（机械设计及理论专业论文）带式输送机电液比例控制自动张紧装置的研究.pdf

太原理工人学硕十研究生学位论文 带式输送机电液比例控制 自动张紧装置的研究 摘要 张紧装置作为带式输送机的一个重要组成部分，对带式输送机的稳定 运行起着至关重要的作用。本文首先介绍了张紧装置的作用、国内外研究 动态、类型、安装布置原则，接着在分析了带式输送机传动原理的基础之 上，提出了带式输送机对张紧力及张紧装置的要求。 通过了解国内外相关课题的研究成果和对各种张紧装置的分析比较， 研究设计了一种新型的自动张紧装置，即电液比例控制自动张紧装置。介 绍了该自动张紧装置的总体设计方案，包括其机械结构、控制方案以及液 压系统。详细阐述了自动张紧装置的工作过程。 使用三维实体建模软件u g 建立液粘调速离合器的三维仿真模型，将 所建模型以p a r a s o l i d 格式导入机械系统动力学分析软件a d m a s 中，利用 a d a m s 软件对液粘调速离合器进行计算机仿真分析，通过对液粘调速离合 器输出轴施加不同的转矩，研究了自动张紧绞车在各种工况下液粘调速离 合器输出轴的动态特性；仿真曲线能较好地反映出液粘调速离合器的动力 学特性。 运用m a t l a b s i m u l i n k 工具对整个电液比例控制自动张紧系统建立了 仿真模型，并进行了仿真分析研究，得出紧带和松带时张紧滚筒转速变化 曲线，输送带张力变化曲线。 太原理j ：大学硕士研究生学位论文 本文所研制的自动张紧装置使用绞车作为张紧执行元件，由液压系统、 张紧力监控装置和电控系统组成，是典型的机电液一体化产品，具有张紧 力自动可调、响应速度快、适应性强、控制方便、安全性能好、功能完善 等特点，具有较好的推广应用前景。作为一种新型的张紧装置，本文从理 论上研究了它的可行性，可为今后的实际生产提供一定的理论指导。 关键词：带式输送机，自动张紧，电液比例控制，液粘离合器 2 r e s e a r c ho nt h e e l e c t r o n h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r a o la u t o m a t i c t a k e u po ft h eb e l tc o n v e y o r a bs t r a c t a sa n i m p o r t a n tp a r to fb e l tc o n v e y o r ，t a k e u ps y s t e mh a s t h em o s t i m p o r t a n tr o l ef o rt h es t e a d yr u no fb e l tc o n v e y e r t h isp a p e rh a sd e s c r i p t e dt h e u s e so ft h e t a k e u p a n di t s t y p e ，n a t i v e a n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h t r e n d s ，p r i n c i p a lo fi n s t a l l a t i o n ，d e v e l o p m e n t ，a n da n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo ft h e b e l tc o n v e y e rt r a n s m i s s i o n ，s u g g e s t e do nt h er e q u i r e m e n to ft h eb e l t c o n v e y e r f o rt e n s i o na n dt a k e u p a n da ss o o na s a c c o r d i n gt ot y p e ，a r r a n g i n gk n o w n p i c k a b a c kc o n v e y o lh a v eg i v e ni t sc a l c u l a t i o nt h a ta s k e df o rt e n s i o na n d t a k e u pe x a m p l e t h r o u g ht h ea n a l y s i sf o rv a r i o u st a k e u p s ，c o m p a r i s o na n dt h er e s e a r c ho n d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e l a t e ds u b j e c t ，d e s i g n e dak i n do fn e wa u t o m a t i c t a k e 。u p ，t h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o la u t o m a t i ct a k e u p t h i sp a p e r h a sa tt h es a m et i m ei n t r o d u c e dt h eo v e r a l l d e s i g ns c h e m eo ft h ea u t o m a t i c t a k e - u p ，i n c l u d ei t sm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，c o n t r o ls c h e m ea n dh y d r a u l i cs v s t e r n ， e l a b o r a t e di t s w o r k i n gc o u r s ea n de a c hc o m p o s i t i o np a r to ft h ea u t o m a t i c t a k e u p t h es i m u l a t i o nm o d e lo f h y d r o - v i s c o u ss p e e d a d j u s t i n gc l u t c hi sb u i l tw i t h t h r e e - d i m e n s i o ns o l i d em o d e l i n gs o f t w a r eu ga n di sb u i l t i nt h ea n a l y z i n g s o f t w a r ea d m a so f m e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i c si nt h ef o r mo f p a r a s o l i d ；a n d h a sc a r r i e do u tc o m p u t e re m u l a t i o nf o ri tw i t ha d m a s ，s t u d yt h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r o _ 。v i s c o u ss p e e d - - a d j u s t i n gc l u t c hb yv a r i e dt o r q u eb e 太原理工大学硕士研究生学位论文 a p p l i e dt o t h es i m u l a t i o nc u r v e c a nb e t t e rr e f l e c tt h ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i co f t h eh y d r o v i s c o u ss p e e d a d j u s t i n gc l u t c hb r a k e w i t ht h et o o lo fm a t l a b s i m u l i n k ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o la u t o m a t i ct a k e - u p i sb u i l ，a n do f f e r st h e s i m u l a t i o nr e s u l t s t h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o la u t o m a t i ct a k e u p s y s t e mi ss i m u l a t i o nr e s e a r c h e dt og e tt h ea n g u l a rv e l o c i t yc h a n g i n gc u r v eo f w i n c hw h e nt h er o p ei sr o l l e di na n dr e l e a s e d ，a n dg e tt h es t r a i nc h a n g i n gc u r v e o fc o n v e y o rb e l t t h ea u t o m a t i ct a k e u pt a k e sw i n c ha sa c t i o ne l e m e n t ，a n dc o m p r i s e so f h y d r a u l i cs y s t e m ，f e e d b a c ks y s t e m o ft h et e n s i o ns e n s o ra n de l e c t r o n i c c o n t r o l l e d s y s t e m ，i t i sat y p i c a lp r o d u c tw h i c hi si n t e g r a t e db ym e c h a n i c h y d r a u l i ca n de l e c t r o n i c ，a n di t h a st h ea b i l i t yo fa u t o m a t i ca d j u s t i n go ft h e b e l t s t e n s i o n ，r a p i dr e s p o n dv e l o c i t y , b e t t e ra 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 l ， g o o ds a f e t ya n dp r e f e c tf u n c t i o n ，a n dh a st h eb e t t e rp r o m o t i o na n da p p l i c a t i o n p r o s p e c t t h i s p a p e rt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e s t h e f e a s i b i l i t yo fe l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o la u t o m a t i c t a k e u p o fb e l t - c o n v e y e rt h ep a p e ro f f e r s t h e o r e t i c a lg u i d e st ot h ef u t u r ep r o d u c t i o n k e yw o r d s ：b e l tc o n v e y o r ，a u t o m a t i ct a k e u p ，e l e c t r o n h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o l ，h y d r o v i s c o u ss p e e d a d j u s t i n gc l u t c h 4 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：盈土星趣日期： 趁旦星：丝 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：缸星勉日期：丝丝：! 坦 导师签名：一铷日期： ， 吩td6 06 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 带式输送机的结构原理 第一章概述 带式输送机又称胶带输送机，现场俗称“皮带”，是以输送带作为牵引和承载载体 的一种长距离运输设备，广泛用于冶金、煤炭、港口、建材和粮食等许多工业领域，尤 其在煤矿井下，使用尤为广泛。带式输送机发展至今已有一百五十多年的历史，早期的 输送带是用皮革之类的材料制成，后来用皮革加纤维织物制造，目前使用的输送带主要 有单层织物芯输送带、双层织物芯输送带，用于长距离带式输送机的钢丝绳芯输送带。 随着物料运输量的增大，带式输送机取得了巨大的发展，出现了大量的新型结构带式输 送机。其中具有代表性的主要有：深槽带式输送机，花纹带式输送机、管状带式输送机、 气垫式带式输送机、平面转弯带式输送机、线摩擦带式输送机等。 带式输送机主要由输送带、驱动装置、托辊、滚筒、机架、张紧装置、制动器、辅 助设备以及机电保护装置等等组成，其结构原理如图1 1 所示【l 】，输送带绕经传动滚筒和 尾部滚筒形成无极环形带，上下输送带由托辊支承以限制输送带的挠曲垂度，拉紧装置 为输送带提供所需的张力。工作时驱动装置驱动传动滚筒，通过传动滚筒和输送带之间 的摩擦力驱动输送带运行，物料装在输送带上，随着输送带一起运动。 图1 1 带式输送机结构原理 f i g 1 1s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f b e l tc o n v e y o r 滚简 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 张紧装置在带式输送机中的作用 带式输送机的传动是靠输送带与传动滚筒之间的摩擦力来完成，因此，输送带张 力的大小与变化，对带式输送机的运行起着重要作用，而输送带张力是靠张紧装置提 供，所以，张紧装置作为带式输送机不可缺少的重要组成部分，它的性能好坏直接影 响带式输送机整体的性能，随着带式输送机用途的不断扩大和科学技术的不断发展， 合理设计张紧装置就显得尤为重要。在带式输送机系统中，张紧装置的主要作用有以 下几点1 2 】： ( 1 ) 保证输送带在驱动滚筒分离点有适当的张力以防止输送带打滑 带式输送机是依靠输送带与驱动滚筒间的摩擦，在相遇点与分离点产生一个张力差 作为系统的牵引力。因此，为使带式输送机能够稳定运行，需要保证输送带在驱动滚筒 分离点处有足够的张力，以使输送带能够依靠与滚筒的摩擦传递系统所需的牵引力。若 分离点处张力过小，输送带传递的摩擦牵引力不足以使带式输送机运行，输送带就会在 滚筒上打滑。 ( 2 ) 保证输送带周长上各点具有必要的张力以满足悬垂度要求 输送带在两托辊间的悬垂度不应过大，否则输送带会应过分松弛丧失槽形而导致物 料和输送带跑偏，引起撤料，增加运行阻力等。因此自动张紧装置应能保证输送带在最 小张力点处有足够的张力以限制输送带在托辊之间的悬垂度，使带式输送机稳定运行。 ( 3 ) 启、制动等非稳定工况下动张力的调节 起动过程中，由于带式输送机加速运动，输送带需传递的牵引力要比稳定运行时大 得多，因此须提高驱动滚筒分离点张力值以产生更大的牵引力。而制动过程中，尤其对 长距离、大运量的输送机，由于惯性力的作用，紧边处输送带张力会减小，甚至可能引 起叠带；松边处输送带张力会增大，甚至可能引起断带，因此须及时调整张力值。另外， 运行过程中，由于负载的变化而使得皮带出现突然的张力异常，张紧装置应给予及时调 整，减少皮带打滑、断带等事故。 ( 4 ) 补偿输送带的弹性伸长和线粘性伸长 时间长了输送带会自动伸长，而且在过渡工况下发生永久伸长，因此需补偿塑性变 形与过渡工况时输送带伸长量的变化。由于负载变化会引起输送带发生长度变化，蠕变 现象也会造成输送带伸长，张紧力是变化的，必须经常调节张紧滚筒的位置，才能保证 带式输送机的正常运行。 ， 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 ( 5 ) 为输送带重新接头提供必要的行程 每部带式输送机都有若干个接头，可能在某一时间接头会出现问题，必须截头重做， 张紧装置为带式输送机已准备了负荷以外的输送带，这样接头故障就可以通过放松张紧 装置重新接头来解决问题。对于可伸缩带式输送机，当储带区储满带时，即可通过张紧 装置将多余的输送带取出。 1 3 张紧装置的发展及国内外研究动态 随着经济的发展及科技的进步，带式输送机向高速、长距离、大运量和大功率方向 发展，输送距离也随之越来越长，带式输送机系统的动态特性日益突出，不容忽视。而 张紧装置作为带式输送机的一个重要组成部分，其重要作用和特性决定了它对带式输送 机系统动态特性的影响更加突出。 张紧装置作为带式输送机不可缺少的重要组成部分，它的性能好坏直接影响带式 输送机的性能，因此国内外学者也对其进行了很多研究，大致可归纳为以下三个阶段： 【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 与重锤式张紧。重锤式张紧装置通过滑轮组和重锤块达到张紧的目的，当胶带伸长时， 能自动吸收其伸长。固定式绞车张紧的功能仅仅是张紧，当胶带由于种种原因伸长而张 紧力下降时，只能通过入的观察发现后重新张紧。由于带式输送机在起动和正常运行时 对输送带张力要求是不同的，而固定式绞车张紧在输送机运转过程中位置始终是固定 的，为克服此缺点，可将其改为半固定式张紧，即起动时，张紧滚筒固定在起动位置上， 正常运行时，固定在运行位置上，两个位置用行程开关控制，国内也有生产此种张紧装 置的。 第二阶段，张紧力可调阶段。这个阶段的典型产品是自动绞车( 机械绞车或液压绞 车) 张紧装置。其技术发展表现为只能实现在稳定( 匀速) 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运行工况下则与固定式绞车相同。其结 构特征表现为带有闸，绞车张紧时松闸，停止时紧闸。绞车运转的时间很短，而大部分 时间处于停车待命状态。压缩空气驱动的液压张紧系统是利用压缩空气驱动油泵，给张 紧油缸提供压力油来张紧输送带。该张紧系统仅在德国、英国等国得到应用，其结构紧 凑、工作可靠，占地面积小。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三阶段，动态自动张紧阶段( 实现动态跟踪) 。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【4 】，d y l 液压缸型张紧系统【5 1 。这几种张紧装置都 具有动态响应快，张力可调的功能，能在起、制动阶段和正常运行状态，保持不同的张 紧力。其国内具有代表性的新产品就是由中国矿业大学研制的液压控制自动张紧装置 1 6 】。这种张紧装置的特点是：启动时输送带奔离点的张力值可自动调高到稳定运行时的 1 4 1 5 倍，稳定运行时自动降低到原值；用动滑轮来解决张紧装置对大行程的要求；使用 蓄能器提高系统张力的稳定性，使用压力继电器控制张力的变化。国外主要有澳大利亚 a c e 输送机公司带式输送机自动张紧装置【_ 7 】( 简称a p w ) 。该专利绞车就是专为调节与 控制带式输送机的皮带张力而设计的张紧装置，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。a p w 张紧装置可在大范围 内调节和控制皮带张力，具有良好的动态性能。我国的神华集团、兖州矿务局、晋城矿 务局等现代化矿井的大型输送机均使用这种张紧装置，国内矿井最长的6 0 0 0 m ( 运量 2 5 0 0 t h ) 顺槽输送机和6 7 6 2 m ( 运量2 5 0 0 t h ) 固定输送机的张紧技术便采用了该装置 7 1 。 这种新型张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，就目前国内外张紧 装置，a p w 张紧装置在大型皮带输送机上的应用效果良好。由于国内使用自动张紧系 统的历史并不太长，张紧系统的理论研究和设计方法还不完善，与国外相比具有张紧力 响应慢、布局不合理、存在振动现象等不足之处，而且对自动张紧系统的选型计算方法 也很模糊，没有充分的理论基础，有待进一步研究开发。随着带式输送机向长距离、大 运量、高带速的方向发展，张紧系统应能实现张紧力实时可测可调并可控，提高响应速 度和响应精度，提高张紧行程。 1 4 张紧装置的组成及常见的张紧装置 对于倾角不大的带式输送机，大多采用车式张紧，系统的组成如图1 2 所示，其中 包括张紧小车、张紧滚筒、张力生成设备及其控制系统，张力生成设备包括重锤、绞车、 液压油缸等等。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 2 张紧装置系统组成示意图 f i g u r e1 - 2c o m p o s i t i o no f t h et a k e u ps y s t e m 张紧装置调节皮带张力的方式可以是保持恒定的皮带张力值；或保持两种恒定的皮 带张力值( 起动张力值和运行张力值) ：或保持恒定的张力比。在带式输送机系统的布 置中，合理的确定张紧装置，是保证输送机正常运转、起动和制动时安全可靠以及经济 合理的必要前提，张紧装置的工作特性不仅取决于其本身的结构性能，而且还与带式输 送机的起、制动特性，张紧装置的安装位置有关。因而，要精确的分析张紧装置的工作 特性必须同带式输送机整机结合起来，不能孤立地分析张紧装置。但是在带式输送机结 构、起制动方式及张紧装置安装位置确定的情况下，张紧装置的特性就取决于其自身性 能。常见的张紧装置按结构型式可分固定式、重锤式和自动式三种f 8 】o ( 1 ) 固定式张紧包括螺旋张紧和固定绞车张紧 9 1 螺旋张紧如图1 2 所示。螺旋张紧系统中，张紧滚筒的轴承安装在活动架上，活动 架可在导轨上滑动，当旋转螺杆时使活动架上的螺母跟活动架一起前进和后退，达到张 紧和放松的目的。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 米时才选用。 螺旋张紧的缺点是：输送带经过一段时间使用后，由于塑性变形而伸长，如不及时 调整，输送带张紧力会减小，输送带会变松而引起输送带打滑。另外，由于负载经常发 生变化，输送带受负载冲击，致使张紧滚筒的固定螺栓松动，螺杆后退，由此造成输送 带松驰而导致输送带打滑。还有螺杆生锈后，导致输送带伸长后不能用拧紧螺杆的方法 来张紧。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 3 螺旋张紧 f i g u r e1 3s p i r a lt a k e - u p 固定绞车张紧是利用小型绞车来张紧，如图1 3 所示。绞车一般用蜗轮蜗杆减速器 带动卷筒来缠绕钢丝绳，从而张紧输送带。这种张紧系统的优点是体积小拉力大，所以 被广泛应用于煤矿井下带式输送机中。缺点是它只能根据需要调节，调节好后产生固定 的张紧力。当绞车和控制系统出现问题时，对带式输送机不能产生恒定的张紧力或张紧 力失效，安全可靠性相对降低。 图l - 4 固定绞车 f i g u r el 4h a n d - w i n c ht a k e u p 固定绞车张紧方式只能定期调整输送带的张紧程度，一般开始处于过张紧状态，使 带式输送机的输送带承受额外的附加载荷，而在运行过程中张紧力随着输送带永久变形 增加而逐渐减小，经常出现打滑现象。另外，用固定绞车作为长距离带式输送机的张紧 装置，输送带的动应力大，对一定强度的输送带，其安全可靠性将下降，容易出现断带 事故。一旦断带事故发生，需要重新连接输送带，清理落煤，通常需停产2 4 小时甚至 更长的时间。此外，断带事故的发生，还会造成输送机旁边行人的伤亡事故。 ( 2 ) 重锤式张紧 6 太原理：r 大学硕十研究生学何论文 重锤式张紧包括单重锤式，多重锤式及重锤车式【10 1 ，如图1 4 所示。 a ，单重锤式b ，玟重捶式 c 重锤车式 图1 5 重锤式张紧装置 f i g u r e 卜5g r a v i t yt a k e u p 重锤式张紧装置结构简单，应用较广泛，能保证张紧力在各种运行工况下保持恒定 不变，并且能自动吸收和补偿输送带的伸长。重锤式张紧是重锤通过钢丝绳作用于张紧 滚筒从而张紧输送带。重锤车式张紧是重锤通过钢丝绳拉动张紧小车从而张紧输送带， 张紧小车可以水平或倾斜布置，也可以垂直布置。重锤式张紧是利用重锤自重来张紧的， 为了悬挂重锤需开一个专门的峒室。在张紧小车布置于倾斜坡度上的带式输送机系统 中，也可以不设重锤而将重物放在张紧小车上，利用坡度使装有重物的张紧小车产生下 滑力从而张紧输送带，也称为重载车式张紧。重锤式张紧装置的特点是张紧力不变，安 全可靠性较高；张紧力不变同时也是其缺点，由于张紧力不能调节，在输送机起动阶段 以及输送量发生变化时输送带会因张力不足而打混在起动和非稳定运行过程中因张力 不合适也容易产生振动。另外，受布置空间的限制，重锤位移量不能过大。 ( 3 ) 自动式张紧 自动张紧装置是近代输送机中广泛应用的张紧装置型式，它可使输送带具有合理的 张力分布，并自动补偿输送带的弹性变形和塑性伸长。自动张紧装置一般由绞车缠绕钢 丝绳来拉紧滚筒从而张紧皮带，自动绞车张紧装置的组成如图1 5 所示。 自动绞车张紧装置按驱动形式的不同，可分为电动绞车张紧装置和液压绞车张紧装 置；按被调节分离点张力的变化规律，又可分为稳定式、随动式和综合式三种型式。稳 定式自动张紧装置能使分离点输送带张力在一定误差范围内保持恒定，而不依赖带式输 送机负荷的变化和粘着条件以及其它参数。为保证带式输送机起动时输送带不打滑，要 求稳定式自动张紧装置能保证输送机起动时输送带分离点张力达到稳定运行值得1 4 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 8 倍。随动式自动张紧装置能使输送带相遇点张力和分离点张力之比值保持为定值， 综合式自动张紧装置的特点是带式输送机起动时，它的作用方式是随动式的，而在稳定 运行时，它的作用方式是稳定式的：或者相反。 1 电动机2 减速器3 4 f l n 绳绞车4 张力传感器 5 f l n 绳6 带张紧滚筒的小车7 输送带 图1 - 6 自动绞车张紧装置 f i g u r e1 - 6a u t ow i n c h - t a k e u pd r i v e nb ye l e c t r i c a lm o t o r 自动绞车张紧装置的优点逐渐被人们广泛认识，但也存在许多不足。电动绞车张紧 装置是用张力传感器作为反馈，根据带式输送机的不同运行工况自动调整张紧力的大 小，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；液压绞车张紧装置是由液压站产生的压力油通过控制液压绞车来 调节张紧力的大小，由于液压站和油缸始终处于工作状态，当液压系统或控制系统出现 故障时，对输送带不能产生张紧力或张紧力失效，安全可靠性相对降低。除绞车外，也 可采用液压缸作为张紧执行元件液压缸自动张紧装置也可以做到自动调节输送带张紧 力，满足输送带在起动以及稳定运行工况所需张紧力不同的要求，但同样存在许多局限， 受张紧油缸行程的限制，整个张紧系统不能有较大的张紧行程，所以液压缸自动张紧装 置调整范围小，只适用于短距离的带式输送机：另外，液压缸长期处于高压状态会导致 密封件及液压件损坏，导致系统泄漏，从而造成输送带张紧力急剧下降，引发打滑、磨 损等事故。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 5 选题的目的与意义 由于带式输送机的胶带是弹性体，在输送机的起动和停车过程中，在胶带内会储存 或释放很大的能量，这些能量在胶带内就会形成很大的应力波动，造成输送机运行不稳 定。 为了使带式输送机在启动、运行及停车时的安全稳定，了解带式输送机的动态特性是 必要的。影响带式输送机动态特性的因素是多方面的。对输送机进行优化的主要目标是 降低输送带起动的动张力峰值，保证输送机在较低的安全系数下能够稳定运行，同时还 要尽量使输送机在正常运转时的张力不至于过低，以防止振动、跑偏、驱动滚筒打滑等 不利现象。虽然诸多的边界条件都可以使输送机的动态特性发生改变，但是可操作的因 素却很有限，只有驱动装置与拉紧装置可以通过软起动与控制拉紧力的方式来改善输送 机整机动态特性，因此，对输送机动态特性的优化研究主要集中在驱动与拉紧系统的特 性上。 带式输送机的传动是靠输送带与传动滚筒之间的摩擦力来完成，因此，输送带张力 的大小及变化，对带式输送机的使用起着重要作用。而输送带张力是靠张紧装置提供。 所以，张紧装置也是影响带式输送机使用的关键设备。在带式输送机系统布置中，确定 合理的拉紧装置，是保证带式输送机正常运转、起动和制动时安全可靠以及经济合理的 必要前提。 张紧装置作为大型皮带运输机起动与运行的重要辅助设备，可以防止皮带运输机皮 带在启动和运行时由于皮带张紧力不合适所造成的皮带与驱动轮之间打滑现象，从而提 高皮带运输机的运行可靠行，延长皮带使用寿命。然而拉紧装置对输送机的这些影响， 不仅和其自身性能有关，还和它与输送机其他部件之间的配置关系有关( 如安装位置与 驱动点之间的距离等) 。而对输送机整体运行起决定作用的是拉紧力的变化方式。大型 带式输送机拉紧装置应具有自动调整拉紧力、响应速度快、可靠性高的特性。国内的拉 紧装置目前能做到自动调节拉紧力，但响应速度不快、可靠性不高，即当受到外界扰动 时，如何合理地对其进行控制调整，使输送机的动态性能最佳，这就需深入研究输送机 的动态特性及拉紧装置的工作特点。 大型带式输送机对张紧装置性能要求高，中小型带式输送机中广泛使用的电动绞车 张紧和重锤张紧方式不能满足需要，必须采用大拉力自动张紧装置，自动张紧装置在输 送机启制动及正常运行时能实现输送带张力的自动调节，保证输送带以较小的张力运 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 行，这对大型带式输送机来说可以提高输送带的使用寿命提高整个输送机系统的可靠 性、安全性。国内外对各种拉紧装置的适用性，即拉紧装置在不同运量、运输距离、运 输倾角、运行工况下的合理适用范围尚无较统一的看法，这说明己有的定性结论还不完 善，必须要有定量地结论来指导设计。国内外使用的自动张紧装置种类很多较有代表性 的有两种形式：自动控制绞车张紧和液压系统与绞车结合张紧。这两种型式的张紧装置 为机电液一体化产品，从一定程度上设备较复杂，还有待进一步改进。 随着技术的进步和发展，有必要研究一种既能满足动态又能满足稳态两种工况，且 拉紧力可调具有较高安全可靠性的机电液一体化的自动张紧装置，并对其进行动态特性 分析和计算机仿真。 本课题设计了一种采用电液比例控制的自动张紧装置，并对其进行动态特性分析和 计算机仿真。 10 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章带式输送机对张紧装置的要求 2 1 张紧装置的选用 在实际应用中，首先要根据带式输送机的工作状况合理计算牵引力，然后根据具体 情况来选择张紧装置及其安装位置j 。一般来说，对于短距离的带式输送机，可采用结 构简单，周期调整张力的固定式张紧装置；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，重锤式张紧装置可提供恒定的张力，且较少维护：如倾角较大， 也可采用重锤车式张紧装置：对于长距离、大运量带式输送机来说，张力要求大，多采 用自动张紧装置，虽然自动张紧装置结构复杂，费用较高，但自动张紧装置可根据工况 要求时时调整张紧力，降低输送带强度等级，节省输送带投资，总体来说，可降低成本； 而对于可伸缩带式输送机来说，采用绞车式自动张紧装置无疑是最好的选择。 在带式输送机系统设计中，合理选择张紧装置对输送机系统稳定运行是很重要的。 根据输送机系统对张力的要求和输送机的型式选择了张紧装置后，还要考虑张紧装置的 安装位置和安装空间。 2 2 张紧装置安装时的布置原则 张紧装置的合理选用与合理布置，是保证输送机正常运转、起动和制动时胶带在驱 动滚筒上不打滑的必要条件。一般情况下，布置拉紧装置必须考虑以下几点【1 2 】： 1 ) 拉紧装置要尽可能布置在胶带张力的最小边。 2 ) 长度在3 0 0 米以上的水平或坡度在5 以下的倾角输送机，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 以上的上倾输送机，拉紧装置大多布置在输送机 尾部，并用尾部滚筒作为拉紧滚筒。 4 ) 在双滚筒驱动时，一般拉紧装置设置在后一个传动滚筒分离点：考虑传递制动 力的要求，也可设置在两个传动滚筒之间。 5 ) 不论那一种拉紧装置都必须布置成拉紧滚筒绕入和绕出胶带分支与滚筒位移线 平行，而且施加的张紧力要通过滚筒中心。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 带式输送机运行中的各种阻力 带式输送机如同其他运输机械一样，在运行中会受到各种各样的运行阻力。认识角 度不同对输送机运行阻力的分类和计算方法存在一定差异，通常可按阻力的作用性质将 阻力分为均布阻力与集中阻力1 1 3 1 。 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 输送带是粘弹性体，在运行过程中，会在托辊组之间产生变形，即悬垂和槽形变缓， 并且在大约跨度中间曲率达到最小。输送带上的物料随着输送带的变形产生同样的变 形，而由于变形产生了能量损失，此即输送带与物料的变形阻力。变形阻力主要是由于 托辊间的输送带呈悬垂形曲线以及输送带与物料具有一定的内摩擦力和粘结力造成。这 种阻力除了与物料本身的特性有关外，与所有引起输送带变形的因素都有关，如输送带 的速度、单位载荷、托辊组间距、侧托辊倾角、输送带弹性模量等。当然与输送带张力 也有关，当输送带张力较大时，输送带的垂度减小，物料的挤压和拉伸程度缓和，表现 出来的阻力也就减小。 ( 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。而且密封装置的阻力 占有较大部分。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，随载荷大小的变化甚小。 ( 3 ) 输送带在托辊上的压陷阻力 由于输送带的覆盖胶具有一定的弹性和硬度，因此在重力作用下会被压陷在托辊 上。输送带运行过程中，压陷区不断地在输送带上移动，也就是说输送带的下覆盖胶不 断地被压陷，因而产生了运行阻力。这种阻力与输送带张力无关，而主要和输送带的载 荷及覆盖胶的弹性、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，由于输送带具有一 定的弹性和塑性，当输送带在滚筒上改向时它首先被弯曲，然后又被拉直。弯曲时需要 输入能量，拉直时，则将储存起来的变形能释放，由于输送带不是完全弹性材料，释放 12 太原理丁：大学硕士研究生学位论文 出的能量小于输入的能量。这样就消耗了一定的能量。这部分能量表现为输送带的改向 阻力。它可以通过实测来求得。输送带在滚筒上改向时，由于张力的作用，覆盖输送带 也会被压陷。但是由于接触面积大，压陷的程度极小，因此压陷阻力可以忽略不计。 ( 2 ) 装料点的阻力 物料在落到输送带上之前所具有的速度无论在方向上还是大小上都与输送带的速 度不同，它在输送带速度上的投影速度，一般来说小于输送带速度。因此，输送带必须 对物料进行加速，使它和输送带一起运行，由于两者速度的差别，产生了相对摩擦阻力。 另外，还包括物料与导料板的摩擦阻力。 ( 3 ) 清扫器的阻力 清扫器以一定的压力压在输送带上，当输送带运行时，就产生了摩擦阻力。它可以 通过计算求出。 ( 4 ) 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。 ( 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旌加在托辊。因此，输送带在托辊上的压陷阻力和托辊 的运行阻力都增加了。由此可见，凸线段造成的附加阻力与输送带的张力有关，也与凸 线段的半径有关，在计算时，往往不单独计算，而是和中间段阻力一起计算。 除了上述阻力外，带式输送机运行中还有一些特殊阻力，特殊阻力不是经常出现的 阻力，也不是每一个带式输送机都有的。因此，只有对特殊型式的带式输送机才加以考 虑。如调心托辊的斜置阻力，加速区外侧导料板的摩擦阻力，刮板式中问卸料器的阻力 等等。 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、空载段阻力畋。 近似计算时，有如下的经验公式【1 4 】： = 阿名+ 陟名= 七( q + 2 劬+ 鸟：+ q ；) l g w c o s f l + q l gs i n f l ( 2 1 ) 13 太原理工大学硕士研究生学位论文 式中： 七一与输送机长度有关的系数，参见表2 1 ： 乳每米输送带的质量，堙m ； 输送机的铺设长度，m ； g 一重力加速度，m s 2 ； 输送机的铺设倾角，r a d ； w 一总的运行阻力系数，参见表2 2 ： 虻、虻- 重载段、空载段折算到单位长度上托辊转动部分的质量，k g m ； 重载段与空载段运行阻力的计算式分别为： = k ( q + q d + q g ) l g w c o s f l + ( q + 吼) l g s i n f l ( 2 2 ) = k ( q d + q ；) l g w ”c o s p - t - q d l g s i n ( 2 3 ) 式中： w 7 、w 。一重载段、空载段的运行阻力系数，参见表2 2 ： 在公式( 2 1 ) 和公式( 2 2 ) 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 3 ) 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，则输送机总的运行阻力为： = w z + + w ( 2 4 ) 式中，矿为各种附加阻力之和，简化计算时可按重载段与空载段阻力之和的1 0 取值。因此有： = 1 1 ( + k ) ( 2 5 ) 式( 2 一1 ) 到式( 2 5 ) 即是输送机运行阻力的近似计算公式。 表2 - i 与输送机长度有关的系数 t a b l e2 1c o e f f i c i e n tr e l a t e dt ot h ed i s t a n c eo ft h eb e l tc o n v e y o r 三( 神 61 02 03 05 08 01 0 02 0 03 0 04 0 06 0 0 - 8 5 01 0 0 01 5 0 0 七64 5 3 2 2 622 1 91 7 51 4 51 3 21 2 411 51 11 0 9 1 0 6 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 袁2 - 2 输送带运行阻力系数 t a b l e2 - 2r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to ft h eb e l tc o n v e y o r 一窆 重载分支w 空载分支总的阻力系数w 工作条件、 清洁干燥 0 0 2 1 0 0 2 50 0 2 5 0 。0 3 50 0 2 5 少量尘埃，朽染较轻0 0 2 5 0 0 30 0 3 - - 0 0 40 0 3 少量尘埃，污染较重0 0 3 0 0 3 5 0 0 3 5 0 0 4 5 0 0 3 5 大量尘埃湿摩大 o 0 3 5 00 4 50 0 4 0 0 5 00 4 2 4 带式输送机正常运行时对张紧力的要求 输送带是带式输送机的承载和牵引部件。输送带之所以能够传递驱动滚筒的牵引 力，在于输送带与驱动滚筒间的粘性摩擦使得输送带发生弹性滑动，于是在绕入点和绕 出点产生张力差，即输送带与驱动滚筒在相遇点和分离点产生张力差，这个张力差就是 带式输送机系统的牵引力。 由于摩擦而发生弹性滑动，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，输送带与驱动滚筒相遇点的张力( 紧边张力) 为正，分离点的张力( 松边 张力) 为兀，则输送带在驱动滚筒上的张力变化如图2 1 所示。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；而打滑时，输送带在整个接触区 与滚筒产生位移。理论和实践证明，当用输送带这样的挠性体传递牵引力时，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y ，从分离点开始形成传递牵引力的滑 动角t 2 ，而输送带在滚筒上总的包角a = y + 口。根据挠性体摩擦传动的欧拉公式有【”】： 15 太原理丁大学硕士研究生学位论文 石= 五p 胆 式中： e 自然对数的底，e = 2 7 1 8 2 8 ； 输送带与滚筒问的粘