（机械设计及理论专业论文）带式输送机液压绞车自动张紧系统的研究.pdf

s t u d yo nt h e a u t o m a t i c a l l y c o n t r o l l e d h y d r a u l i c w i n c ht a k e u ps y s t e mo f b e u r c o n v e y o r a b s t r a c t b e l tc o n v e y o ri st h ep r i m a r yc o n t i n u o u sc o n v e yi n s t a lj a t i o n o fm i n i n ge n t e r pr i s e ，a n dc o m p a r e dw i t ho t h e rc o n v e yi n s t a l l a t i o n ， i th a sb e t t e re c o n o m i cb e n e 矗ta n dl o w e rc o n v e yc o s t a st h em o s t i l n p o n a n tp a r t o fb e l tc o n v e y o r ，t a k e u ps y s t e mh a st h eu s eo f p r o t e c t j n gt h es l i p p i n go fb e l to nt h ed “v i n gd r u ma n dr e d u c i n g t h e0 1 ) e r a t i o nr e s i s t a n c eo fb e l tb e t w e e nt h er o i l e r w i t ht h e u n i n t e r r u p t e dg r o w t ho ft h ec o n v e yc a p a c i t ya n dt h eu n c e a s i n g e l o n g a t i o no ft h el a n e w a yi nt h ep l to ft h em i n l n g ，t h el e n 舀1 1o f b e l t i s g r a d u a l l y i n c r e a s e d t h e t a k e u p d e v i c e o ft h e l o n g d i s t a n c eb e l tc o n v e y o ri sm e e t i n gn o to n l yt h en e e do ft h e e l o n 三a t i o no fb e l t s ，b u ta i s ot h ed e m a n do ft e n s i o na d j u s t i n g ，t h a t i si no r d e rt om e e tt h ed y n a m i ca n t i - s l i d er e q u i r eo fb e l tc o n v e y o r i nt h es t a n i n gs t a g e ，i ti sa s k e dt or a i s et h ef i c t i o nb yi n c r e a s i n g t h eb e l t s t e n s i o n ，w h i l ei nt h ee q u a lv e l o c i t ys t a g ed r o p p i n gt h e t e n s i o nt om a i n t a i nt h en o r m a lw o r k i n go ft h eb e l tc o n v e y o r w i t h t h ec o n v e n t i o n a lt a k e u pd e v i c eo fb e l tc o n v e y o r ，t h ep r a c t i c a l p r o b j e n l sw h i c hd o e s n tp r o t e c tt h en o r m a lw o r k i n go ft h e b e l t c o n v e y o rc a u s e db yt h el a 曙e rc h a n g eo fb e l t s l e n g t hd o e s n tb e i 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章概论 11带式输送机张紧系统的概述 1 1 1 张紧系统在带式输送机中的作用 带式输动机主要由机架、驱动滚筒、改向滚筒、承载托辊、回程托 辊、张紧系统和清扫装置、加料装置、安全保护装置等零部件组成。张 紧系统作为其重要的组成部分之一，具有以下作用。 1 、保证输送带有足够的张紧力，防止在输送机起动或运行过程中输 送带在驱动滚筒上打滑。 2 、保证输送带在最小张力点处有足够张力，限制输送带加载时在托 辊间的垂度，防止输送带在托辊间距内过分松弛而丧失槽形，引起物料 和输送带跑偏，减小输送带在托辊间的运行阻力。 3 、补偿输送带的弹性伸长和线粘性伸长。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。输送带张紧力是变化 的，必须及时调节张紧滚筒的位置，才能保证带式输送机的正常运行。 同时在起动，制动时输送带自动张紧，可免除机组振动。 4 、为输送带重新接头作必要的行程准备。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，张紧系统为 带式输送机己准备了负荷以外的输送带，这样接头故障就可以通过放松 太原理工大学硕士研究生学位论文 张紧系统重新接头来解决问题。 5 、在长距离带式输送机中，减小起、制动时输送带中出现的动负荷。 11 2 张紧系统的国内外发展动态 张紧系统是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。经调研，将其发展过程归纳为三个阶段： 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。 在螺旋张紧系统中，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，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，会引起 输送带张紧力减少，输送带变松而打滑。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，造成输送带 松驰，导致输送带打滑。如某矿洗煤厂1 9 8 5 年7 月3 日，由于输送带 松驰，输送带在驱动滚筒上发生打滑，司机缺乏安全生产意识，向驱动 滚筒内塞草袋，企图想增加输送带与滚筒之问的摩擦阻力来解决输送带 打滑的问题，结果将手挤成重伤。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。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 起动阶段以及输送量发生变化时输送带张力不足而引起输送带打滑：张 紧力不合适，使得输送带在起动和非稳定运行过程中容易产生振动：受 布霞空间的限制。张紧位移量不能过大。 vy 矿尽嘉囱囱 豳 豳 a 单重锤式b 麒直锤式c甄找乍托 图】一2 重锤张紧系统的类型 f i g l 2t h et y p eo f h e a v yh a m m e r t a k e 一“ps y 5 l e n l 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) 张紧系统和压缩空气驱动的液压张紧系统。其技术发展 表现为只能实现在稳定( 匀速) 阶段的自动张紧，保持输送带在该阶段的 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。 自动绞车张紧系统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，而大部分时间处于制动待命状态。压缩空气 驱动的液压张紧系统是利用压缩空气驱动油泵，给张紧浊缸提供压力浊 柬张紧输送带。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。 第三阶段，动态自动张紧阶段。自动张紧系统是一种在输送机工作 过程中能按一定要求自动调节张紧力的张紧系统，它由电机、制动器、 钢丝绳滚筒等组成。采用大拉力张紧系统张紧输送带，同时配备张力变 送器，测定输送带的张力。当输送带张力低于正常运行张紧力时，自动 张紧系统迅速动作，调整输送带张力保证输送机的正常运行，能使输送 太原理工大学硕士研究生学位论文 带具有合理的张力，自动补偿输送带的弹性变形和塑性伸长。目前国内 外所使用的自动张紧系统有电力驱动自动张紧系统( k 1 2 0 2 9 型矿用输送 带输送机自动张紧系统) 、液压缸自动张紧系统( 法国 型输送带输送机 液压张紧系统、d y i 液压缸型张紧系统) 。这几种自动张紧系统都可以做 到自动调节输送带张紧力，满足输送带在起动及正常工况所需张紧力不 同的要求。 自动张紧系统的优点也逐渐被人们广泛地认识。但由于井下特殊的 环境，使用电力驱动的自动张紧系统对于防爆的作业场所，需增设大量 的防爆设备，如8 0 开关等，这不仅给安装操作人员带来较多的不方便， 而且还增加了煤矿的生产运营成本。液压驱动形式的张紧系统避免了这 一缺点，而液压缸自动张紧系统采用液压缸作为张紧执行元件，虽然可 以做到自动调节输送带张紧力，满足输送带在起动以及难常工况所需张 紧力不同的要求。但还存在着许多不足之处，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，所以这种液压缸自动张紧系统调 整范围小，只适用于短距离的带式输送机；液压缸长期处于高压状态， 而导致密封件、液压件损坏、系统泄漏所造成输送带张紧力急剧下降、 打滑、磨损等影响生产的事故发生。目前，自动张紧系统所存在的主要 问题可归纳为如下几方面。 j 、振动输送机在起动、制动或非稳定运行过程中，由于输送带的 弹性波而使张紧系统在一定范围内发生振动；输送带动应力峰值冲击张 紧系统的受力传感器，使所接受到的信号与预定的控制信号不相符合， 引起张紧系统的电动机频繁动作，严重的话会影响到煤矿的正常生产。 2 、理论分析和设计方法还不完善，对实际中的特殊情况考虑不全面。 5 太原理_ _ l = 大学硕士研究生学位论文 11 3 张紧系统的研究现状 张紧系统性能差，工作不可靠，是国内大型带式输送机运行事故多 的原因之一，目前己被工程技术人员高度重视。传统张紧系统慢慢显示 出其缺点，技术人员已将对张紧系统的研究方向逐步转入自动张紧领域， 它可以大大提高输送机运行的可靠性。随着带式输送机向大型化和高速 化方向发展，张紧系统应实现张紧力实时可测并可控，提高响应速度和 响应精度，提高张紧行程，满足长距离、大运量、高速度带式输送机的 要求。 国外自动张紧技术起动较早，在上世纪4 0 年代，自动张紧系统就已 在国外问世。苏联和日本在此领域起步较早。而在国内，使用自动张紧 系统的历史并不太长，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，这样将会造成资源浪费或者影响煤矿正常生产运 行等后果，有待于进一步的研究。 1 2 本课题的意义及所做的工作 1 2 1 选题的目的和意义 带式输送机输送散体物料是当今世界上广泛采用的手段之一，是采 矿企业主要的连续运输设施。采用这种方式不仅可以实现长距离、大批 量输送，而且与其他输送设备相比，具有更好的经济效益和更低的运输 成本。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 随着煤矿井下运输能力的不断提高及巷道的不断延伸，带式输送机 的输送带长度也在逐渐加长。为了提高井下输送带的阻燃可靠性，阻燃 整芯输送带的使用也在不断扩大。输送带长度的延长和整芯输送带的使 用带来了新的问题，那就是输送带的伸长量急剧增加。以前大量使用的 钢丝绳芯输送带伸长率为0 1 ，而阻燃整芯输送带的伸长率为1 ，整整 提高了卜倍，由于重锤张紧、固定绞车张紧等输送带张紧系统受张紧距离 和张紧力的限制，使其难以适应4 米以上输送带输送机的张紧要求。 长距离输送机的张紧系统不仅要满足输送带伸长量的要求，而且要 满足张紧力可调，即起动阶段满足带式输送机的动态防滑要求而使张紧 力较大以增大摩擦牵引力；等速阶段张紧力降低以维持输送机正常运行 要求。输送带在较低的张紧力条件下运行可提高输送带的使用寿命，降 低能耗，而且可避免长距离输送带起动时的波动现象。 采用常规张紧系统，已无法有效解决输送机输送带长度变化较大时 的实际问题、影响了输送机的难常使用。而电力驱动形式的自动张紧系 统和液压缸自动张紧系统也显现出一些缺陷。随着技术的进步和发展， 必须研制出运行安全可靠、张紧行程大、布置灵活以及能够满足动态和 稳态两种工况时，输送带具有一定张紧力并可根据实际情况张紧力自动 可调的张紧系统。 12 2 本课题所做的工作 l 、对带式输送机张紧系统进行理论分析，总结了输送机起动张紧力、 制动张紧力和正常张紧力的计算方法以及张紧系统的安装位置。并在输 送带张紧力计算的理论基础上，编写了一套关于带式输送机张紧系统张 紧力的计算机计算程序，该程序运行可靠，用户界面友好，且具有良好 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 的可扩充性。 2 、明确液压绞车自动张紧系统的各个工作过程，在此基础上提出了 系统总体方案的设计要求，根据上述要求，完成液压系统、张紧力监控 装置和电控系统的设计，对各个部分主要元件的选型和设计进行了说明， 并做出样机。 3 、深入研究了整个系统的组成部分和其工作原理、工作环境、工况 要求，并针对现有自动张紧系统张紧力控制的缺陷，提出了液压绞车自 动张紧系统的p i d 控制策略。 4 、对系统的部分装置进行了计算机模拟仿真并在实验室对整个张紧 系统进行了模拟现场试验，验证了液压绞车自动张紧系统的可行性，在 试验中得到了大量的数据，并总结了一定的经验，为将来产品的深入研 究提供了理论和实践依据。 8 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 第二章自动张紧系统的理论分析与方案设计 2 1带式输送机张紧系统的安装位置 21 1 张紧系统的基本布置原则 l 、张紧系统的安装位置可以任意选择，但最好选择在靠近驱动装置 处，使此处的张紧力始终保持不变。如安装位置离驱动装置较远，最好 在靠近驱动装置处增设重锤，以抵消加速度和减速度的影响，确保驱动 滚筒奔离处的输送带保持最小的张力。 2 、尽量布置在张力最小处或靠近传动滚简的松边处。 3 、确定张紧力的大小时，要考虑到正常运行和起动、制动等各种运 行工况。 4 、张紧行程考虑了输送带由于内张力的变化所引起的弹性变形、输 送带使用后永久变形、以及输送带接头的预留量等因素。 21 2 张紧系统安装位置的选定 由于松边张力t 2 值直接影响输送带的选定，所以在满足i t 1 e 时，其值应尽可能小一些为好，这与张紧系统安装的位置有一定的关系。 一般来说，确定张紧系统的安装位置时应考虑以下几点： 1 、长度在3 0 0 m 以上的水平或坡度在4 以下的倾斜输送机，张紧 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统应设在紧靠驱动滚筒的空载侧。 2 、距离较短的输送机和坡度在4 以上的倾斜运输的输送机，张紧 系统多半御置在尾部。 3 、由于钢丝绳芯输送带的伸长量非常小，张紧系统也可设在尾部。 2 2自动张紧系统参数的确定 根据带式输送机正常运行时的输送带张力，在考虑一定张紧系数的 情况下，设计张紧系统在起动过程中的最大张紧力以满足输送机的要求。 为了减小输送带在起动过程中动张力的影响，满足起动加速度的要求， 设计张紧系统在输送带开始张紧到输送机开始起动的时间间隔。带式输 送机所需的张紧力，在起动、稳定运行和制动过程中是不同的，因此计 算张紧力时应按各种工况下输送带在驱动滚筒上不打滑的条件计算。理 想的张紧系统应能根据输送机在不同工况下的要求自动调整拉紧力，这 样，既可满足输送带垂度和摩擦牵引力的要求，又可保证输送带不受过 大的张力，来避免因张力过大而引起输送带寿命的减小。 2 21 带式输送机正常运行时输送带张紧力 确定张紧系统张紧力的方法取决于张紧系统在带式输送机中的位 置，一般是先求出输送带在驱动滚筒分离点处的张力s i ，然后再根据逐 点张力计算法求出在张紧系统位置处输送带的张力。s 。的确定是由滚筒 摩擦条件和输送带悬垂度条件共同确定的。一般是先用摩擦条件计算出 输送带张力，然后再用悬垂度条件进行校核。 1 、带式输送机的传动原理 带式输送机在运行过程中，借助于传动滚筒与输送带间的摩擦力将 】0 太原理工大学硕士研究生学位论文 驱动装置与输送带有机地联系起来，以完成二者问的能量传递任务，保 证输送机的可靠运行。其摩擦传动原理如图2 一l 所示。 手，淼 2#p孓扣 s 茵 、口2 d 。气三一d n 迥 、h d ，一b 2 图2 1带式输送机摩擦传动原理 f i 9 2 1t h et r a n s m i s s i o np r i n c 叫eo f b e l tc o n v e y o r s 设传动滚筒此时输出牵引力f 。输送带在传动滚筒奔离点处的张力 为f l ，在相遇点处的张力为f 4 ( f 4 f 1 ) 。忽略一些次要因素，在输送带 上取微原体a b 为隔离体，它对应的圆心角为do ，其受力分析图如图2 1 所示。 有微原体力的平衡得 d n = a s s i n ( d 臼2 ) + ( s + d s 商n ( d 口2 ) s c o s ( d 口2 ) + 脚n = ( s + d s ) c o s ( d 口2 ) 式中s ，s + ds _ 一输送带在a 和b 点的张力，n ； u 一滚筒与输送带之间的摩擦系统： n 一输送带在滚筒上的围包角，m d ： d n 一微原体所受的法向反力，n ： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 将式( 2 】) ，式( 2 2 ) 联立解方程，并将边界条件s o ，= f l 代入： s = f e ”8 ( 2 3 ) 式( 2 1 3 ) 是传动滚筒包弧上任一点的张力s 的计算公式，即欧拉公 式。 2 、摩擦条件确定输送带张力 由欧拉公式可得 s 呐( 十掣) 4 ， 另外s 一s ，= + 十 ( 2 5 ) 式中 一各种附加阻力之和； s 。，s 1 一驱动滚筒驱入点和分离点处的张力： w ，h ，w k 一一承载段和空载段阻力； 为了简化计算，有时附加阻力按承载段阻力和空载段阻力之和的 1 0 考虑，这样，式( 2 5 ) 可写成 = s 一s ，= l ，1 ( ：+ l | v ( 2 6 ) 其中哆。= 白。，+ g 。，+ q ，k 。c o s ( q 。+ q 。) l s i n ( 2 7 ) ， = b 。+ g ：，扛g ”c o s 千q 。l s i n p ( 2 8 ) l 一输送机长度，m ； k 一与输送机长度有关的系数，见表2 一l ； q 、被运输物量的单位重量，k g ； q 。：生 ( 2 9 ) q u 2 赢 忆一 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 3 粘着系数 t a b 】e2 3t h ea d h e s i o nc o e f n c i e n t 式( 2 7 ) 和( 2 1 8 ) 中承载分支向上取“+ ”向下取“一”，而空载分 支则“+ ”，“”号的取舍相反。鞋立式( 2 4 ) 和式( 2 6 ) ，可得到s l 。 和s y ，再根据逐点张力计算法，以s l 为基础，求出张紧点处的张力。这 些张力是满足滚筒摩擦条件，即不打滑条件的，而且有1 3 1 4 ( 舻j3 1 4 ) 的摩擦力备用。 3 、用悬垂度条件校核输送带张力 为使带式输送机运行平稳而且运行阻力降低，输送带在两托辊之问 的悬垂度不宜过大。一般把悬垂度限制在托辊i 副距的2 4 以内。输送带 的垂度与其张力有关：张力越大，悬垂度就越小；张力越小，悬垂度就 越大。根据受力可导出以下方程 。，：显垫监婴坚 ( 2 1 0 ) o 二m m5 = 一 l l l uj 6 y 啪x 式中s 山。一承载段最小张力，n ； y 。一输送带的最大垂度，m ： 将y 。、 - o 0 2 4 l p l 代入上式，整理得 1 4 太原理：f 大学硕士研究生学位论文 s 。5 0 。+ q 。，) jc o s 同理，空载段最小张力 s 。5 9 ，g ，：c o s 芦 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 如果用摩擦条件所确定的输送带承载、空载段的最小张力不能满足 式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) ，说明悬垂度条件要求的张力大。此时，可用悬 垂度条件确定输送带承载段的最小张力，再用逐点张力计算法得出张紧 点处的张力值。 4 、计算张紧系统的张紧力 张紧系统所提供的张紧力基本按张紧点处输送带张力的两倍选取， 由于张紧系统所布置的位置的不同，张紧力也有所不同，可得出以下几 种对应于不同张紧位置的张紧力( 此处只考虑单驱动时的情况) 。 ( 1 ) 水平运输输送机：在头部或靠近头部驱动，并在头部装有张紧 系统时，张紧力为2 s ，；在头部或靠近头部驱动，并在尾部装有张紧系 统时，张紧力为2 ( s ，+ 。) 。 ( 2 ) 上运输送机：在头部或靠近头部驱动，并在头部装有张紧系统 时，张紧力为2 s ，；在头部或靠近头部驱动，并在尾部装有张紧系统时， 张紧力为2 ( s ，+ ) 。 ( 3 ) 下运输送机：在尾部或靠近尾部驱动，并在头部装有张紧系统 时，张紧力值为由悬垂度所校核的最小张力的2 倍；在尾部或靠近尾部 驱动，并在头部装有张紧系统时，张紧力为由悬垂度所校核的最小张力 加上空载阻力( ) 的2 倍：在头部或靠近头部驱动且输送机处于制动 状态，并在头部装有张紧系统时，张紧力为2s ，；在头部或靠近头部驱 动且输送机处于制动状态，并在尾部装有张紧系统时，张紧力为2 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( s ，+ 岷) 。 对于在中间部分装设张紧系统时，对于头部驱动的输送机，其张紧 力为2 ( s ，+ 生) ：对于尾部驱动的输送机，其张紧力为2 ( s ，+ 导) ( 其中一张紧系统距皮带机头的距离，一皮带长度) 。 可以看出，不同的布置方式，s ，和峨对张紧系统张紧力有不同的影 响，因此在布置张紧系统时要遵循张紧系统尽可能地布置在输送带张力 最小处这样一个原则。 5 、计算驱动装置的功率 p ：型：k w ( 2 1 3 ) 1 0 0 0 疗 p 驱动装罱的功率，k w ； n 一电动机至驱动滚筒的传动机构的效率； 2 2 2 带式输送机起动过程中输送带的张紧力 带式输送机在起动时为了增加驱动滚筒的摩擦牵引力，其牵引力比 正常运行时要大，起动牵引力与正常运行时驱动滚筒牵引力的比值口q 做 起动系数。表2 4 是水平输送机在不同运距和不同加速度下的起动系数。 带式输送机起动时自动张紧系统的张紧力和正常运行时的张紧力也不 同，两者的比值叫作张紧力比。通过张紧力比与起动系数的关系，可以 确定张紧系统在输送机起动前所提供给输送带的起动张紧力值。 1 、输送机起动系数的确定 若起动牵引力为f 。，正常运行时牵引力为f ，则r 、f 与起动系数a 的关 系为 】6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 4 带式输送机制动过程中输送带的张紧力 带式输送机制动过程中，输送机的制动惯性阻力与起动惯性阻力的 方向相反，其驱动滚筒的摩擦牵引力减小。并且在输送机停止运行后， 输送带只需维持较低的张紧力，以增长其使用寿命。因此在带式输送机 制动过程中，输送带的张紧力要小于输送机正常运行时的张紧力，一般 情况下，制动张紧力是正常允许值张紧力的o 9 倍左右。 2 ，3 带式输送机张紧系统张紧力计算的程序化 正确计算带式输送机输送带的张紧力，是进行张紧系统设备选型以 及保证带式输送机正常运行的关键所在。张紧力计算所需参数多，计算 量大，公式繁琐，很容易出错。再加上张紧系统张紧力的确定取决于带 式输送机驱动点的位置以及张紧系统在带式输送机中的位置，同样的参 数，但驱动装置和张紧系统的位置的不同就决定了张紧系统的张紧力的 不同。这就又带来了计算的复杂性。在实际工作中，技术人员常采用类 比法来确定张紧系统的张紧力，这样将会带来由于张紧力计算不准确而 产生的输送带打滑或输送带损坏等严重事故。就以上问题，本文提出了 一套关于带式输送机张紧系统张紧力计算的程序，下面简要介绍该程序 的结构和功能并举例加以说明。 2 3 1 程序的结构和功能 该程序由v b 语言编制而成，用户界面友好，由驱动位置选择、张 紧系统位置选择、原始参数输入、张紧力计算和其结果输出四部分组成。 l 、驱动张紧位置选择部分：在示意图的提示下选择与带式输送机布 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 置形式相对应的驱动装置、张紧系统的位置。该程序包括有头部驱动水 平输送带、头部驱动上运输送带、头部驱动下运输送带、尾部驱动下运 输送带四种常用的驱动布置形式以及机头、机尾、中部三种张紧系统布 置形式。 2 、原始参数输入部分：根据界面提示输入张紧力计算所需要的参数。 3 、张紧力计算部分：根据驱动装置位置、张紧系统的位置和原始 参数计算驱动力，再精确计算张紧点处的张紧力及电机功率。程序流程 图如图2 4 。 4 、结果输出部分：输出输送带的最大张力、张紧点处的张力和驱动 装置所需的功率。 图2 4 张紧力计算程序流程图 f i 9 2 4f 1 0 wc h a r to f t h et i g h ts t r e n g t hc a l c u i a t i o np r o g r e s s 2 1 太原理工人学硕士研究生学位论文 2 32 举例说明 在输入相同参数的情况下，选择不同的驱动、张紧布置形式，得到 不同的计算结果。具体参数如下： 图2 5 带式输送机示意图 f i 9 2 5t 1 1 es k e t c hn l a po t l b e l tc o n v e y o r 输送机长度：l = 8 1 4 m ； 输送机长度系数：k = 1 1 0 ； 输送带自重：q d = 2 0 2 k m ； 输送机输送量：q = 1 6 0 0 曲； 输送带倾角：b = 一3 4 。； 抗滑安全系数：k ? = 1 3 ； 输送带与滚筒表面之间的粘着系数：u = 0 2 d ； 驱动滚筒上的包角：d = 3 6 4 。= 6 3 4 ： 承载分支与空载分支托辊的间距： l p = 1 3 m 扩= 3 m ； 输送带承载分支与空载分支托辊转动部分的单位重量： q p2 1 4 k mq p2 9 k m ： 输送带承载分支与空载分支的阻力系数：国1 = 0 0 2 5 ”= o 0 3 2 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 选择机头驱动上运输送带，机尾张紧方式得到输送带最大张力为 2 6 0 k n ，张紧点处的张力为1 3 3 k n ，驱动装置功率为4 6 3 k w 。选择机尾 驱动下运输送带，机头张紧方式得到输送带最大张力为3 3 4 k n ，张紧点 处的张力为1 6 4 k n ，驱动装置功率为8 1 4 k w 。 图2 6 程序界面 f i 9 2 6t h ei n t e r f a c eo f p m g r e s s 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 1 振动的形成原因 产生振动的原因可以从输送带弹性波覆墨翁娑盈昏笆虱裂烈高罢高 搭箍挺卵髭船。 ；稽粤厕阐瓦开始与铜动轮 接触看藩奉存；帛稀翩确写誓带融j 湔罐讳崔醉商 ：| 藿i 剩黔鲥 船制艘冀以譬；箍黜咎爵骆冀型静穆捣乍f j 喇嚆周僦鲥套出霓刮莹：列 巍翱番f 喜，士纛吾黼苛= 翱掣尉莉聂蓊嵇张妊；矧i ；：i 鞘剥器煅线型掣型 霜孺少 动应力 合理调整起动、制动时间，减少起动、制动过程中的动应力，在输 送机电动机起动结束一定时间后，让自动张紧系统调整张力，从而避开 弹力波的影响。 2 、限制惯性力，增大制动力矩 提高传感器灵敏度，减少延滞时间：采用反应快的制动器。 3 、张紧系统中增加张紧力缓冲装置 2 5 液压绞车自动张紧系统总体方案的设计 根据以上对张紧系统的理论分析和对现场使用要求的了解，要求整 个自动张紧系统应实现在输送机不同工作过程中对张紧力的稳定调节： 增设张紧力缓冲装置并使用动作灵敏的液压马达制动器来避免张紧系统 的振动； 采用安装方便，测量范围大，测量精度高，受周边环境变化影 响小的张紧力监控装置和操作简单、功能完善的电控系统；下面分别对 其组成部分和工作方式以及特点进行简要的说明。 液压绞车自动张紧系统包括有张紧力监控装置、电控系统、液压系统 ( 见图2的2 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 9 张紧系统布置图 fi929t h e s e n i n ga r r a n g e m e n to f t a k e u ps y s t e m 1 一输送带，2 一带式输送机张紧小车，3 一缓冲装置定滑轮，4 一缓冲装置油缸5 一液压绞车， 6一导向滑轮，7一测力油缸及底座，8一液压站，9一电控系统与其它自动张紧系统相比，本课题所要研究的液压绞车自动张紧系统采用液压绞车作为张紧执行元件，并具有如下优点： i 、可自动调节张紧力液压绞车自动张紧系统可以根据带式输送机 的工况即对输送带张力的不同要求，调节起动 x 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 3 2 液压绞车的设计与仿真 3 2 ji 滢i _ 于并庙嘏灌滏 罩型翳窿溜趸常珂谤薹而h 詈意外停精或停舀莳瞎越强澎蟾终i 嗣 蹦酗鸶墓孳酣删础盟瑚兽；岂帮理僭骚璎臻尊掣五恋舔坏孬雾澎感 瑶；磊浏濯弦蛊墓筑裕固藉鞘简；季 剥鞲甜舶拿鲞趣! ”翰驰f 娃鬯礁 辩鲢射i 时默姆戮蛆。堂粥裂i 婪娥；数辩馏。塑萄霭堪灌j 艨铽恐带 准悄崩薹誊黪赛压 系统中还设有手动换向阀，可以人为 的松弛或张紧输送带，在电控装置发生故障后，整个自动张紧系统仍能 f 常工作，也有利于带式输送机整机的维护。液压绞车自动张紧系统包 括有张紧力缓冲装置，不仅可以实现对输送带静张力的稳定调节，而且 还可以避免输送 贫约胺俏榷硕讨惺渌痛帕 波动。 30 x 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 3 2 液压绞车的设计与仿真 3 2 1 液压绞车的设计 带式输送机液压绞车自动张紧系统采用液压绞车执行张紧动作，可 根据实际张紧行程的需要储绳，可以在大行程范围内实现输送带自动张 紧。本系统所选用的液压绞车其结构主要出液压马达、渡压常闭多片式 制动器、行星齿轮箱、离合器、卷筒、支承轴、机架等组成。针对上面 叙述的自动张紧系统振动的改进措施，液压绞车的制动器能对液压绞车 实施快速、准确的制动而不会使得液压绞车滚筒发生倒转现象，实现张 紧力无级可调，使得张紧力的调整波动小。 芹 图3 2 液压绞车原理图 f ；9 3 2t h epr i n c i p l ep ；c t u r eo f h y d r a u l j cw i n c h 根据输送带所需要的最大张紧力，其性能参数、原理和结构尺寸为 第一层拉力：5 0 k n ，液压马达进出口压差：1 6 m p a ，钢丝绳直径：2 4 m m ， 静制动扭矩：9 5 0 0 n m 太原理 _ = 大学硕士研究生学位论文 | o * t 慢舯 口蛊i 仆锄 _ 唏 图3 3 液压绞车的结构尺寸图 f i 9 3 3t h ec o n s i r u c la n dd i m e n s i o no f h y d m u i cw i n c h 3 2 2 液压马达的建模与仿真 仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为 基础，以计算机和各种专用物理设各为工具，借助系统模型对真实系统 进行试验研究的一门综合性技术。它利用物理或数学方法来建立模型， 类比模拟显示过程或者建立假象系统，以寻求过程的规律，研究系统的 动态特性，从而达到认识和改造实际系统的目的。 液压系统的动态仿真对于改进液压系统的设计和提高液压系统可靠 性都具有重要的意义。随着液压系统逐渐趋于复杂和对液压系统仿真精 度要求的不断提高，传统的利用微分方程和差分方程的仿真技术已不能 满足需要。m a t l a b 语言集科学计算、自动控制、信号处理等功能于一体， 具有极高的编程效率。它可以直接利用数学模型进行仿真，简单而又可 靠，直观而又逼真，还可以在设计真实的系统前进行仿真，通过调整不 同的参数，观察曲线的变化，可以知道诸参数对系统的影响，有利于选 择优化参数，设计出合理的系统。通过对已有的系统仿真，可以了解和 3 3 太原理二l ：人学硕士研究生学位论文 评价系统的特性，找出影响系统特性的关键因素，从而提出合理的改进 措施。 l 、液压马达的相似模型 p2 p = p 1 p 图3 4 液压马达工作原理筒图 f i 9 3 4 t 1 1 ep r i n c 叫ew o r k i n gs k e t c ho f 液压马达进油口和出油口的流量和压力分别为q ，p 和q ，p ! 。液压 马达进油、出油的流量连续方程为 q 叩v 。地p + k ：怖+ c l 等 ( 3 1 ) q 2 = ”v 1 屿p + k ：侮_ c 2 等 ( 3 2 ) 式中n 一转速： y 一排量调整参数； v 一液压马达的排量( 理论容积) ： c ，c ! 一分别为马达的吸油腔和排油腔的液容，可表示为 c = ( 等+ v - 冬= ( 孚“ 去 v ，v 厂分别为马达的吸油腔和排油腔的容积； k t ，k 厂液压马达两腔的泄漏系数： 太原理工火学硕士研究生学位论文 液压马达的力矩平衡方程为 m = m 。一m ，一z 脚警= ，罢邸- m 。山。n 山一一t 山一：耐票 出p m 。_ b o n - b l n l2 硝票 ( 3 3 ) 式中 睁v 丢“ m ，损失扭矩； b 。r 液压马达的黏性阻尼系数： b 一马达内因液体搅拌和紊流泄漏损引起的扭矩损失系数： “一马达内个密封面处因压力作用引起的扭矩损失系数， 心) ( ) ： m 。一损失扭矩中与压力差和转速无关的常量部分； j 液压马达( 包括旋转液体) 及负载的总转动惯量，k g m 2 m 一液压马达输出扭矩，等于折算到马达轴上的负载力矩； 液压马达的线性化流量方程可表示为 q “n + z 、p + c 掣 ( 3 j ) 式中q 一理论流量，q 。= nv ； z v 一内泄漏舭妒击2 为； 对上式拉氏变换后整理得 q ( s ) = q 。( s ) + ( 1 + r 。c 。) z 。p ( s ) ( 3 5 ) 式中 太原理工大学硕士研究生学位论文 r v c 一液压马达的液压时间常数，t 。= r 、c = 笋= t h ； 液压马达的线性化扭矩方程可表示为 m 凼妒k n 一2 对鲁 6 ) 液压马达输出扭矩m 是用于克服负载扭矩m 。，即m ，= m ，可由压 降表示为民= 等m 。 因此输出扭矩m 也可表示为m = 丢p 。 所以，液压马达的运动方程可改写为 甑叱争等q 。一，等 令系数耻t ，等= 隆x ： 小等，液阻r p - 等和液感 ，= 圳懒系式 p i k p p - r 起一l 鲁 拉氏变换后整理得 p 1 ( s ) = k 。p ( s ) 一r 。q ( s ) 一l q ( s ) s 也咐一( + 去s 卜 ， 这里t n 。= 去= 簧j = i 。，被称为液压马达的机械时间常数。 太原理：i ：大学硕士研究生学位论文 由以上线性方程的液压马达的相识模型( 阻抗网络) ，如下图所示。 图3 5 液压马达的相似模型图 f j 9 3 5 t 1 1 er e s e m b l ep a t t e mo f h y d m u l i cn l o i o r 对以上已经拉氏变换的线性流量方程和压力方程进行整理，得如下 两个方程( k j 。o 时，k 。= 1 ) q ( s ) = q 。( s ) + ( 1 + i 。s ) z 。p ( s ) ( 3 8 ) p ( s ) = p 1 ( s ) + ( 1 + t 。s ) r 。q ( s ) ( 3 9 ) 在上式中有四个象函数q ( s l q ( s ) p ( s lp l ( s ) ，从两个方程中可消去 其中一个象函数。每个方程中包含三个象函数，令其中一个等于零，由 余下的两个象函数便可求取传递函数。 2 、液压马达的压力控制 对液压马达进行压力控制或调节的前提是假定供油源为恒压源，即 流量的脉动和变化几乎不影响供油压力的恒定。其关系可由三个传递函 数来确定，这里称之为控制传递函数、干扰传递函数和流量传递函数。 对于本系统只需要其控制传递函数。 这是理论流量q 。= c o n s t 或q 。( s ) = 0 条件下确定的传递函数 3 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 g 胁谢 由式( 3 9 ) 可知，如果令q 。( s ) = o ，则有 p u 【s m ) 和啪h 。由于p 1 = 等m 或喇= 等m ( s ) ，因此可 将液压马达的压力控制传递函数改换为另一种形式，即 g 。小) = 酱= 丢错= g p p ( s ) = 券= k 。 c ，- ， 从仿真结果可以看到，液压马达的输入压力和其输出扭矩成j 下比， 针对本系统，通过调节液压系统压力就可以得到所需的绞车输出扭矩， 既可以得到不同的输送带张紧力。 言 z 若 凛 矧 羽 媾 艘 卅 压力扭矩对应图 图3 6 液压马达压力控制的仿真结果 f i 9 3 6t h es 而u l a t j o nr e s u i t so f t l l ep r e s s u r ec o n t r o lo f h y d r a u cn l o t o r 太原理t 火学硕十研究生学位论文 3 3 缓冲装置的设计与模拟仿真 液压绞车自动张紧系统的张紧力缓冲装置对输送带的张力进行调 整，既可避免自动张紧系统的振动和频繁启动，又可以随时平衡输送带 的张力，减少输送带张紧力的冲击，使输送带的受力更加平稳、更加合 理。张紧力缓冲装置由缓冲油缸、定滑轮和蓄能器组成，其装配图如图 3 7 所示。 图3 7 缓冲装置装配图 f i 9 3 7t h ea s s e l l l b l ed i a g r a mo f b u 髓rd e v i c e 3 3 1 缓冲油缸的设计 根据液压绞车缠绕的第一层钢丝绳输出的最大拉力为5 0 k n ，由张 紧系统布置图( 图2 9 ) 可以得出缓冲装置能提供给张紧小车的张力是 两倍的钢丝绳的拉力，即最大l o o k n 。选择缓冲油缸的内径d 为11 0 m m ， 活塞杆的直径d 为6 3 m m ，则油缸有杆腔的面积为 太原理工大学硕士研究生学位论文 a = ；细! 一捌! ) = 三l 0 0 6 3 2 ) = o 0 0 6 3 8 3 m 2 ( 3 1 2 ) 缓冲油缸有杆腔的最大工作压力为 p ：黑：1 5 6 m p a ( 3 】3 ) 0 0 0 6 3 8 3 带式输送机正常运行时，输送带动张力变化幅值为最大张紧力即启 动张紧力值的5 ，f = ，0 0 5 = 1 0 o 0 5 = o 5 吨。 根据输送带弹性模量的计算公式 f 肚者 ( 3 1 4 ) l 其中 f 输送机正常运行时输送带动张力变化幅值5 0 0 0 n 。 b 一输送带的宽度，1 2 0 0 m m ； l 输送带的变化长度，n l m ； l 一输送带的长度，1 6 0 0 0 0 0 m m ： e 一输送带的弹性模量，7 0 7 0 n n l m ： 将以上值带入公式( 3 1 4 ) ，得l = 9 5 0 m 从而得到缓冲油缸活塞 杆行程为9 5 0 x 1 2 = 1 1 4 0 m m ，取1 2 0 0 m m 。 图3 8 缓冲油缸尺寸结构图 f i 9 3 8t h ed 加e n s ma n ds t r u c t u r eo f b u 艉rc y n d e r 4 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 33 2 蓄能器的选型 蓄能器是液压系统中的一种能量储存装置。它利用力的平衡原理 使工作液体的体积发生变化，从而达到储存或释放液压能的作用。 l 、蓄能器的分类： 分类 充气式蓄能器 气液薹蓁蓁触式 图3 9 蓄能器的分类 f i 9 3 9 丁h et y p eo f a c c u m u o r 2 、蓄能器总容积的计算 蓄能器的总容积是指充气容积v o ，总容积v o 可根据气体定律计算 风咏= n 吖= p ，w = 常数，且矿= k 一吒 ( 3 15 ) 式中p o 一充气压力( p a ) ； v o 一充气容积，即蓄能器总容积( m 3 ) ： p 1 一最低工作压力( p a ) ； v l 一压力为p i 时的气体容积( n ，) ； p 2 一最高工作压力( p a ) ； v 2 一压力为p 2 时的气体容积( m 3 ) ： n 一多变指数； 4 1 太原理上大学硕十研究生学位论文 蓄能器工作为等温过程时，一般用于维持压力，补偿泄漏的蓄能器 其释放能量的速度缓慢，可认为气体在等温条件下工作，敷n = l ，则： ”东南 ( 3 1 6 ) 3 、蓄能器充气压力p 0 的确定 从保护蓄能器胶囊并延长其使用寿命的角度来确定，p 俨o 2 5p 2 0 9 p l ，取p 【j = 3 5 m p a 。 4 、蓄能器参数的确定 y = u 一吒= 必缓冲油缸有杆腔容积= o 0 0 2 5 5 3 n 13 ：