（机械工程专业论文）煤矿下运带式输送机液力制动减速度控制系统研究.pdf

煤矿下运带式输送机液力制动减速度控制系统研究 摘要 ，、可控起动、制动技术是长距离、大运量带式输送机关键技术之一。 本文结合液力制动系统，对旨在提高f 运带式输送机的制动性能、优 化制动系统结构等方面进行了探索。j 本文分析了煤矿下运带式输送机制动技术的现状及存在问题，并 在深入研究输送带粘弹特性的基础上，提出r 以液力软制动的形 式来解决。卜运带式输送机在制动过程中所产生的打滑、滚料、飞车 等问题的策略。应用动态设计的新方法建立了输送机的动力学方程， 并结合下运制动的工况和初始边界条件，得出了制动曲线的优化解。 在电液l l f f j 控制系统中基于对液力制动装置特性分析，应用可编程控 制器p i d 调节器，实现了基于制动减速度曲线的闭环控制，从而提高 丫控制的准确性，有效地降低了制动张力。为减少设备的体积，本文 提出了改变制动器型腔内叶片的安装倾角，以提高制动力矩的方法， 并应用了有限元a n s y s f l o t r a n 软件进行了优化验算，优化后的 安装倾角能使制动力矩提高1 5 倍；同时利用o p b 2 优化程序对制动 l ：t f 由进行了最优设计；将阻尼油缸应用于二级制动机构中。优化后的 液力制动器的外形尺寸减少约5 0 ，且简化 r 二级制动机构的结构。 i 试验表明制动系统在小同的负载力矩工况下，均能将减速度有效 地控制在0 1 0 3 m s 2 的范围内，且制动曲线平滑。叫、时频繁制动 的温升f i 超过2 1 度。该结果说明本文的研究i ：作足有效、n j 行的， 同时也为f 运带式输送机在煤矿井下的成功应用打卜了基础。丫 ， 关键词动张力，下运带式输送机，液力制动器，可控制动 ! ：塑窒塑叁堂! 堡! ! ! ! ：堂丝堡墨 一i ! 兰 r e s e a r c ho nd e c e l e r a t e - c o n t r o l o f ah y d r a u u cb r a k es y s t e mf o rd o w n w a i l d b el r tc o n v e y o r si nc o a lm i n e s a b s t r a c t t h e t e c h n i q u e o fc o n t r o l l a b l es t a r ta n db r a k e i so n eo ft h e d e v e l o p m e n t so nl o n gd i s t a n c ea n dl a r g ec a p a c i t yb e l tc o n v e y o r s i n t h i s t h e s i s ，ah y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e m i ss t u d i e di no r d e rt o i m p r o v et h e b r a k i n gp r o p e r t y o ft h ed o w n w a r db e l t c o n v e y o r a n d o p t i m i z e t h e s t r u c t u r eo ft h eb r a k i n g s y s t e m t h es t a t eo ft h ea r tr e v i e wo fb r a k i n gt e c h n i q u e sf o rd o w n w a r db e l t c o n v e y o r sw a sc a r r i e do u t b a s e do nt h ee x p l o r a t i o no nt h ev i s c o e l a s t i c p r o p e r t y o fb e l t ，a s o f t b r a k i n gs t r a t e g y w a ss u g g e s t e dt os o l v et h e p r o b l e m s s u c ha s s l i p p i n g ，m a t e r i a lr o l l i n g ，r a c e w h i c ho c c u ro nt h e b r a k i n gp r o c e s s w i t ht h e n e wd y n a m i cd e s i g nm e t h o d ，t h ed y n a m i c e q u a t i o n o fb e l t c o n v e y o rw a se s t a b l i s h e d ，a n d t h e o p t i m i z e db r a k i n g c h i v ew a so b t a i n e dw i t ht h em o d eo fd o w n w a r db r a k i n ga n di t si n i t i a l e d g ec o n d i t i o n b a s e do nt h es t u d yo nt h ep r o p e r t yo fh y d r a u l i cb r a k i n g s y s t e m ，t h e p i d r e g u l a t o r i np l cw a su s e di nt h ee l e c t r i c f l u i d c o n t r o l l i n gs y s t e mt or e a l i z et h ec l o s e l o o pc o n t r o lo nb r a k i n gd e c e l e r a t e c h i v es ot h e nt h ec o n t r o la c c u r a c yw a sr a i s e da n dt h eb r a k i n gs t r e s sw a s r e d u c e d i no r d e rt o e f f e c t i v e l y r e d u c et h eo u t l i n ed i m e n s i o no ft h e e q u i p m e n t ，t h ea s s e m b l ea n g l eo fb l a d ei ni m p r e s s i o no f t h eb r a k ew a s c h a n g e d t or a i s et h eb r a k i n gm o m e n ta n dao p t i m i z ec h e c k i n gc a l c u l a t i o n b yf i n i t ee l e m e n ta n s y s f l o t r a n s o f t w a r ew a sm a d e t h e o p t i m i z e d a s s e m b l ea n g l ei s1 5t i m e sm o r et h a nt h ef o r m e rb r a k i n gm o m e n t t h e 洳交通人学i 程坝卜学位论文 摘蛰 o p t i m i z e dd e s i g no nm a i nb r a k i n gs h a f t w i t ho p b 一2o p t i m i z es o f t w a r e w a sm a d et or e d u c et h ed e s i g no u t l i n ed i m e n s i o na b o u t5 0 t i m e s t h e d a m p i n gc y l i n d e rw a su s e di nt h es e c o n db r a k i n gm e c h a n i s mt os i m p l i f y t h ef o r m e rs t r u c t u r e t h et e s ts h o w st h a tt h ed e c e l e r a t ec a nb ec o n t r o l l e d a m o n g 0 1 0 3 m s 2o nt h ed i f f e r e n tl o a dm o m e n ta n dt h et e m p e r a t u r er i s ei nt h e o n eh o u rf r e q u e n tb r a k et e s ti sl o w e rt h a n2 1 t h eb r a k i n gc u r ei s s m o o t h i ts h o w st h a tt h er e s e a r c hi se f f e c t i v ea n dp r a c t i c a b l e t h i s r e s e a r c hi st h eb a s e m e n to fa p p l i c a t i o no fd o w n w a r db e l tc o n v e y o r si n c o a lm i n e s k e yw o r d s ：d y n a m i cs t r e s s ，d o w n w a r db e l t c o n v e y o r ，h y d r a u l i c b r a k e ，c o n t r o l l a b l eb r a k i n g 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鼍胁 日期：细，。年中月曰 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：韵建乏 日期：多”年口月曰 指导教师签名：扔 日期：年月日 待0 说 u 符号说明 输送带弹性模量，n m m 输送带粘性系数，n s m m 应变 应力，n m m 流变参数，s 柱塞泵的制动力矩，n m 油泵排油压力，m p a 油泵排量，m l r 摩擦阻力，n 试样激励频率 试样激励幅值 试样宽度 试样重量 输送带卜下分支共同模拟摩擦系数 输送机平均倾角，度 输送机长度，m 输送机承载分支每米长托辊旋转部分质量，k g m 输送机守载分支每米长托辊旋转部分质量，k g m 每米输送带质量，k g m 扭矩系数，m i n 2 ( m r 2 ) 扭舢n m i 乜机转速，r r a i n 流体衔度，g g m 3 重力加速度，9 8 m s 2 液力制动器有效甑经，m m 趋入点张力，n 奔离点张力，n 第1 时刻的制动力，n 滚筒模型等效阻尼系数，n s r a m 重锤质量，蝇 第1 负 e 。 。 。 o o w m f b m ，o l 帆m驰、 m 衄。 g d r n 即氐啦 内交i 匝人学t 程坝i 学位论文 符0 说1 9 m g滚筒质量，妇 c z重锤模型等效阻尼系数，n s m m s 。( t ) 第1 单元t 时刻的动张力，n k 。第1 单元输送带弹性系数 c 第l 单元输送带粘性系数 f m 】n 个单元的质量矩阵 f c 】n 个单元的阻尼矩阵 【k 】 n 个单兀的刚度矩阵 【f ( t ) 】 力向量 斗减速度列向量 n速度列向量 f x ，位移列向量 j 输送机及物料折算到电机轴的转动惯量，k g m 2 m 。输送机及物料折算到电机轴的阻力矩、n m i 。动柔度，1 e a制动功，n m w ，油液的重量，虹 w 2 油箱的重量，k g c l 油液的比热，k c a l k g 。c c 2 钢的比热，k c a l k g 。c y ( t ) p i d 调节的输出量 e ( 1 ) 设定值与反馈值的误差 e ( n ) 第n 次采样时的偏差值 t 。私 分时间常数 丁【f微分时问常数 k系统增益系数 k l l比例系数 k 。干5 分系数 比微分系数 v 。系统设定值 v 。过程反馈值 b 。系统偏移量 u 。 采样频率，h z ( t 】许 h 扭转应力，n m 2 第2 贞 持0 说l i j g材料的剪切弹性模数，n t m 2 m t制动轴传递扭矩失量和，n i t l w r材料抗弯截面模量，m 3 j 。极惯性矩，m 4 o 。材料的屈服强度，n m 2 d 制动轴截面直经，i n ，传动元件间距，m v 。，v 。，v ：流场速度在x ，y ，z 轴方向的分量，m s t 时间，s “动力黏度n s m 2 日体胀系数1 k s f输送带安全系数 s 。稳定运行时输送带张力，n s m ，静态起制动时输送带最大张力，n s d 动态起制动时输送带最大张力，n 第3 贞 淘交通人学f ! 坝i 学位论义 夸 一章 第一章绪论 1 1 引言 带式输送机发展至今已有2 0 0 余年的历史，1 8 9 2 年t h o m a sr o b i n s 发明了 槽型结构的带式输送机，确定了当代输送机的基本形式。此后，随着运输量及运 输距离不断增大的需求，带式输送机的结构形式及设计参数都取得了飞速的发 展，出现了大量新型结构的带式输送机，其中具有代表性的有：大倾角带式输送 机( 包括深槽带式输送机、花纹带输送机、波纹挡边带式输送机、压带式输送机) 、 气挚带式输送机、钢缆牵引带式输送机、管状带式输送机、弯曲带式输送机等。 日前，带式输送机已成为冶金、矿山、电站、港1 3 等工姬域主要的散状通料连 续运输设备。 在发达国家，随着带式输送机的可控起动技术、下运制动技术，动念分析技 术、自动张紧技术等带式输送机的关键技术的解决【“，带式输送机在长距离、高 带速、大运量方面取得了巨大的发展。例如，建在西班牙西撒哈拉b l u k 露 天磷矿用的带式输送机系统线路总长达1 0 0 k m ，设计带速4 5 m s 为世界之最弘”。 澳大利亚p r o k 公司为马来西亚设计的6 5 k m 带式输送机以及s e d g m a n 公r _ j 为印度尼西亚设计的3 7 k m 特大型带式输送机都采用可控起动技术。澳大利咂 c h a n n a r 铁矿长距离带式输送机系统是代表着现代带式输送机发展水平的一条 运输线。该运输系统由一条长为1 0 3 k m 的平面转弯带式输送机和一条1 0 1 k m 长的直线长距离带式输送机构成。转弯输送机的曲率半径为9 k m 、弧长达4 k m 。 运输量为2 2 0 0 t h ，该系统采用了先进的托辊制造技术、水平转弯技术和动态分 析技术i ”】。 下运带式输送机在我国煤矿井下应用较多。因为受煤层地理条件的限制，倾 斜煤层采用向下运输物料的方式来减少巷道的丌拓量和运输距离。这样的运输方 式可以省丌采时的投资。据目前检索到的资料显示典型的下运带式输送机是h 本 鸟形山石狄石矿下运带式输送机单机长度达1 4 1 k i n i 4 ”。 1 2 工程应用背景及意义 八1 1 年代仞带式输送机已广泛用于我国煤矿井下的长距离运输。f l6 u 我困煤 矿， ：下固定式带式输送机最长已达5 4 公罩、带速3 5 m s 、运量1 2 0 0 t h l ”】。随 着国民经济的发展和我国煤矿机械化水平的不断提高。大倾角i ：、f 运技术从八 年代术丌始被广范地用于倾斜煤层的丌采中。目前闺内煤矿井卜- 上二运大倾角 ( 普通光面输送带) 输送机的最大倾角可达2 8 。、大倾角卜- 运输送机最大倾角 l 可达2 5 。 随着人倾角上、下运带式输送机关键技术的解决，长距离、大运量、火倾角 f 运( 2 5 。以内) 带式输送机在我国煤矿井下的需求量也越来越大。据不完全统 计，我国淮北、徐州、山东、河北、甘肃、鸡西等矿务局都有0 。2 5 。范旧 内的倾斜煤层。由于下运带式输送机能较大倾角地向下运输，从而大大地减少了 采区巷道的工程量、降低基建费用、缩短施工周期等，产生巨大的经济效益和社 会效益。同时也为下运带式输送机在煤矿井下的工程应用提供了广阔的前景。 因此，研究可控下运制动技术对大倾角下运输送机在煤矿井下的成功应用， 海交通人学丁程f 9 1 | 学位论史 第一帝 以及对降低制动时输送带的动张力、提高输送机系统的可靠性、延长输送带及其 它元部件的使用寿命都具有重要意义。同时也将产生巨大的经济效益。 1 3 国内外带式输送机制动技术的现状及发展趋势 1 3 1 下运输送机技术关键 下运带式输送机的设计与煤层的地理情况、丌采方式、井下运输系统的御置 等因素有着密切的关系。现阶段我国下运带式输送机的长度一般在6 0 0 1 0 0 0 米、功率在3 2 0 0 k w 范围内，即可满足年产百万吨原煤运输量的需求。图l 一1 为下运输送机的一般传动原理： 幽1 1f 远带式输送机传动原理图 f i g1 1 t r a n s m i s s i o np r i n c i p l eo fd o w n w a r db e l tc o n v e y o r 山于下运带式输送机在停车或采区停电后，输送带在物料重力分力和运动部 什惯性力的作用下仍会继续下滑，导致带速越来越快，经常造成滚料或飞午 等事故。为此行业标准规定：下运带式输送机的设计必须符合“采区上f 运带式 输送机基本技术要求”( 8 3 ) 煤技规宁第2 6 1 号和“煤矿井下用带式输送机技术 条件”i 刊k 标准m t 8 2 0 之要求卜j i 叫： 制动减加速度必须限制在0 1 0 3 m s 2 范围内； 每小时制动1 0 次，接触面4 ；能产生火花，各元部件温度矸i 得高于1 5 0 。c ； 整个采区停电也必须保证能够制动。 对火倾角下运带式输送机而占其主要技术关键有：可控制动技术，新型托辊 技术，f 运阻尼技术等。其中可控制动技术足解决输送机产生滚料、打滑、飞1 i 、 冒火花等问题的关键，也是本文研究的主要内容。新型深槽v 型托辊是大倾角 上、下运输送机托辊的专利技术( 专利号c n 8 72 15 2 5 5 u ) ，陔技术通过改变托 辊组之、口j 各托辊的夹角以提高导来摩擦系数，从而增加了物料与输送带问的摩擦 阻力。下运阻尼技术通过增加阻尼板或阻尼托辊来增加物料与输送带之问的摩擦 阻力，但最大的问题是输送带的磨损很严重。一般用于下运可伸缩带式输送机上 1 56 1 淘交通人学t 程帧f 。学位论义 第一尊 1 3 2 国内技术现状及现有产品 目1 j 国内常规的带式输送机设计是以牛顿刚体力学为基础的静态设计方法。 它以i s 0 5 0 4 8 、d i n 2 2 1 叭、t d 7 5 等标准为依据。这种方法一般是先计算出输送 带盔托辊上的滚动阻力，输送带按保守的安全系数选取，再按输送带在托辊之j 训 的下垂度进行校核。这种传统设计方法将带式输送机视作刚体，认为启动和制动 时输送机各质点是同时运动的。因此下运制动以往一般采用直接机械抱闸制动。 该方法对于低速、短距离、小运量的输送机比较适合。 目前国内用于下运带式输送机制动的产品有六大类型：机械摩擦式制动、液 力制动、液压制动、粘性制动、磁力制动、电气制动等。其中： a 机械摩擦式制动器 包括闸带式、闸瓦式( 电液推杆制动器) 、盘式制动器等均靠机械摩擦产生制 动力，吸收运动能量进行制动。因受散热能力的限制，只能作为二级停车用，不 能单独用于下运制动。 盘式制动器的制动原理是靠制动盘与闸瓦摩擦副之间的摩擦力来实现制动。 制动器无外设冷却设备，制动刹车为一体，结构简单。德国已成功地将盘式制动 器应用在带式输送机减速器的高速轴上，而在国内只能安装在中低速轴上。主要 原因是发热、磨损等问题没有很好地解决。山东科技( 矿业) 大学研制过该种盘 式制动器，装在减速器的中速轴上，适用功率只有数十千瓦，若装在减速器的低 速轴上制动功率虽然可以增至1 0 0 千瓦以上，但受国内煤层地理情况及丌采条件 的影响，下运输送机的电机功率一般在2 0 0 千瓦4 0 0 千瓦之间，导致制动盘的 闸瓦片体积太大，煤矿井下搬运困难。因此浚形式的制动器目前不适合我国煤矿 井下的生产条件。 煤炭科学研究总院上海分院也曾经立项，尝试将盘式制动器装在减速器的 高速轴上( 1 5 0 0 r m i n ) 用于井下带式输送机的制动，但因制动时发热、冒火花 等问题不易解决而无法使用 8 1 1 9 1 。虽然利用计算机对制动盘的发热过程进行了仿 真工作的研究，但是抱闸的控制技术和摩擦副的材质等关键技术在困内尚未 过关，因此，目前盘式制动器用于煤矿井下大型的带式输送机的制动的条件尚不 成熟。 b 液力制动器 液力制动的工作原理是利用液体介质来储存制动时所消耗的能量。其制动 形式是“软”制动，比较符合带式输送机最主要元件输送带的物理特性和输 送机工况要求。另外，根掘液力传动理论，转子轴上产生的制动力魁i 与转速“t 方 成矿比，故在高转速时( 1 5 0 0 n m i n 左右) 产生的扭矩更大。 m = x y g n ! d 5 式1 1 1 ： 扭矩系数，r a i n 2 ( m r 2 ) m 扭矩，n m n b 转速，r r a i n p 工作油密度，k g m 3 g 重力加速度，9 8 m s 2 d 液力制动器有效直径，m m 这一特性用于下运输送机，能有效地防止超速飞车。因此它是目| j 一种较流 行的制动模式4 ”。 湘交通人学t 程f ! l j 学位论文 第一帝 液力制动器的结构是偶合器的一种变形。将涡轮( 定子) 固定在制动器的 箱体一卜，泵轮( 转子) 与减速器的高速轴连接。制动时液体以较高的速度和压力 向工作型腔内充液，由于涡轮固定，泵轮转子轴产生制动力矩，并将液体的动能 转换成热能带走。其优点是：设备本身无机械摩擦，即作为制动副的泵轮与涡轮 间没有机械摩擦和磨损，因此寿命比盘式制动器和液压制动器长得多。其缺点是： 必须二级机械制动，输送机才能完全制动。即当转速达到4 5 0 r r a i n 5 0 0 r m i n 时 进行机械制动。 c 液压制动器 液压制动一般是将液压泵装在带式输送机减速器的高速轴上。用轴向柱塞泵 禾j 节流元件产生制动力。制动时泵中的油经溢流阀或调速阀排出返回油箱，或附 加冷却系统吸收制动能量。液压泵对输送机形成的制动力矩理论值为： = 罢 1 - 2 式中：m 2 h 泵的制动力矩，n m ； p 油泵排油压力，m p a q 油泵排量， m l r 。 输送机的能量经液压泵在节流口上转化为油液的热量。其优点是：制动力矩 町调散热性好；在低速时也有制动作用。但由于结构原因以及轴向柱塞泵的磨 损人、寿命较低等原因，限制了它的适用场合f 5 】： d 电气制动 包括动力制动、涡流制动、变频制动。 动力制动的结构一般是绕线式电动机、附加直流电源。工作原理是在切断驱 动电机交流电源的同时，将直流电接入电机定子，使定子绕组产生一个静磁场。 n i 神：旋转的转子切割磁场的磁力线而产生电磁反力矩。其特点是：制动力矩可调， 似若要满足采区停电时制动工况的要求，其隔爆电阻箱结构极复杂。因此无法在 煤矿井下推广。 涡流制动是利用涡流效应产生制动力矩。涡流制动器的结构与电机相似，肯 定r 和转子构成，转子由整体的铁磁材料制造。定子绕组中接通直流电时，产g ! 直流磁场。转子被输送机带动在磁场中旋转，产生涡流形成制动力矩，将输送机 的动能转变为热能。制动力矩由电枢绕组中的电流和电枢的转速决定。其特点是： 制动力矩叮调，但必须有二级机械制动。 变频制动是用可控硅变频装置改变电机定子电源的频率，使电动机在低速时 也能以发 乜方式运行，向电网反馈电能，对下运带式输送机彤成制动力矩。但f j 的这种方式控制很复杂，而且用于煤矿井卜- 必须防爆，因此价格昂贵。 e 粘性制动 其原理是利用摩擦片之间的油膜剪切力产生制动力矩，但山于摩擦片之i l j j 的 油在高速状态下处于紊流状态，而紊流状态的油液工作特性是不能控制的，从而 导致它传递扭矩也不能准确控制【6 】l ”。 f 磁力制动 包括磁粉制动器和m p g 可控减速器等形式。 磁粉制动器是以磁粉为工作介质，以激磁电流为控制手段，来达到控制制动 扭矩。例如：航天机电制造有限公司生产的c z 型磁粉制动器最大制动扭矩达 5 0 0 0 n m 。其优点是输出转距与激磁电流呈良好的线性关系而与转速或滑差无 向交通人学厂程坝l j 学位论史 始一章 关，并且有响应速度快、结构简单的优点。但其致命的缺点是可靠性差：即当磁 粉聚集到某一处时，有时会出现制动器“卡死”现象而无法制动。该产品尚未在 煤矿井下使用过。 m p g 可控减速器是有磁粉制动器部分与行星齿轮传动部分结合而成的可控 起带0 动系统l ”i 。山浙江双力集团研制成功，专利号z l 9 1 1 0 7 5 0 9 7 。该产品用 在k 1 0 3 型薄煤层采煤机滚筒中。但是由于磁力制动需直流电源才能工作。受 防爆技术以及采区停电等因素的影响浚技术尚未在下运带式输送机中使用过。 综上所述，目前，国内煤矿下运输送机制动产品中较广泛应用的是盘式制动 器和液力制动两大类型，功率在2 2 0 0 k 范围以上的，使用液力制动器的较多。 1 3 3 国外产品及发展趋势 对于长距离、大运量、高速带式输送机而言，动张力的大小主要由驱动装置 或制动装置的起动或制动特性决定。现代设计方法( 动态设计) 认为：输送带是 一个具有粘性和弹性特点的粘弹性体，尤其是大型带式输送机，从输送带的运动 学方程公式( 1 一；) 可知： 即) = m 箬蝎x + 毗触+ h ( d x d t 问+ c ( 舻( f ) ) + g ( x ) 1 3 f = 。静态为边条件 t = 0起动条件 输送带的特性参数( 质量，弹性，阻尼) 是长度的函数，动张力在输送带的传 输需要一定的时问，各质点j 能依次起动或停止。用传统的刚体力学原理来计算 和设计现代大型带式输送机显然不符合实际情况。 动态设计方法是在静态设计的基础上，结合输送带的粘弹特性、应力波、横 向振动等动力学内容，以优化系统参数、增加稳定性和经济性为目标的一种新设 t 方法i ”l 。对下运带式输送机的制动，该方法认为：如果制动时间太短、减速 度过大，一则会丧失输送带与传动滚筒之阳j 的正常传动比、出现负张力点，严革 时可能发生输送带的折叠现象；二则从能量角度讲制动减加速度过火输送带储存 制动能也越大，释放这些能量会对输送带及输送机的其它元部件带来极大的j 立 山。特别是发生谐波共振时，后果更严重i m 。 因此，目前围外先进的制动技术都是基f 动态设 t 的方法以减少制动张力为 i 标而玎发产品的。其中： a 动力+ 机械的两级制动 俄罗斯采用绕线交流电机制动，功率甲衡靠转r 网路中串联电阻束调前。 停午时，先进行动力制动，吸收掉大部分能量使带速降至0 2 0 5 m s ，再二次机 械抱闸i “l 。 b 德圈a e g 公司虏尔电厂研制出种专供f 运带式输送机使用的鼠笼 电讥，其定子增加直流绕组，用于动力制动，而后再二次机械制动。 c 同本乌形山石灰石矿的下运带式输送机采用电气一气动一机械制动的方 法，该技术能够根据负载情况，在一定范围内自动调节制动力矩，使起制动平稳。 d c s b 可控制动技术 美国道奇d o d g e r o c k w e l l 公司研制出最新型可控制动c s b 技术用来解决 卜运制动问题【”l 。它是集制动、离合、电控、冷却、自珍断于一体的液体粘性 海交通人学i 程坝i 学位论立 罐一尊 调速器与行星传动相结合的制动装置。该产品可根据由计算机算出的动叁应力的 实时数据来调节下运制动力矩。其结构类似摩擦式离合器，靠油介质吸收制动能， 制动控制系统用p i d ( 比例、积分、微分) 来精确地控制制动过程。 由此可见，制动技术的可控性是发展趋势，而且一般都在吸收大部分制动能 量后，当转速降至4 0 0 5 0 0 n m i n 时再实施二级机械制动。 综上所述，下运制动技术关键在于减加速度控制及能量转换问题的如何解 决。由于受国内相关基础工业( 摩擦副材料、防爆电机等) 的限制，以及目前 煤矿管理水平、技术水平及经济承受能力等因素的影响。因此，本文将可控、结 构简单的液力制动系统作为研究的方向。 1 3 4 存在的问题 但是现有的液力制动装置在控制技术和机械结构上均存在问题。例如，邯郸 煤矿设计院研制的液力制动装置无法有效地控制制动力矩，而且结构上出于转子 伍输送机工作时一直旋转，导致非制动状态时空气鼓j x l 发热。煤炭科学研究总院 上海分院研制的液力制动装置及其调节系统虽然解决了上述问题，至今应用有 3 0 多台，为煤矿长距离、大运量、大倾角下运带式输送机解决了制动问题。在 国内处于领先水平。但是该产品仍存在者两个缺陷： a 系统结构复杂，除制动器本体外它包括电、气、液三个系统，环节多，造成 可靠性较低；辅助设备多且易泄漏，使得维护困难且成本商【l o 】i 。 b 制动控制系统简单、响应速度慢，无法按照输送机的参数及输送带的动力学 特性进行实时的控制，有效地降低制动张力。 以上缺陷在设计和使用过程中具体表现为：设备分散，占用空问大：系统包 括制动器本体、防爆滑片式空压机、储气罐、气动控制箱、热交换装置、集控箱、 速度加速度传感器、真空丌关等八大件；管路密布、泄漏严重：制动器各部件 的联接分油路和气路两类，致使泄漏现象时有发生。另外由丁井f 汽源压力不足， 使空压机频繁起动而易损坏；环节多、可靠性低：因气压不足时，控制阀无法动 作。闸板阀、液力制动操纵阀和闸板的四连杆机购设计精确| 5 、而制造装配往 往很难达到要求；系统复杂，维护困难：电、气、液的安装调试l 作量大，管理 维护人员的素质要求高。 冈此提高控制准确性和优化产品结构是现有液力制动器亟待解决的问题。 1 5 本文主要研究工作 本文研究主要内容分为四部分： 1 、分析输送带动力学特性，基于修正后的v o g i t 模型，建立带式输送机 系统的动力学模型； 2 、在具体分析液力制动装置特性的基础上设计一套闭坏控制系统。使减加 速度能较准确地被控制在行业标准规定的范围内； 3 、简化现有产品结构，并对主要元部件( 叶轮和制动主轴) 进行优化设计： 4 、在以上工作的基础上进行整机设计，并对液力制动系统进行相关的实验 室试验。 6 海交通人学t 程坝i 。学位论立 辩一章 第二章带式输送机动力学建模 下运带式输送机是一个复杂的机电系统。它由输送带、托辊、驱动装置、 张紧装置、制动装茕、清扫和装卸等辅助装置构成，整个系统在起制动过程 中形成一个结构封闭的阻尼振动系统，该系统在起制动力矩的作用下沿着输 送带纵向和横向作振动，并随着带速的提高或降低而逐渐趋于稳定的状态。因 此，其动力学模型是在分别描述和分析各个元部件的基础上而综和建立的。 2 1 输送带动力学模型 输送带是带式输送机的关键元件，起着承载和牵引作用。在建立带式输送 机系统的动力学方程、进行动态特性分析时，首先需解决的问题是输送带力学 特性的描述和特性参数的测定。输送带力学模型的建立是否恰当，参数的测定 是否j 下确，直接影响到输送机系统动态分析的准确性、精确性和可靠性。本文 根据输送带实际使用过程中突出表现的粘弹性特性，采用粘弹性流变学中合适 的近似力学模型来加以描述和讨论。 2 1 1 输送带动力学特性 根据类型的不同，输送带可分为织物芯带和钢绳芯带两大类。织物芯带是 由豫胶和芯质组合而成；钢绳芯带则是橡胶和钢丝绳粘合而成( 下运带式输送机 _ 般用钢丝绳芯输送带) 。由于输送带是多种材料复合而成的复合板，在承受拉 力时表现出较为复杂的力学特性，其中主要的几个特性如下【2 5 】、1 2 7 】1 2 8 】： 1 应力、应变的非线性 输送带在承受拉力时，拉力和变形之阳j 的关系不完全遵从虎克定律，而呈现 非线性关系。如图2 一l ( a ) 2 蠕变特性 当作用在输送带上的力保持不变时，随着时、日j 的延续，输送带的变形有昕增 力，直至趋于某一定值，即当向输送带施加一拉伸阶跃应力时，随着时间的延长， 输送带的应变不同于应力一样具有相同的规律，而是滞后于应力，逐渐趋于最大 值。如图2 1 ( b ) 3 松弛特性 当在输送带上施加一个常应变时，输送带的拉仲应力随着时矧逐渐减小，最 后趋】：稳定值。如图2 1 ( c ) 4 粘性滞后特性 输送带在拉仲过程中出现滞后现象，表现为加载和卸载应力一应变曲线不 甄合，这现象说明输送带具有明显的粘弹性。如图2 1 ( d ) 5 动态特性 输送带在拉力作用下的变形不仅与拉力大小、作用时i h j 仃关，还与拉力的 变化速度有关。如图2 1 ( e ) 上述输送带的力学特性表明其具有明显的粘弹性特征。i t l 于输送带的实际 ，i ：况足动念的，因此，在研究和选取适合描述输送带力学特性n 0 摸型时也应从动 态的f j 度j 【l 以考虑。 ! ：! ! 奎翌叁兰三堡丝! 兰垡堡苎! 二：旦 6 图2 - 1 ( a ) 非线性特性 f i g2 - 1 ( a ) n o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c 6 幽2 - 1 ( c ) 松弛特- 眭 图2 - 1 ( b ) 蠕变特性 f i g2 图2 - 1 ( d ) 滞后特性 f i g2 - 1 ( c ) r e l a x a t i o nc h a r a c t e r i s t i cf i g2 - l ( d ) h y s t e r e s i sc h a r a c t e r i s t i c n 24 681 0 p ( n ) 幽2 - 1 ( e ) 动态特胜 f i g2 - l ( e ) d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c 8 姗 姗 枷 海交通人学丁程埘! i j 学位论史 第矗二章 2 1 2 输送带模型综述 描述连续介质粘弹特性的三个基本元件是：弹性元件、粘性元件、库仑摩擦 元件。但这三个基本元件都不能独立地用于研究输送带的粘弹特性。目前，对于 输送带的动力特性国内外已有许多学者进行了研究，并建立了多种组合数学模型 h a l ”l ，其中主要一些如图2 2 所示： ( d ) ( f ) 图2 - 2输送带动力特性的力学模型 f i g2 - 2m e c h a n i c sm o d e l o f d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co fb e l t 上述各种模型的本构关系为： a ) 单一的弹性体元件 d = e e b ) m a x w e l l 模型 11 = 一+ 一o ” c ) k e l v i n v o g i t 模型 一 d 口。上叩面d ， d ) 三元件固体粘弹性模型 e ，+ e ，11 叶!e l，7 二 e 2 e ) 三元件液体流变模型 1 1 1 坤2 + e 2 叩1 = o ( 7 7 l + 叼2 ) + g e 2 f )四元件液体流变摸型 e ；+ 墨生；：占+ f 量+ 互+ 生) 盯+ 墨口 7 1 37 7 二，7 3r 3 7 1 二，7 3 式【 】： e输送带弹性模量，n m m 2 一l 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 。嚣 簪。尊 。 海交通人学丁程坝 学位论立 旃二帝 n输送带粘性系数，n s m m 应变 6 应力，n r a m 通过输送带动力学特性的分析可知，所建立的摸型是否适合于描述输送带的 力学特性，取决于该种模型的蠕变特性及松弛特性是否同输送带的特性相似或 致。以下就这些模型的动力学特性加以分析，( 四元件体模型较复杂本文不详细 讨论) ： 1 弹性体 弹性体对于阶跃激励的响应： 施加恒力o = o 。h ( t ) ，响应( t ) 为： ) = 警= 詈邯) 施加恒应变e = e 。h ( t ) ，响应o ( t ) 为： d ( f ) ；e e ( t ) = e e o 日( f ) 蠕变柔量和松弛模数分别为 = 吉 i e ( r ) = e 2 m a x w e l l 模型 m a x w e l1 模型对于阶跃激励的响应： 施加恒力。= 。，h ( t ) ，响应( t ) 为： ( f ) o - t l ( + 一1f ) h ( f ) r | 施加恒应变e ：e ，h ( t ) ，响应o ( t ) 为： o ( r ) = 。ee x p ( - 三t ) t 4 ( t ) q 蠕变柔量和捡弛模数分别为： f ( ，) ：= 1 + 一1 f 丘” ：e e x p ( 一墨f ) 叩 3v o g i t 模型 v o g il 模型对于阶跃激励的i 】向应： 施姗随力o = o 。h ( t ) ，响应e ( t ) 为 呻) = 詈( 1 - e t ) h ( f ) 施岍陋应变e = e ，h ( t ) ，响应o ( t ) 为 ( 7 ( ，) = f e + 6 ( ，) 】。1 4 ( 0 1 0 地一帝 蠕，变柔量和 公弛模数分别为： h ) ：1 ：( 1 - e 等) l e ( f ) = e + 6 ( r ) 4 三元件固体粘弹模型 三元件固体模型对于阶跃激励的响应 施加恒力o = o h ( t ) ，响应( t ) 为： ( f ) ：丢盯。( f ) 十誓( 1 _ e - k ) h ( f ) 一 其中：七：生 7 7 1 施加恒应变e = n h ( t ) ，响应o ( t ) 为： 叩h 蔫+ 彘唧c 一警纠邯， 蠕变柔量和松弛模数分别为： 盼击十去”e 1 即，= 格+ 丧唧c 警。 从以上各种模型对阶跃激励的响应、蠕变柔量及松弛摸数可以看出： 1 弹性元件的蠕变柔量和松弛模数分别为1 e 和e ，不能反映出输送带的 动态特性，不适合作输送带的粘弹性模型； 2 m a x w e l l 模型的蠕变特性是线性的，松弛特性呈指数规律，这种模型不 适合做输送带粘弹性模型； 3 v o g i t 模型的蠕变特性比较适合做输送带的蠕变特性研究，虽然松弛特 性表现不出来，但是在大型下运输送机中，输送带多为钢丝绳芯带，拉 紧装置为重锤式，因而在运行过程中产生的松弛还是可以适当补偿的， 另外该模型的参数比较容易测定： 4 三元件固体模型和四元件固体模型的蠕变特性和松弛特性都具有指数 规律，能较好地反映输送带的粘弹性动力特征，但是这两种模型的参数 比较难以测定，目前还没有成熟的测试方法和仪器，因此限制了它们在 带式输送机动态分析中的应用。 2 1 3k e i v in v o g i t 模型的修正 比较以上所述几种模型，可以发现随着元件数的增加，只要计算机能力允许 复杂的力学模型的精度理论上也增加。但事实上由于输送机实际边界条件的多样 性和复杂性，以及模型参数的难以测定或由于精确程度不够，导致多元件模型动 态分析结果与实际情况相差甚远。另外，工程应运中也要求计算处理过程简单、 型! 奎些叁兰i 堡竺! ：兰竺堡苎 一! 二羔 经济。 综上所述，本文基于目前较流行的k e l v i n - v o g i t 摸型，对其进行适当的改进。 新模型在突出表现输送带粘弹特性的基础上，考虑到输送带运行中l , j l 撩i i j j 的 因素，修正后的新模型为如图2 - - 3 所示的三元件模型。该模型的特点是：既便 于模型参数的测定，又能更准确地反映输送带的实际工况。 f o l 叫一一 n 幽2 - - 3 修正后的输送带模型 f i g2 - 3c o r r e c t e d b e l tm o d e l 2 2 模型参数的确定 2 2 1 测试方法 v o g i t 模型的参数包括二个：动力弹性模量e 和粘性系数n ，该模型参数的 测试方法如由三种：衰减自由振动法、波动测试法、动拉伸测试法。 衰减自由振动方法是将输送带的一端固定，另一端悬挂重物，并对重物施加 初始扰动，通过分析试样在瞬时扰动作用下的振动衰减过程来求其动态粘弹性参 数。其特点是由于输送带的拉仲特性极其复杂，在很大程度上与时阳j 有关，因此 对同一试样需经过多此测试，方可确定其粘弹特性参数。另外测试数据结果可能 棚差很大，所以数据处理较麻烦。 波动法是根掘弹性波在输送带中传播速度来f 训接测定输送带弹性模量的方 法。它仅能测得输送带的弹性模量，很难测得其阻尼系数。另外由于应力波的速 度较高，试样的长度必须足够长，否则测试精度会下降。 动拉伸测试方法需在动态试验机上完成，这种方法已制定了因际标准，由于 它对加载特性，即加载频率、幅值和时问的延续性作了规定，所以能较好地模拟 输送带实际工况和消除输送带永久