用，而且在大运量、长距离高速度的固定带式输送机上使用量也在不断扩大，就目前国内外拉紧装置，APW 拉紧装置在大型带式输送机上的应用效果良好。现在澳大利亚 ACE 公司已经研制出变频调速自动拉紧装置。1.3.3 带式输送机拉紧装置国内外的发展的对比分析自动拉紧装置系统在国外问世较早，在上个世纪 40 年代，就已在苏联和日本在使用，而国内使用的拉紧系统的历史并不太长，拉紧系统的理论研究和设计方法还不完善，与国外相比，具有拉紧力响应慢、布局不合理、存在振动现象等不足之处，而且对自动拉紧系统的选型计算方法也很模糊，没有充分的理中国矿业大学 08 届本科生毕业设计 第 5 页论基础。随着国民经济的飞速发展，矿山、建材、化工、港口、粮食、电力、煤炭等部门对散状物料的输送提出了新的要求，因此，带式输送机已不只是厂内及车间与车间之间的输送设备，而成为可以与汽车运输相竞争的输送设备。无论国外还是国内的建材、港口及矿山行业，在这两种运输方案的对比后，最终还是较多地选择以长距离、大运量的带式输送机代替汽车运输的方案。其原因是采用汽车运输不仅要修建公路，购买汽车一次性投资大，而且日常的公路和汽车维修费用也很高；带式输送机输送散状物料是连续的物料流，生产效率高。目前，国外最大带速已达 12m/s。国内的最大带速达 5.18m/s，最大输送量8400t/h。近年来，通过引进国外先进国家的带式输送机整套设备及技术，以及国内广大科研技术人员的共同努力，可以说国内设计和制造长距离、大运量带式输送机的水平已经可以满足国内市场的需求，但是一些关键技术尚需引起重视并加以深入研究和开发。1.4 带式输送机拉紧装置安装位置的确定1.4.1 拉紧装置的基本布置原则带式输送机拉紧装置的布置遵循下面几个原则：(1)拉紧装置的安装位置可以任意选择，但最好选择在靠近驱动装置处，使此处的拉紧力始终保持不变，如安装位置离驱动装置较远，则需要增设重锤，以抵消加速度和减速度的影响，确保驱动部位保持最小的张力。(2)尽量布置在张力最小处或靠近传动滚筒的松边处。(3)确定拉紧力的大小时，要考虑到正常运行和启动、制动等各种工况。(4)拉紧行程须考虑输送带接头的预留量等因素。1.4.2 拉紧装置安装位置的选定由于带式输送机的驱动功率增大和运距的加长，拉紧装置在不同的安装位置上，其所需拉紧力和拉紧行程往往相差甚远。拉紧位置选择不当很有可能造成输送机不能正常工作。特别是在长距离大功率带式输送机的起制动过程中，由于输送带是一个粘弹性体，驱动装置若不能提供缓慢、平滑的加速过程，输送带将发生较大的粘弹性变形，由于不稳定就会在输送带中产生较大动张力。若是拉紧装置的位置较为合理，拉紧装置就能配合驱动装置共同减小动张力的影响。一般来说，确定拉紧装置的安装位置时应考虑以下几点：(1)拉紧装置尽可能布置在输送带最小张力处。(2)长度在 300m 以上的水平或坡度在 5%以下的倾斜输送机，拉紧装置应设在紧靠驱动滚筒的空载侧。(3)距离较短的输送机和坡度在 5%以上的倾斜运输的输送机，拉紧装置多半布置在尾部。(4)由于钢丝绳芯输送带的伸长量非常小，拉紧装置也可设在尾部。本文的拉紧装置安装在紧靠驱动滚筒的空载侧，示意图 1-5 所中国矿业大学 08 届本科生毕业设计 第 6 页驱 动 部 分 张 紧 装 置图 1-5 张紧装置安装位置示意图中国矿业大学 08 届本科生毕业设计 第 7 页2 可伸缩带式输送机自动张紧绞车总体设计2.1 总体结构带式输送机自动张紧装置是典型的机、电、液一体化设备，其总体结构图如图 2-1 所示，它主要由电机、改向装置、液压控制系统、联轴器、张紧装置绞车组件、张力传感器、液压阀块控制箱、就地控制箱、张紧绞车底座等组成。图 2-1 为其结构总图。图 2-1 结构总图根据其总体结构可以将该装置分为机械传动部分、液压部分以及电气控制部分三部分。2.2 工作原理带式输送机自动张紧装置是通过使用装在钢丝绳上的测力传感器读出皮带张力，由 PLC 控制其离合器和制动器来实现各个工作过程。通过激励离合器来实现紧带，通过激励制动器来释放胶带（松带） 。张紧装置的紧带和松带是通过两条路线来实现的。在紧带工作过程中，电机启动后，齿轮 1、2 啮合，齿轮 2 和 4 也啮合，电机带动齿轮泵运转并供油。电机启动 2 秒以后，控制离合器开合的电磁阀得电，压力油进入离合器的液压缸内，将摩擦片压紧使得电机输出扭矩通过齿轮 3、齿轮 5 和齿轮 6，此时常闭制动器打开，转矩通过联轴器和减速器传给绞车滚筒，绞车正转使皮带张紧。中国矿业大学 08 届本科生毕业设计 第 8 页图 2-2 紧带和松带时传动原理图示意图当张力值大于设定张力值时，绞车进行松带，绞车在胶带张力的反向拉力作用下滚筒反转，绞车反转的扭矩通过减速器、联轴器和制动器反向传给电机。此时控制制动器的电磁阀得电，制动器打开，而控制离合器的电磁阀失电，离合器中的摩擦片松开，使得齿轮 2 和齿轮 3 断开连接。在松带过程中，扭矩传递的方向是绞车滚筒减速器（增速状态）制动器齿轮 6齿轮 7，在单向轴承 1 的作用下通过齿轮 4、2、1 将扭矩传给电动机，此时电动机转速稍微超过同步转速，处于发电运行状态。如图 2-3 所示。图 2-3 紧带和松带时电机的特性曲线当张力在设定的范围内时，绞车既不紧带也不松带，此时控制离合器和制动器的电磁阀都失电，即电磁阀处于中位。电机仍然转动，但由于离合器中的摩擦片松开，电机此时只是带动齿轮 1 和齿轮 2 空转的。而制动器中的摩擦片压紧，使得粘液盘与钢衬套相连且是静止的，从而锁住绞车输出轴，使得绞车滚筒不反转从而保持张力，此时绞车就进入备用状态。中国矿业大学 08 届本科生毕业设计 第 9 页3 张紧绞车机械传动部分3.1 机械传动部分部分设计计算与选择3.1.1 已知原始数据输送机长度: ；30 mL表 3-1 与输送机长度有关的系数L(m) 6 10 20 30 50 80 100 200 300 400 600 850 1000 1500k 6 4.5 3.2 2.6 2.2 1.9 1.75 1.45 1.32 1.24 1.15 1.1 1.09 1.06参考表 3-1，可选定与长度有关的局部阻力系数: ；1k输送量: ；250 t/hA输送机带速: ；4.9sv每米货载质量: ；17 kg/mQ输送机倾角: ；3.2抗滑安全系数: ；表 3-2 输送带与滚筒间的粘着系数滚筒覆盖面工作条件 光面钢滚筒（平） 聚酯覆盖面（人字槽）橡胶覆盖面（人字槽）陶瓷覆盖面（多孔、人字槽）干态运行 0.350.4 0.350.4 0.40.45 0.40.45清洁潮湿（有水）运行 0.1 0.35 0.35 0.350.4污浊潮湿（泥浆、粘土）运行 0.050.1 0.2 0.250.3 0.35由表 3-2