（机械制造及其自动化专业论文）长距离带式输送机自动张紧装置的研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 长距离带式输送机自动张紧装置的研究 机械制造及其自动化 李福霞 马胜利 摘要 ( 签名) 盔超毽 ( 签名 随着煤矿行业高产高效采煤技术的推广与应用，长距离、大运量、大功率的带式输 送机得到了广泛的应用。实际生产中，传统的张紧装置尽管有着使用成熟、结构简单等 优点，但对它们所带来的张紧力不足、响应缓慢、隐性设备损害严重等缺陷直没有很 好地解决，因此，强力带式输送机的张力动态调节装置的研发成为其安全运行技术的关 键之一。 本文在对国内外现有的张紧装置进行分析的基础上，通过对胶带在不同工况下的 静、动张力的综合分析，研究其对张紧装置动态特性的具体要求，并运用现代检测技术、 液压控制技术和计算机控制技术，提出了实时检测并能自动调节张力的解决方案。设计 了包括液压控制部分、张紧力检测部分和电控部分在内的对胶带张紧力实时调控的系 统，该系统以张力传感器为监测元件、以比例溢流阀为控制元件，通过改变电流的大小 来改变比例溢流阀的压力，进而控制液压系统的压力，实现张紧力的实时调节。对该 系统的主要元件进行了建模和选型，并用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件建立了仿真模 型，得到了p i d 校正前后的时间响应曲线和特性响应曲线，并进行比较分析，得出校正 后系统的各性能指标均符合要求的结论。此外，对电控系统进行了硬件和软件的设计， 并进行了模拟实验，证明了其控制部分的运行可靠性。本文从理论上证明了该种系统的 可行性，它具有响应快、适应性强、控制方便、维护简单等特点，克服了传统张紧装置 的弊病，延长了胶带的使用寿命，提高了工作效率，为新型自动张紧装置的研发做了一 定基础性的工作。 关键词：带式输送机；张紧装置；张紧力；液压系统；仿真 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho ft h ea u t o m a t i ct e n s i o n i n gd e v i c eu s e di nt h el o n g d i s t a n c eb e l tc o n v e y o r s p e c i a l t y ：m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i z a t i o n n a m e：l if u x i a i n s t r u c t o r ：m as h e n g i i ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t ur e ) a b s t r a c t 历r 一撇 w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fh i 【g l ly i e l da n dh i g l le f f i c i e n c yc o a lm i n i n g t e c h n o l o g i e si nt h ec o a lm i n ei n d u s t r y , t h el o n g - d i s t a n c e ，l a r g e - c a p a c i t ya n dh i g hp o w e rb e l t c o n v e y o ri sw i d e l yu s e d d u r i n gt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ，t h et r a d i t i o n a lt e n s i o n i n gd e v i c e sh a v e s o m ea d v a n t a g e ss u c ha st h em a t u r eo fu s ea n dt h es i m p l es t r u c t u r e ，b u tt h ed e f e c t s ，f o r e x a m p l e ，t h e i ri n a d e q u a t et e n s i o n i n g ，s l o wr e s p o n s ea n ds e r i o u sd a m a g et o r e c e s s i v e e q u i p m e n t ，h a v en o tb e e nw e l lr e s o l v e d s ot h ed e v e l o p m e n to ft h ed y n a m i ct e n s i o nc o n t r o l s y s t e mu s e di ns t r e n g t hb e l tc o n v e y o rb e c o m e so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h es a f e o p e r a t i o n o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fh o m ea n da b r o a de x i s t i n gt e n s i o n i n gd e v i c e ，t h r o u g ht h e c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h eb e l t ss t a t i ca n dd y n a m i ct e n s i o nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s s p e c i f i cr e q u i r e m e n t so ft h et e n s i o n i n gd e v i c e a r er e s e a r c h e d ， m o d e md e t e c t i o nt e c h n o l o g i e s ，h y d r a u l i cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g ya r ea p p l i e d ，a n dt h es o l u t i o nt h a tt h eb e l tt e n s i o nc a nb er e a l - t i m e l yd e t e c t e da n d a u t o m a t i c a l l ya d j u s t e di sp u tf o r w a r d t h er e a l t i m ec o n t r o ls y s t e mo f b e l tt e n s i o ni sd e s i g n e d ， i n c l u d i n gt h eh y d r a u l i cc o n t r o lp a r t ，t e n s i o nm e a s u r i n gp a r ta n de l e c t r i cc o n t r o lp a r t a t e n s i o n s e n s o ri su s e da st h em o n i t o r i n ge l e m e n ta n dap r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v ei ss e r v e da st h e c o n t r o le l e m e n ti nt h i ss y s t e m o v e r f l o wa m o u n to ft h ep r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v ei sc o n t r o l l e d w e l lt h r o u g hc h a n g i n gt h es i z eo ft h ei n p u tc u r r e n to ft h ep r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v e ，i nt h i sw a y , t h ep r e s s u r eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mi su n d e rt h ec o n t r o l ，t h e nt h et e n s i o n sb e i n gr e a l - t i m e l y c o n t r o l l e di sr e a l i z e d t h em a i nc o m p o n e n t so ft h es y s t e ma r em o d e l e da n ds e l e c t e d ，t h e s i m u l a t i o ns o f t w a r eo fm a t l a b s i m u l i n ki su s e dt ob u i l dt h es i m u l a t i o nm o d e l ，a n dt h e t i m er e s p o n s ec u l v ea n dc h a r a c t e r i s t i cr e s p o n s ec u r v ea r eg o tb e f o r ea n da f t e rp i dc o r r e c t i o n a n da r e a n a l y z e dc o m p a r a t i v e l y t h ec o n c l u s i o nt h a te v e r yp e r f o r m a n c em e e t ss y s t e m r e q u i r e m e n t si sd r a w n i na d d i t i o n ，t h ee l e c t r o n i ce o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r e d e s i g n e d ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sc a r r i e do u ta n dt h er e l i a b i l i t yo fc o n t r o ls y s t e mi s p r o v e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e mi st e s t i f i e dt h e o r e t i c a l l yi n t h i sp a p e r i th a sm a n y f e a t u r e ss u c ha sf a s tr e s p o n s e ，s t r o n ga d a p t a b i l i t y , c o n v e n i e n tc o n t r o la n ds i m p l em a i n t e n a n c e ， o v e r c o m e st h ed r a w b a c k so ft r a d i t i o n a lt e n s i o n i n gd e v i c e ，p r o l o n g st h el i f eo ft h eb e l t ， i m p r o v e sw o r ke f f i c i e n c ya n dd o e ss o m eb a s i cw o r kf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h en e w a u t o m a t i ct e n s i o n i n gd e v i c e k e yw o r d s ：b e l tc o n v e y o rt e n s i o n i n g d e v i c e t e n s i o n ；h y d r a u l i cs y s t e m s i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻种技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文巾不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名苍编昏期：纩尹口 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名苍晒霞 师= 煮翔 渺广嘲嗍 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 近年来，随着高产高效采煤技术的应用，具有大落差、连续性、高效益的长距离带 式输送机得到了广泛的应用。 然而，由于胶带是弹性体，在输送机的启、停过程中胶带储存或释放的大部分能量 在胶带内形成很大的应力波动，这些应力波动会使输送带的张力和挠度发生变化，当挠 度增大到一定值时，就会导致输送带打滑而不能正常工作。此外，胶带的弹性变形和塑 性变形会使胶带会变得松弛引起撤料、煤炭堆积、胶带损坏等严重事故，摩擦严重时甚 至引起火灾。这些事故不仅影响了高效的生产，而且给煤矿安全带来了隐患。因此，张 紧装置在带式输送机中起着重要的作用，主要有以下几点【3 】： ( 1 ) 保证输送带在驱动滚筒的分离点有适当的张力以防止输送带打滑； ( 2 ) 保证输送带上所有各点具有必要的张力以满足悬垂度要求； ( 3 ) 启、制动等非稳定工况下动张力的调节； ( 4 ) 补偿输送带的弹性伸长和永久性伸长； ( 5 ) 为输送带重新接头提供必要的行程。 1 2 带式输送机张紧装置的发展概况 由于张紧装置对带式输送机稳定运行的意义重大，因此国内外许多学者专家对张紧 装置进行了大量深入的研究，其发展大致分为以下几个阶段1 3 】： 第一阶段，纯机械张紧阶段。这一阶段的主要产品有：螺旋张紧、固定式绞车张紧 和重锤式张紧。重锤式张紧是通过滑轮组和重锤块达到张紧的目的，当胶带伸长时，能 自动吸收伸长量。螺旋张紧和固定式绞车张紧在输送机运转过程中其位置始终固定，张 紧力下降时，只能通过人的观察发现后重新张紧。 第二阶段，张紧力半自动可调阶段。该阶段的典型产品是机械绞车张紧装置，它只 能实现在稳定运行阶段的自动张紧，保持胶带在该阶段的张力恒定，而在起动与制动等 不稳定工况下张紧力不可调。其结构特征是带闸，绞车张紧时松闸，停止时紧闸。绞车 运转的时间很短，大部分时间处于停车待命状态。 第三阶段，张紧力全自动可调阶段。主要产品有：液压绞车自动张紧装置和液压缸 自动张紧装置，如国内外使用较多的k j 2 0 2 9 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自动张紧系统、d y l 液压缸型张紧系统、中国矿业大学研制的y z l 型液压绞车自动张紧装置、澳大利亚a c e 公司生产的a p w 型自动张紧装置等，此类张 西安科技大学硕士学位论文 紧系统能自动调节输送带的张紧力，其结构特征是不带闸，但为了保证响应速度，液压 泵站不能停机，马达必须始终处于待命状态，所以功耗较大。液压缸式张紧采用液压泵 与蓄能器同时工作，尽管实现了响应快、功耗低的功能，但张紧行程受到限制。 1 3 张紧装置的组成 一般情况下，张紧装置通常由张紧滚筒、张力生成设备等部分组成。不同的张紧装 置，其结构组成不同。比如，重锤张紧装置是由重锤和张紧滑轮组成；本课题所研究的 张紧装置主要由电机、液压泵、液压马达、绞车卷筒和张紧缓冲油缸等部分组成，如图 1 1 所示。 - q 张啭缓冲油钉卜 叫液峭达卜_ 图1 1 新型张紧装置的张力生成设备 1 4 张紧装置的种类、特点及其选择与布置 1 4 1 传统张紧装置的种类及特点 张紧装置的形式很多，按工作原理的不同主要分为：固定式、重锤式、自动式。 ( 1 ) 固定式张紧包括螺旋张紧和固定绞车张紧 螺旋张紧装置( 如图1 2 ) 的张紧滚筒的轴承座安装在活动架上，活动架可在导轨 上滑动。当旋转螺杆时，活动架上的螺母与活动架一起前进或后退，实现张紧或放松。 其特点是结构简单，但张紧行程太小，只适用于短距离的输送机( 一般机长小于8 0 m ) 。 当胶带伸长后，不能自动张紧；调节时必须使用大扳手或专用套扳手才能调整螺杆；因 螺杆和滑道之间经常会被杂物堵塞或因螺杆生锈，导致螺杆旋转不灵而无法调节；螺 杆长期使用易发生弯曲，所以调节螺杆不能太长，从而限制了调节行程；另外，当输送 带受负载冲击时，张紧滚筒的固定螺栓易产生松动而造成胶带松弛。 固定绞车张紧装置的绞车一般用蜗轮蜗杆减速器带动卷简缠绕钢丝绳来张紧输送 带。其体积小张紧力大，被广泛用于煤矿井下的带式输送机；但只能根据需要调节，且 调节好后张紧力固定。当胶带由于绞车和控制系统出现问题产生松动时，不能及时调节 张紧力，所以安全可靠性相对降低。 2 1 绪论 1 皮带2 螺杆3 机座4 张紧滚筒 图1 2 螺旋式张紧装置 ( 2 ) 重锤式张紧包括垂直重锤式和重锤车式 垂直重锤式张紧装置主要有单重锤式和多重锤式，其结构如图1 3 。由于靠重锤自 重张紧，所以能自动补偿胶带的伸长，适用于固定式长距离运输送机。但基建费用高， 对空间要求大；张紧装置下方常被杂物积满，若不及时清理，会被杂物托起而起不到张 紧作用；由于依靠人工增减重锤来调节胶带张紧力，所以调节不准确且操作困难。 重锤式小车张紧装置( 如图1 4 ) 是通过重锤牵引小车达到张紧的，其也有占用空 间大、不便于现场管理和布置的缺陷；由于张紧小车在导轨上游动，当皮带启、急停时， 小车易产生掉道，引起皮带跑偏，严重时会造成机尾上提，损坏皮带。 口口口 ( a ) 单重锤式 图1 3 垂直重锤式 ( b ) 双重锤式 图1 4 重锤车式 ( 3 ) 自动式张紧装置 自动张紧装置在近代带式输送机中被广泛应用，它可使输送带具有合理的张力分 布，并自动补偿输送带的塑性伸长。按驱动形式的不同，大体可分为电驱动绞车张紧装 置和液压驱动油缸张紧装置( 如图1 5 、1 6 ) 。电驱动绞车张紧装置由电机、制动器、减 速器、钢丝绳、滚筒等组成，同时配备张力传感器，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，该装置迅速调整张力保证输送机的正常运行； 但受张力传感器质量不高或机械系统惯性及信号滞后等影响，自动绞车有误动作现象， 影响其使用效果。液压驱动油缸张紧装置是通过油缸对张紧滚筒施加张紧力，可根据胶 带机运行工况的需要调节张紧力的大小，但液压站和油缸始终处于工作状态，引起大量 的能量消耗：且受张紧油缸行程的限制，只适用于短距离的带式输送机【4 5 1 。 3 2 耋盐釜盔：罂：主竺耋耋 藤 萨童尊雪= 芝i i 精l 舔： 舻理 勺! 卷筒2 行星减速机3 控制系统4 电磁制动嚣5 联轴器6 电磁离台器 7 张紧滚筒8 隰撵电机9 防爆变颁器1 0 输送带1 1 张力传孵器 图1 5 电动绞车张紧装置 i 张紧小车2 蓄能嚣3 拉紧油缸4 液压站5 隔爆电控箱 图i6 液压油缸张紧装置 1 4 2 张紧装置的选择及其布置原则 布置带式输送机时，合理地确定张紧装置，是保证输送机正常运转、正常启制动的 必要前提张紧装置的工作特性不仅取决于自身的结构性能，而且还与其安装位簧及输 送机的启、制动特性有关。因此合理地选择和布置张紧装置非常重要。 在实际应用中，首先要根据带式输送机的工作状况合理地计算牵引力，然后根据具 体情况柬选择张紧装置及其安装位置。一般来说，对于短距离的带式输送机，可采用结 构简单、周期调整的固定式张紧装置：距离较长，张力要求不大的固定带式输送机，可 采用重锤式张紧装置；对于长距离、大运量的带式输送机来说，多采用自动张紧装置， 而对于可伸缩带式输送机来说，多采用绞车式自动张紧装簧。 在带式输送机的系统设计中，根据输送机对张力的要求和输送机的型式选择了张紧 装置后，要考虑张紧装置的安装位置和安装空间因为所选位置的不同对输送机系统的 影响也不同。张紧装置的布置，可从以下几方面综合考虑h ； ( 1 ) 尽量布置在使带式输送机的胶带动张力最小处； 1 绪论 ( 2 ) 要尽可能布置在张力的最小处： ( 3 ) 应尽量便于维护管理； ( 4 ) 不论何种张紧装置，其张紧滚筒绕入和绕出的胶带分支都必须与张紧滚筒的 位移线平行，且施加的张紧力要通过滚筒中心； ( 5 ) 尽量避免为了布置张紧装置而专门增加井巷工作量的情况。 1 5 本课题的研究意义 随着我国高产高效采煤工艺的大力推广，煤矿用带式输送机正逐渐向着大功率、大 运量、长距离的方向发展，为了改善输送带在启、制动及运行过程中的动态特性，提高 产品的使用性能，其张紧装置也逐渐向着智能化、自动化的方向发展。 国内在设计带式输送机时，输送机的最大启动圆周力按工作阻力的1 5 倍进行计算， 这样不但会造成胶带强度等级的浪费、主要受力部件的参数过大及设备投资增加，而且 会使输送机系统的驱动装置、张紧装置和制动装置的参数设置不合理，极易造成严重事 故。因此，研究带式输送机的动态特性是必要的。 长距离带式输送机的张紧装置不仅要满足输送带伸长量的要求，而且要满足张紧力 可调，即启、制动时的张紧力要满足动态防滑要求，匀速阶段又要满足带式输送机正常 运行的要求。因此，有必要研制出一种同时可满足稳、动态工况要求的、张紧力可测可 调的、具有较高安全性和可靠性的新型的张紧装置。 本文在对胶带上静、动张力和带式输送机对张紧装置的要求进行了分析之后，比较 了各种张紧装置对带式输送机的影响，深入研究了张紧装置的组成部分及工作原理、工 作环境、工况要求，针对现有张紧装置的响应速度慢、张紧行程短、不能实时调节张紧 力等缺陷，设计了一种采用电液比例控制技术的自动张紧装置，并采用p i d 校正法对其 进行校正，提高了其动态特性。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 带式输送机对张紧装置的要求 2 1 运行阻力的分析 带式输送机在运行中会受到各种运行阻力，按阻力的作用性质通常可将阻力分为均 布阻力与集中阻力。均布阻力主要包括以下三部分： ( 1 ) 输送带和物料的变形阻力 输送带和物料的变形阻力是由输送带在运行过程中与托辊组之间产生的变形和输 送带上的物料随输送带的变形而变形所产生的能量损失引起的，主要是由于托辊间的输 送带呈悬垂形曲线以及输送带与物料间的内摩擦力和粘结力造成，除了与物料本身的特 性有关外，还与输送带的速度、单位载荷、托辊组间距、侧托辊倾角等有关。 ( 2 ) 托辊的运行阻力 托辊的运行阻力由托辊轴承摩擦阻力和密封装置的阻力组成，且密封装置的阻力占 较大部分。根据测定，托辊的运行阻力主要与托辊的转速有关，在通常的载荷范围内， 其随载荷大小的变化甚小。 ( 3 ) 输送带在托辊上的压陷阻力 输送带的覆盖胶层具有一定的弹性和硬度，在重力作用下会被压陷在托辊上，压陷 区随着输送带的运行不断地移动，因而产生了运行阻力。这种阻力与输送带的张力无关， 而与输送带的载荷及覆盖胶层的弹性、硬度有关。 集中阻力主要包括以下几部分： ( 1 ) 改向滚筒的阻力 改向滚筒的阻力包括轴承摩擦阻力和输送带弯曲阻力。轴承摩擦阻力与输送带张 力、滚筒直径及滚筒重量有关。弯曲阻力也与张力及滚筒直径有关，当输送带在滚筒上 改向时，先被弯曲，后被拉直。弯曲时需要输入能量，拉直时，储存起来的变形能量部 分被释放，部分被消耗，那些被消耗的能量则表现为输送带的改向阻力。 ( 2 ) 装料点的阻力 装料点的阻力包括物料落到输送带上时与输送带之间的相对摩擦阻力和物料与导 料板之间的摩擦阻力。 ( 3 ) 清扫器的摩擦阻力 清扫器以一定压力压在输送带上，当输送带运行时，就产生了摩擦阻力。 ( 4 ) 输送带的卸料阻力 输送带的卸料阻力取决于所用的卸料型式，当用卸料小车时，主要包括改向滚筒的 阻力和提升物料到卸料高度的倾斜阻力两部分。 6 2 带式输送机对张紧装置的要求 ( 5 ) 凸线段阻力 凸线段阻力是由于输送带在凸线段上运行时，输送带张力产生了法向分力，这个分 力作为一个附加载荷通过输送带施加在托辊上。凸线段造成的附加阻力与输送带的张力 和凸线段的半径有关。 若采用另外的方法分类时，带式输送机在运行中受到的运行阻力还可分为：主要阻 力、附加阻力、特种主要阻力、特种附加阻力和倾斜阻力。 为简化计算，对带式输送机运行阻力也可采用近似的计算方法。此时，输送带总的 运行阻力可分为重载段阻力肜、空载段阻力呒。近似计算时，有如下的经验公式： 形= x ( q + q d + g g7 胁c o s f l b + q d 山喀s i n p ( 2 1 ) = k k d + 靠”皿c o s f l 千q d l g s i n f l ( 2 2 ) = 彬 4 - 哌= r ( q + 2 q d + q g + q g ) l g w c o s f l q l g s i n f l ( 2 3 ) 式中，眵，睨为分别为输送带总运行阻力、重载段阻力和空载段阻力，k n ；k 为与 输送机长度有关的系数( 参见表2 1 ) ；q 为每米输送带的货载质量，堙m ；q d 为每米 输送带的质量，堙m ；l 为输送机的铺设长度，m ；g 为重力加速度，m s 2 ；为输 送机的铺设倾角，r a d ；w ，w ，为总的运行阻力系数、重段、空载段的运行阻力系数 ( 参见表2 2 ) ；g 。，q 。”为重段、空段折算到单位长度上托辊转动部分的质量，姆m 。 在式( 2 1 ) 、( 2 3 ) 中，输送机重载分支向上运行时取正号，向下运行时取负号； 而公式( 2 2 ) 正负号的取舍则与之相反。 如果加上输送机运行中的附加阻力形( 简化计算时可按重载段与空载段阻力之 和的1 0 取值) ，则输送机总的运行阻力为： 甄= 形+ + 形= 1 1 眈+ ) ( 2 4 ) 表2 1 与输送机长度有关的系数1 9 1 表2 2 输送带的运行阻力系数9 j 7 西安科技大学硕士学位论文 2 2 胶带所受张力的分析 输送机胶带上的张力情况是影响输送机能否正常运行和胶带使用寿命的重要因素。 张力分析的目的就是要了解胶带上的张力如何分布，弄清最大张力在何处，并将此与启、 制动、空载和满载等工况联系起来，以便合理地选择、布置张紧装置。 2 2 1 胶带上的静张力 胶带的静张力主要是由带式输送机正常运行时的运行阻力产生，由式( 2 4 ) 可近似 求出输送机总的运行阻力，即胶带的静张力。 一般来说，输送带与驱动滚筒分离点处的张力就是输送带的最小张力。因此，在输 送机设计时，通常是先求出输送带在驱动滚筒分离点处的张力乃，再求出输送带在驱动 滚筒相遇点的张力正。 正常运行时，力平衡方程为：f 一= 0 ，且正、正满足欧拉公式正疋= e u a ，则： t 2 害马 ( 2 5 ) p 一一l 互= 正p 胆 ( 2 6 ) 式中p 为自然对数的底，取为2 7 1 8 2 8 ；t 为输送带与滚筒间的粘着系数( 见表2 3 ) ；口 为输送带与滚筒的滑动角，t a d 。 2 2 2 胶带上的动张力 胶带上的动张力主要是由带式输送机在非稳定运行状态下的加速度的影响而产生。 ( 1 ) 启动时，由于加速度产生了动张力，因此需要增加摩擦牵引力来平衡，即： 一一m a , = 0 ( 2 7 ) 驱动滚筒上的牵引力仍然是相遇点与分离点处的张力差，综合式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 得： 瓦= 击帆+ 胧q ) ( 2 8 ) 五= 疋e 胆 ( 2 9 ) 式中z m 为系统的总变位质量，豫；a s 为系统的启动加速度，m s 2 。 ( 2 ) 制动时，电机停止输出转矩。此时， 分离点的张力，而且仍然满足欧拉公式，此时： 8 互成为驱动滚筒相遇点的张力，互成为 五五- - e 膨，因此制动力公式为： 2 带式输送机对张紧装置的要求 最= 丁e u a - 1 瓦 制动时输送带的力平衡方程为： e + = 聊口， 综合式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 有： 式中o f 为制动减速度，m s 2 。 2 3 带式输送机对张力的要求 正= 高篷嘶一) 石= 吾 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 2 3 1 稳定时张力的要求 由于摩擦会引起弹性滑动，所以输送带在驱动滚筒上的张力是变化的。假设输送带 是理想的挠性体( 即输送带可以任意挠曲，不受弯曲应力，并且忽略输送带质量所产生 的重力和惯性力) ，设输送带与驱动滚筒相遇点的张力为石，分离点的张力为瓦。因输 送带具有弹性，在驱动滚筒上输送带张力大的区段产生的弹性变形要大于张力小的区 段。因此，当滚筒转动时，输送带自小张力区向大张力区产生弹性滑动。弹性滑动与打 滑是不同的，弹性滑动时，输送带在相遇点与滚筒表面具有相同的速度；打滑时，输送 带在整个接触区与滚筒产生位移。 表2 3 输送带与滚筒问的粘着系数 滚筒覆盖面 工作条件 光面钢滚筒聚酯覆盖面橡胶覆盖面陶瓷覆盖面 ( 平) ( 人字槽)( 人字槽)( 多孔、人字槽) 干燥运行 o 3 5 0 4o 3 5 0 40 4 - - 一0 4 50 4 0 4 5 清洁潮湿( 有水) 运行0 1 o 3 5 0 3 50 3 5 o 4 污浊潮湿( 泥浆、粘士) 运行 0 0 5 o 1o 2 0 2 5 o 3 0 3 5 理论和实践证明，用输送带传递牵引力时，输送带在滚筒上从相遇点开始形成张力 恒定的相对静止角厂，从分离点开始形成传递牵引力的滑动角口，而输送带在滚筒上总 的包角力= y + a 。滑动角口是变化的，最大可以等于围包角，因此，输送带与驱动滚 筒相遇点的张力的最大值为：五一= 正p 埘，输送带可传递的最大牵引力为： 9 西安科技大学硕士学位论文 懈= 疋( p 越- 1 j 。由此可知，输送带在滚筒上不打滑的条件为：互 _ t 2 e 埘。 由于静止角是非工作角，起备用牵引力的作用，而牵引力只在滑动角上传递，因此， 为保证输送带安全可靠的运行而不打滑，围包角不能全部用来传递牵引力。因此，实际 中考虑安全不打滑的欧拉公式为： 五= 正p 肛五口膨。 f 2 1 4 ) 式中口是滑动角，口是允许的最大滑动角( 口q ) 。 实际工作中，输送机运行于各种工况，如载荷的变化、启制动等，因此o t 会有一定 的变动，当0 口口时，系统可正常运行，输送带不会打滑，且有很高的安全系数；当 口7 警 ( 2 1 7 ) 6 y t l “ 式d e 为空载分支托辊间允许的最大挠度，一般取= o 0 2 5 j ：。 2 4 带式输送机张紧装置张紧力的计算实例 通常，张紧力的计算包含以下内容：确定输送机系统；确定带速、带宽，选定 胶带强度；选择滚筒与托辊；阻力计算、张力计算、电动机功率计算等。下面以某 采矿场地面爬坡输送机( 图2 1 所示) 为实例进行张紧力的计算【9 】【1 1 1 。 ( 1 ) 已知条件 原煤，散集密度= l t m 3 ；最大块度a m = 2 0 0 m m ；静堆积角p = 4 0 。；输送量 q = 5 0 0 t h ；线路长l = 1 4 0 0 m ；倾角= 6 0 ；带速1 ，= 2 m s ；带宽b = 1 0 0 0 m m ； 带型：g x 3 0 0 0 型胶带，钢绳直径d s = 9 1 8 m m ，拉断强度 g x | = 3 0 0 0 n m m ；胶 带厚度h = 2 7 m m ；线密度q d = 4 1 5 1 k g m ； 承载分支托辊间距，。= 1 2 m ；回程分支托辊间距z 。”= 2 4 m ； 承载分支托辊旋转部分线密度q 。18 3 3 k g m ； 回程分支托辊旋转部分线密度q 。”= 8 5 堙m ； 重载分支的运行阻力系数w = o 0 3 ；空载分支的运行阻力系数矿= 0 0 3 5 ； 滚筒直径d = 1 4 0 0 m m ；摩擦系数= 0 3 ；驱动滚筒i 的包角= 1 7 0 0 ； 驱动滚筒i i 的包角= 2 0 0 0 ， p 胆= e ”( a l + 口z ) = 6 9 4 ； 1 物料的单位长度质量g = 笔= 6 9 4 4 k g m ； j o y ( 2 ) 阻力计算 工作时承载分支阻力： 眵= k + 劬+ q g ) z g w c o s + 【g + q d ) t g s i n f l = 2 1 2 7 8 0 1 6 n ； 西安科技大学硕士学位论文 工作时空载分支阻力：哌= q d + q g ) l g w ”c o s f l 一劬堙s i n f l = 一3 5 9 0 4 5 7 8 n ； 工作时的总阻力：= 吃+ + 1 1 ( 彬+ ) = 1 9 4 5 6 3 1 4 0 n ； 工作时的圆周力：只= = 1 9 4 5 6 3 1 4 0 n ； 启动时的圆周力：易= 1 5 p = 2 9 18 4 4 7 1 ； 图2 i 输送机布置不意图 ( 3 ) 按摩擦传动要求计算 对于本例的双滚筒驱动，采用2 ：1 的功率配比，则置：2 e o ：1 2 9 7 0 8 7 6 ， 晶= 导- 6 4 8 5 4 3 8 ，= 是= 9 9 9 4 8 7 4 ，s 书s 一晶= 3 5 0 9 4 3 6 ， 瓯= s 一8 + 月= 2 2 9 6 5 7 5 。 ( 4 ) 最小张力校核 经检验，等- 2 8 4 8 剐胁，且啬= 2 2 9 8 1 0 0 0 0 n 。 根据该矿的实际工作情况，绞车的张紧速度较慢，在此采用带螺旋导向槽的多层缠 绕卷筒。卷筒的制作材料用4 5 # 钢，卷筒的厚度用6 表示，根据手册第3 1 2 8 页表3 1 1 2 7 ， 万= d = 6 2 r a m 。 根据手册第3 1 3 0 页表3 1 1 2 9 可查得工作级别为m 7 的卷筒的系数h = 2 2 4 ，滑轮的 系数h = 2 5 。工作级别为m 7 的筒绳直径比e = 2 2 4 ，则卷筒的名义直径，用 域= g 一1 ) a = 1 3 2 6 8 m m 。 根据第3 1 - 4 8 页表3 1 1 4 1 可得卷筒的线速度为：v 。= m v h = 4 x 0 4 8 4 = 1 9 3 6 m s 。 根据手册第3 1 3 1 页表3 1 1 3 2 ，选取卷筒直径d = 3 0 0 m m ，则转速为： 矿 筒= 飞达2 羔2 2 0 6 r s = 1 2 3 r r a i n 7 ”0 ( 7 ) 其它参数计算【9 】【1 5 】【1 6 1 总变位质量为：蚝= 3 6 4 6 0 0 k g ；动态阻力为：历= 尼一= 9 7 2 8 1 5 7 n ；启动加 速度为：口：善0 2 6 7 m s 2 ；启动时间：= 罢1 1 7 7 4 s 2 5 小结 本章分别对带式输送机的受力、胶带的张力进行了分析，围绕带式输送机对胶带张 力的要求，特别研究了其起动、制动和正常运转时所受的张力，并给出了张紧装置张紧 力的计算实例。 1 3 西安科技大学硕士学位论丈 3 张紧装置的动态特性 所谓张紧装置的动态特性就是带式输送机在启、制动和正常运行时张紧装置对输送 机系统的影响和输送机系统对张紧装置的影响，主要是张紧装置对输送机技术、经济指 标的影响，以及张紧装置对系统不同工况的动态响应等等。 3 1 各种张紧装置的适用性 在布置带式输送机的过程中，确定合理的张紧装置，是保证输送机正常启停和正常 运转的必要前提。已有文献根据带式输送机刚体动力学原理，对三种张紧装置的特性进 行了分析，得出如下结论1 1 7 l ： ( 1 ) 水平运输( = 0 0 ) 在这种情况下，采用固定式张紧装置时的胶带最大张力比采用自动式张紧装置时的 胶带最大张力大1 3 5 倍，当l 1 0 0 0 m m 时，其倍数将达1 4 5 ，且无下降趋势；而采用 重锤式张紧装置时的胶带最大张力比采用自动式张紧装置时的胶带最大张力大1 1 2 倍 以上，其比值随胶带机长度的增加而增大。 从经济方面看，若在水平运输运距较大的情况下，采用固定张紧装置与采用另两种 张紧装置相比，前者可能会导致胶带强度或整台设备提高等级。故建议，在水平运输和 运距较长的情况下，应采用自动式张紧装置，运距较短时，可采用重锤式张紧装置。 ( 2 ) 向上运输( o o ) 此情况下，当运距一定时，随着角度的增大，采用固定式张紧装置的胶带最大张力 与采用自动式张紧装置的胶带最大张力及采用重锤式张紧装置的胶带最大张力的差值 越来越小，当倾角大到一定程度时，采用固定式张紧装置和重锤式张紧装置的效果近似。 当倾角和运距均可变时，采用固定式张紧装置时的胶带最大张力受倾角因素影响较大， 而采用重锤式张紧装置时的胶带最大张力受运距因素的影响较大。总之，当运距一定且 倾角p l o o 时，推荐采用重锤式张紧装置。 ( 3 ) 向下运输( o ) 时，产生的胶带动载荷比采用绕线转子异步电动机( = 0 ) 时产生 的胶带动载荷要大。采用头部张紧装置时，在其他条件不变的情况下，比采用尾部张 紧装置的动载荷大。当带式输送机上有物料时调整张力比无物料时调整张力产生的动 载荷要大，即动载荷与载荷情况有关。 3 3 自动张紧装置对胶带动载荷的影响 设输送机启动时，张紧装置以u 的速度同时进行动作，并假设它位于驱动装置附近， 则驱动滚筒的微分方程为：聊罢+ c ：几v + 吼耽+ 甜) = 心+ 1 ， 由初始条件v ( f ) ：o j ! 导： v o ) ：等f 1 - e 二m 1 ( 3 3 ) n 式中f = a f c k p i t h ；a t = c k p 瞻+ c z p i z p t o 胶带的动张力为( 此时承载分支的动张力为拉力波，而空载分支的动张力为压力波 1 5 西安科技大学硕士学位论文 以负号表示压力波) ： 乃= 华卜争 ( 3 4 ) 式中c z 为承载分支弹性波的传播速度，c ：2 = e b p 如；成为承载分支胶带的线密度， 成= ( 9 0 + g l + q ) g ；q 为空载分支弹性波的传播速度，c k 2 = e b g ( q o + 9 1 ) ；p t k 为空载 分支胶带的线密度，p t k = ( g 。+ 9 1 ) l g ；”为张紧装置的张紧速度；1 ，为输送机的带速。 由式( 3 4 ) 可见，此时由于剩余力缸的变化小，胶带动载荷的幅值将变小，即采 用自动张紧装置的胶带动载荷比采用另两种张紧装置的胶带动载荷小。 3 4 小结 本章以胶带的最大张力为出发点，分析比较了使用各种张紧装置时所产生的最大张 力，得出了各种张紧装置在不同条件下的适用性。另外，还着重分析了自动张紧装置在 调绳时产生的动载荷的情况和其对胶带动载荷的影响。 1 6 4 长距离带式输送机张紧装置的设计 4 长距离带式输送机张紧装置的设计 张紧装置对带式输送机的工作性能起着重要的作用。本章主要对系统的组成及其控 制系统的原理进行探讨和设计。 4 1 自动张紧装置的总体方案 4 1 1 系统的结构及框图 张紧系统主要由张紧绞车、液压泵站、液压马达、矿用隔爆电控箱及附件等部分组 成。本文对胶带上的张力和输送机的工作状况进行了深入分析，提出了自动张紧装置系 统的总体方案。本装置采用比例溢流阀控制液压马达的输出扭矩，通过将传感器所测得 的张力值反馈来实现对不同工况下的胶带张力进行适时控制，如图4 1 所示。 1 胶带2 张紧小车3 导向滑轮4 张紧缓冲油缸5 张紧滚筒6 单向盘形制动闸 7 绞车支座8 液压马达9 滑轮安装架1 0 钢丝绳同定支架1 1 张力传感器1 2 张紧小车滑轮 图4 1 新型自动拉紧装置的布局示意图 4 1 2 液压系统的工作原理 液压系统的工作原理图如图4 2 所示，其工作原理介绍如下： 操作人员按下张紧装置的启动按钮，油泵电机启动，电磁阀2 0 带电，盘形制动闸 1 5 松闸。然后，电磁阀7 右端和电磁阀2 1 左端同时带电，液压油流经阀7 右端和阀2 l 左端使缓冲油缸张紧和液压马达正转紧绳。张力传感器将所测张力值转换成电流i ，此 电流i 与比例阀6 的输入电流i n ( n = 1 ，2 ，3 ，4 ) 进行比较。i i 1 5 1 2 为输送机电