可伸缩带式输送机结构设计.doc

1 可伸缩带式输送机可伸缩带式输送机 结构设计结构设计 1 概述 可伸缩带式输送机是以胶带兼作牵引机构和承载机构的一种运输设备， 它由许多零部件和具有某些特殊功能的装置组成，以 SSJ650/40A 为例（如 图 1-1）由输送带，托辊，机架，驱动装置，拉紧装置，储带装置，清扫装 置，伸缩装置等重要组成部分，它们的结构和工作原理对带式输送机整体 特性影响很大。因为带式给料机的给料量大，运输平稳，所以被广泛的应 用于各种散料集散地的生产现。 图 1-1 SSJ650/40A 型两用可伸缩带式输送机布置示意图 1.卸载滚筒 2.传动滚筒 3.机头部分 4.可伸缩贮带张紧装置 5.上分支输送带 6.下分支 输送带 7.上分支槽型托辊组 8.进料装置 9.纵梁 10.H 型支架 11.下分支槽型托辊组 2 12.鞍座 13.卸料装置 14.卸料斜铁 15.机尾部分 16.回柱绞车 带式输送机械在国民经济的各个部门中得到了广泛的盈盈，已经遍及 各个行业。在重工业 及及交通运输部门组要用于输送大宗散粒物料；在现 代生产企业中，输送机械是生产过程中组成有节奏的流水线作业所不可缺 少的设备，通过输送机械的应用实线车间运输和加工安装过程的机械化， 并实现程序化和自动化；在食品、化工、轻纺等许多部门，输送机械往往 不单纯进行物料输送，还在输送的同时进行某些工艺处理，在大型工程项 目的施工工地，输送机械可用来搬运大量土方和建材物料；在机场，港口， 输送机械还用来输送旅客和行李。 带式输送机是以带条作为牵引构件和承载构件的连续余数机械，它可 供输送各种各式各样的散货和件杂货物，输送带长度可达数公里（国外最 长的钢丝绳牵引胶带输送机长度达 14.6km），也有不超过数米长的小型带 式输送机，也称为给料机。带式输送机是散货码头的最主要的也是比较理 想的输送设备，应用最为广泛。 1.1 带式输送机械的特点 输送机械是以形成连续物流方式沿一定线路输送货物的机械。其特点 是连续运动。与具有间歇动作的起重机械比较具有以下优点： （1）输送能力大。可不间断地连续输送贷物，其装载和卸载都是在输 送过程中不停顿的情况下进行。同时由于不经常起动和制动，故可采用较 高的工作速度。 （2）结构比较简单。输送机械沿一定线路全长范围内设置并输送货物， 动作单一，结构紧凑，自身质量较小，造价较低。因受载均匀，速度稳定， 工作过程中所消耗的功率变化不大。在相同输送能力的条件下，输送机械 所需功率一般较小。 （3）输送距离可以较长；不仅单机长度日益增加，且可由多台单机组 成长距离的输送线路，便于实现程序化控剐和自动化操作。 其缺点是： （1）通用性较差；每种机型一般只适用于输送一定种类的货物。 （2）必须沿整条输送线路布置。输送线路一般固定不变。在输送线路 变化时往注要按新的线路重新布置在需要经常改变装载点及卸载点的 场合，必须将输送机安装在专门机架或臂架上，借助它们的移动来适应作 业要求。 3 （3）大多不能自动取料。除少数连续输送机能从堆料中取料外，大多 要靠辅助设备-除少效连续输遂机能自行从料堆中取料外，大多要靠辅助设 备供料。 （4）不能输送笨重的大件物品，不宜输送质量大的单件物品或集装容 器。 （5）由于输送机的启停和行程等因素，不可避免会导致输送带因张紧 问题而造成事故和损失。 1.2 输送机的现状及未来发展的市场需求 连续输送机械在国民经济各部门被广泛应用，种类也非常繁多：连续 输送机械可打为机械式和流体式两大类，如图 1-2。 图 1-2 连续运输机械的种类 （1）机械式 机械式输送机械是依靠工作构件的机械运动进行输送。按其结构形式 不同可分为有挠性牵引构件的、无挠性牵引构件和连续装卸机械。 1）有挠性牵引构件的输送机械 有挠性牵引构件的输送机的特点是：物料放在牵引构件上或牵引构件 连续的承载构件上，利用牵引机构的连续运动来输送物料。这类输送机械 除具有牵引机构件、承载构件、驱动装置、张紧装置以外，一般还具有装 4 载、卸载、改向等装置，它包括带式输送机、斗式提升机、板式输送机、 刮板输送机、埋刮板输送机、悬挂输送机、自动扶梯等，它们分别采用输 送带或链条作为牵引构件。 2）无挠性牵引构件的输送机械 无挠性牵引构件的输送机械的特点是：利用工作构件的旋转运动或往 复运动是货物在封闭的管道或料槽移动。它们输送货物的工作原理各自根 本不同，且共性的零件也很少，如螺旋输送机、振动输送机、滚柱输送机 等。 （2）流体式 流体式输送机则是利用空气或水等流体的动力通过管道进行输送，如 气力输送机和液力输送装置等。 在 19802000 年之间，采矿业有了较大的新发展，改变了散状物料的 输送方式，从间断输送方式发展到金属矿山的连续开采和煤矿的连续开采 工艺，实现了用输送机输送。 （1）发展的原因 在最近的几十年里，世界经历了空前的发展，此时，需要新的矿山提 供能量和原材料。由于许多贫瘠的矿山已经关闭，所以较大的矿山需要开 采大量的煤、矿石或者岩石产品。国内以宝钢为首的大型钢铁企业的建立 与改造；西部煤炭资源的开发和通过港口的外运。 （2）经济的原因 更高的产量和许多新的采矿业务在第三世界国家，系统成本降低，致 使营业利润更快更大。通过技术经济比较，已经证明在一定距离上，带式 输送机输送优于汽车和列车运输。采用带式输送机可实现长距离、大运量 输送。 （3）环境的因素 输送机在环境敏感地区或靠近城市的发展地区的开发，已经引起了对 水平和垂直转弯普通的、管状的以及钢丝绳的带式输送机，进行重大的技 术模拟和技术创新。 （4）企业的因素 许多较小的矿山被大公司购买，从而使得采矿和分布合理化。公司时 常依赖于运输零件的“单方供应”，从新的发展中孤立业务营运，包括一种 实施新的带式输送机运输技术的能力。国内的矿山企业和钢铁企业也面临 着重组和扩大的局面。 （5）工程技术 5 上述因素（1）至（4）引起降低输送安全系数和与之相关的故障、磨 损、张紧问题的需要。提高可靠性的需要已经引起了对动力学和设备设计 的研究。在上述原因影响下，输送机要满足这些要求，输送机研究会向着 能够解决输送机问题的方向前进。上面叙述的因素时常导致全新的运输问 题的探讨。 随着我国煤炭产量的提高以及双高工作面的出现，特别是采掘设备生 产能力的大幅度提高，带式输送机朝着长距离、大运量、大功率、高倾角、 高速度方向发展。但我国现有的带式输送机技术难以完全满足煤矿生产的 需要，因此，近阶段带式输送机的主攻领域和研究方向有以下几个方面： 新型启动技术；新型制动技术输送机自动张紧技术；顺槽可伸缩带式输送 机机尾快速自移技术；上下运大倾角输送技术运人技术；可伸缩下运带式 输送机机尾移动技术。 1.3 现行带式输送机存在的问题 （1）输送带的伸长或延伸 任何输送机的输送带均可能有以下几种型式的伸长或延伸。 弹性伸长：这是在启动加速或制动减速时在输送带上出现的部分伸长。 在施加的拉力或应力消除后，这种伸长几乎完全恢复原状。 结构伸长：这种伸长大部分是由于织物编织型式而不是由于使用的织 物原料而引起的。 在普通的编织物中，弯曲的经线当施加负荷时就会被拉直，引起输送 带的伸长，而其中部分伸长是不能恢复原状的。 永久性长度变化：永久性长度变化包括由基本纤维结构的饿延伸率所 引起的长度变化，还包括部分弹性伸长和不可恢复的部分结构伸长。 （2）拉紧行程 所需的拉紧行程取决于启动或制动方式。直接启动和制动所需的拉紧 行程比有控制的加速启动或减速制动的要大得多。拉紧装置应有足够的行 程，以适应加速或减速的波动，而不使拉紧装置碰到挡板上。 拉紧装置还应有若干“可供使用的”贮备输送带，因而在发生故障时可 不需要用两个接头来接入一段短输送带。此外，拉紧行程还应该适应输送 带由于伸长或收缩引起的长度变化。 1.4 带式输送机张紧装置的综述 带式输送机是煤矿企业主要的连续运输设备，正向着大运距和大运量 6 方向发展。张紧装置对保证其正常工作具有重要作用。在目前常用的张紧 方式中，液压张紧具有工作平稳、可靠、性能完善、调节方便等优点，可 适应多种工况的需要和不同的机型，是一种较先进、理想的张紧方式。由 于发展比较晚，技术尚不够成熟，张紧装置和液压系统的设计也多种多样， 使用效果各异。本文在对液压张紧装置进行分析、研究的基础上，提出一 种设计方案，意在简化系统，提高工作可靠性，完善性能。 带式输送机结构简单，工作平稳可靠，噪音小，能实现连续长距离大 倾斜输送，设备运行费用低，可在胶带的任意位置加料或卸料，具有生产 效率高、输送量大、能源消耗少的特点，被广泛应用于煤炭、冶金、矿山、 化工、港口、电站、轻工、建材、粮食等许多工业领域。经过近两个世纪 的发展，带式输送机已经在技术上具备了高强力、大运量、大功率的现代 化散状物料输送设备的特征。 图1-3 常见张紧装置 1.4.11.4.1 矿井带式转送机对张紧装的要求矿井带式转送机对张紧装的要求 （1）张紧装置能在不同工况下自动调整张力，起动时要求输送带在奔 离点的张力值自动提高到稳定运行时的 1.41.5 倍。待起动过程结束，转 7 人稳定运行时，张力又自动降回原值。在稳定运行过程中，应保证张力恒 定。 （2）可以平稳起动，保证输送带与传动滚筒相遇点的冲击载荷为最小。 （3）要求能适应煤矿的工作环境。输送带在传动滚筒奔离点的张力不 但随运距、运量和倾角变化，而且受工作环境的影响很大。如输送带与滚 筒接触面间有煤泥和水淋，则对摩擦系数的影响较大。因此应能方便地调 定输送带张力，并配有显示仪表。 （4）煤矿井下含有甲烷、煤尘等易爆气体，选用的电器元件应符合矿 用隔爆标准 GB3836 要求。 1.4.21.4.2 张紧装置的主要作用张紧装置的主要作用 在煤矿运输中，张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。 张紧装置的功能主要有以下几点带式输送机在启动、运行、制动等工 作过程中，输送带会由于拉力和惯性的作用发生蠕变，能够导致输送带变 长松弛而无法工作。输送带张紧装置是保证输送带具有一定张紧力、不发 生打滑现象而正常工作的重要组件。概括起来，张紧装置在带式输送机中 具有以下一些作用: （1）保证带式输送机驱动滚筒分离点的足够张力，从而保证驱动装置 依靠摩擦传动所必须传递的摩擦牵引力，以带动输送机的正常运转，防止 输送带打滑； （2）保证承载分支最小张力点的必须张力，限制输送带在托辊之间的 垂度，保证带式输送机正常运行，不致因输送带下垂度过大导致煤炭垂直 跳动大冲击托辊而造成电机损失能量大和煤炭洒落等现象； （3）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，张紧力有变 小趋势，需要张紧装置来吸收由蠕变产生的伸长，维持输送机正常运行所 需的最小张紧力，从而保证带式输送机的正常运行； （4）为输送带重新接头做必要的行程准备。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，张紧装置为带 式输送机准备了负荷以外的运输带，这样接头故障就可以通过放松张紧装 置重新接头来解决。 （5）带式输送机输送带有若干个接头，张紧装置为带式输送机储备了 8 负荷以外的运输带余量，当输送带接头出现问题时可以通过放松张紧装置 重新接头排除故障。为输送带重接接头提供必要的行程; （6）在输送带、传动滚筒等部件维修时释放输送带中的张紧力。 1.4.31.4.3 张紧装置的类型张紧装置的类型 张紧装置直接影响带式输送机的整机性能。目前带式输送机常用的张 紧装置主要分为固定张紧装置、重锤张紧装置和液压张紧装置 3 种。 （1）固定张紧装置 图 1-4 螺旋张紧装置 固定张紧装置的特点是张紧滚筒在运转过程中的位置保持不变，张紧 力不能自动进行调节，只有在停车状态，才能对张紧装置的张紧力和张紧 行程进行调整。固定张紧装置的优点是张紧滚筒位置固定，不需要人工操 作或控制，结构简单紧凑，操作维护方便，一般用于小型带式输送机。固 定张紧装置又分为螺旋张紧装置和固定绞车张紧装置、螺旋张紧装置。 由图 1-4 可见，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。旋转调节螺杆，螺母带动活动架一起前进和后退，达到张紧和放松 输送带的目的。固定绞车张紧装置由绞车、张紧钢丝绳、滑轮、张紧小车 等组成，通过绞车卷进、放出钢丝绳来调节输送带所需的张紧力。 （2）重锤张紧装置 重锤张紧装置是靠重锤的重力将输送带张紧，张紧力的大小依靠增加 或减少重锤重量来调节。重锤张紧装置又分为重载车式张紧装置和重锤式 张紧装置。重载车式张紧装置是将重物由钢丝绳通过定滑轮与滑动小车相 连，将张紧滚筒固定在滑动小车上，由重物拉动滑动小车对输送带产生张 紧力(见图 1-5) 。重锤张紧装置是通过用钢丝绳悬挂起来的重锤使输送机的 9 张紧车产生张紧力。 重锤张紧装置的优点是可以通过重锤的位移迅速吸收输送带的弹性伸 长，动态响应快，结构简单，且重锤张紧力是基本恒定的，仅在输送机起 动和停车时产生很小的惯性力，因而安全可靠性比较高，在带式输送机中 使用最为广泛。它的缺点是： 图 1-5 重锤车式张紧装置 1）张紧力始终保持不变，不能随带式输送机起动、稳定运行所需的不 同张力进行调节，在稳定运行过程中输送带始终处于过张紧状态，影响输 送带的使用寿命； 2）较为笨重，需要的工作空间大(特别是张紧力较大时) ，维修较为费 工费时； （3）液压张紧装置。 1）普通型液压张紧装置 通过液压油缸(或绞车)的快速位移来吸收输送带的弹性伸长，分为液压 绞车张紧、液压油缸张紧、液压油缸与固定绞车组合张紧 3 种。液压绞车 张紧装置是通过液压马达动作，使张紧绞车卷进和松开输送带来自动调节 输送带的张紧力;液压油缸张紧装置由蓄能站、液压泵站、张紧油缸、电控 箱和附件五大部分组成，通过液压站压力使油缸产生伸缩来调节带式输送 机的张紧力。液压张紧装置的优点是结构紧凑，易于实现远距离控制，可 以根据输送机在启动和正常运行工况下对输送带张力的不同要求调节输送 带张紧力，控制响应速度快，能够在驱动滚筒与输送带产生滑动时自动增 加张紧力。缺点是不能随输送带上载荷的变化自动进行张紧力调节。 2）阶段式张紧装置 阶段式张紧装置的主要技术特点是: 10 可以根据输送机在启动和运行工况下对输送带张力的不同要求来调节 1 皮带张紧力(一般起动时的张紧力比稳定运行时大 1. 41. 5 倍) ，皮带不会 始终处于起动时的张紧状态，从而延长了输送带的使用寿命。 带式输送机起动时，输送带的松边会突然松驰伸长，此时张紧油缸在 2 蓄能站的作用下，能立刻收缩活塞杆，及时补偿输送带的伸长量，减少输 送带松边对紧边的冲击，起到保护输送带的作用，并保持输送机起动的可 靠与平稳。 可简单地实现直线运动和回转运动，其布置也具有很大的灵活性。 3 由于其元件实现了系列化、标准化、通用化，容易设计制造和推广使 4 用。 图 1-6 液压张紧装置 1 张紧小车 2 钢丝绳 3 定滑轮 4 动滑轮 5 油缸支座 6 张紧油缸 7 电控箱 8 液压泵站 9 胶管 10 蓄能站 11 轨道 12 输送带 可以由流动着的油液带走因功率损失等原因产生的热量，避免局部温 5 升现象。虽然阶段式张紧装置可以在带式输送机启动与稳定运行两种工况 间自动调节张力，解决了输送带转为稳定运行后的过张力问题，但其缺点 是不能对输送机运行过程中皮带负载的变化进行动态调节。而在带式输送 机的实际运行中，皮带所需的张紧值相差甚大，张紧装置经常处于要么张 紧力不足、要么过张紧的状态。调查显示，阶段式液压张紧装置很难满足 大型带式输送机的运行要求。 11 在带式输送机的总体布置时，选择合适的张紧装置，确定其合理的安 装位置，是保证输送机正常运转、启动和制动时输送带在传动滚筒上不打 滑的重要条件。当输送机的结构，启、制动方式及张紧装置的安装位置确 定后，张紧装置的特性就取决于其自身的性能。 1.5 张紧装置现状及发展趋势 我国煤矿带式输送机目前使用的张紧装置有两个特点： （1）输送带在驱动滚筒奔离点的张力值随时间、运行工况任意变化， 例如螺栓拉紧装置和绞车拉紧装置。 （2）保持输送带具有恒定张力值，例如重锤拉紧装置。 由于输送带在起动过程的非稳定运动状态下，输送带除了受静张力作 用外，还受到由于速度变化引起的附加动张力作用，为了保证输送带在驱 动滚筒上不滑动，而且在整个工作过程中受力最合理，要求它在起动与稳 定运行时具有不同的张力，而在稳定运行中保持张力恒定。但目前的煤矿 带式输送机张紧装置不能满足这些要求。 综上所述，按常规方式设计的各种张紧装置，其动态调节很难达到最 佳张紧效果。主要问题在于设计都是在静态特性的基础上，通过对起动、 运行各阶段不同张力的要求进行设计，未能考虑负载动态变化对胶带张力 的影响，因此产生调节的不合理性。在输送带张力过度时，输送带过张紧， 应力疲劳加大，容易出现皮带拉断故障;在输送带张力不足时，导致皮带打 滑及断带、着火故障，而且还容易出现皮带横向振动过大、功率消耗过大 等一系列问题。针对 DY 系列和其他常规张紧装置存在的问题，基于输送 机驱动电机电流与负载间呈现对应比例关系的考虑，现在有研究人员提出 了一种基于电机电流输入控制的力反馈动态张紧装置的设计方案。其基本 原理是:通过识别驱动电机的电流变化来间接识别输送带上载荷量的变化， 以电机电流为闭环回路的控制信号，通过电流与负载的对应关系计算出理 论张紧力的值，然后与力传感器所测的实际张紧力的值进行比较，从而适 应负载的动态变化。 本次设计是以液压控制为基础，通过压力传感器及时监控液压缸的张 紧状态，根据情况改变张紧力的大小，形成的自动保压功能从而使输送带 的保持相对恒定的张紧力，可以任意调节输送机启动和稳定运行时的张紧 力，完全可以满足启动时的张紧力比稳定运行时的张紧力大 1.41.5 倍的 要求。并且大大改善皮带的工作条件，提高皮带的寿命。 12 同时也设置蓄能器提高系统张力的稳定性。在输送机启动过程中，构 成输送带动张紧力的弹性波有入射波、反射波和透射波三种。由于入射波 与反射波的作用，输送带在传动滚筒奔离点的力忽大忽小，成不稳定状态， 输送带承受着冲击载荷。为此在张紧装置的液压系统中设置若干个蓄能器， 来抵消入射波与反射波对奔离点张紧力的影响。而且可以补偿缸体的油液 的泄露。实现恒张力控制。 本次设计还利用了滑轮组与张紧小车，增大了张紧行程，液压缸仅需 很小行程实现启动时较大力的张紧。 。但由于在胶合接头和安装过程中都要 求输送带有一定的松弛量，如用油缸直接张紧小车，则油缸行程太长。 1. 绞车 2. 弹性装置 3. 机尾小车架 4. 尾架滑道 图 1-7 机尾绞车式弹性拉紧装置 考虑到电流的变化可以直接反应输送带上载荷量的变化，利用驱动滚 筒电机电流作为反馈信号，然后根据输送带上载荷量的变化直接调节输送 带所需的张紧力，这样可以从根本上克服传统设计中出现的问题，使输送 带处于张紧和松弛的交替状态中，延长了输送带的使用寿命，满足输送带 不打滑、下垂度不超限的条件，保持带式输送机正常运行所需的最小张紧 力，实现动态张紧，可以达到最佳的动态张紧效果，此张紧装置还可以与 正在研究的输送机的动力学设计相匹配，适应输送机目前的发展形势。 13 2 主要设计参数及方案确定 2.1 主要设计要求 由于输送带在起动过程的非稳定运动状态下，输送带除了受静张力作 用外，还受到由于速度变化引起的附加动张力作用，为了保证输送带在驱 动滚筒上不滑动，而且在整个工作过程中受力最合理，要求它在起动与稳 定运行时具有不同的张力，而在稳定运行中保持张力恒定。本次设计选定 符合下列条件的张紧装置的参数为： （1）最大张紧力 100KN； （2）最大张紧行程 10m； 2.2 方案确定 通过上一章中对现行张紧装置的基本组成与工作的概述，已经基本对 张紧装置的现存基本问题的有所了解与对比。下面进一步通过将传统张紧 装置与我所要设计的机液张紧装置的工作原理的对比，从而确定我所设计 的思路方案。 2.2.1 参考方案一参考方案一 （1） 方案原理图见图 2-1： 14 图 2-1 重锤张紧装置 1.滑轨 2.张紧装置框架 3.滚筒安装平台 4.滚筒滑槽 5.限位挡块 6.制动偏心轮 7.销轴 8.装运连杆 9.吊架 10.传动连杆 11.缓冲器 12.胶带 13.轴承支座 14.张紧改向滚筒 15.配 重 （2）工作原理 如上图所示，此种重锤式张紧装置主要由张紧装置框架、张紧改向滚 筒、弹簧缓冲器、偏心制动轮等部件组成。张紧装置框架本身包含一个能 供滚筒上下滑动的滚筒滑槽，并在安装滚筒的钢结构上平面装有两个弹簧 缓冲器，配重块重量不直接作用在滚筒轴上。偏心制动轮通过传动连杆与 张紧滚筒的钢结构平台连接。胶带主要通过张紧改向滚筒来实现胶带张紧。 张紧力的大小取决于配重块的重量、张紧装置框架重量以及滚筒的重量， 根据胶带重载时的所需驱动力来选择。 2.2.2 参考方案二参考方案二 （1）方案原理图见图 2-2： 15 图 2-2 张紧装置原理 1慢速绞车 2张紧小车 3输送带 4手动换向阀 5张紧油缸 6单向阀 7电 磁换向阀 8油泵 9油箱 10，11溢流阀 J压力继电器 （2）工作原理 当司机合上开关后，电控箱开始工作。首先启动油泵 8，压力油经过手 动换向阀 4 及单向阀 6 进入油缸，拉动张紧小车 2；然后启动慢速绞车，直 接拉动张紧小车 2。当达到输送机启动时所需的张紧力时，电动箱的压力继 电器控制输送机启动。溢流阀 10 控制胶带的最大张紧力。正常运行阶段张 紧力由压力继电器 J1，J2 和溢流阀调整。溢流阀 10 的调定压力比溢流阀 11 的调定压力高。通过这种控制就可以保证输送胶带的自动张紧，张紧力 减小时，溢流阀 11 关闭，油泵向油缸补液，油缸拉动张紧小车提高张紧力； 张紧力超出整定范围时，溢流阀 11 打开进行回油，油缸带动张紧小车减小 张紧力。启动与正常运行这两个阶段由测速装置进行控制，将速度信号转 换为开关信号，由电磁阀 7 进行切换。 2.2.3 参考方案三参考方案三 (1) 液压系统原理图见图 2-3： 16 图 2-3 液压原理图 1粗过滤器 2柱塞泵 3精过滤器 4单项阀 5、11溢流阀 6三位四通电磁换向阀 7液控单向阀 8二位四通电磁换向阀 9、10、12压力继电器 14液压缸 15截至阀 (2) 工作原理 1) 启动和张紧 如图 2-3 所示，皮带输送机启动前张紧装置先启动，使三位四通电磁换 向阀得电处于左位，此时液压泵的工作压力由溢流阀 5 调定，其压力由启 动工况所需的较大张力决定，一般启动时的张紧力比正常运行时大 1.41.5 倍。张紧装置启动时，压力油经三位四通阀 6 的左位，液控单向阀 7 进入 张紧油缸的有杆腔（此时二位四通阀 8 处于左位，本设计中二位四通阀的 B、T 油口不打通） 。当张紧油缸的工作压力达到额定值的 1.5 倍时，溢流阀 5 开始溢流。这时接在进油路上的压力继电器 12 发出信号，皮带输送机开 17 始启动。待启动一两分钟后，外部给信号使二位四通阀 8 打到右位，此时 系统的工作压力由溢流阀 11 调定，转为正常工作压力。 2) 保压（维持张力恒定） 当系统压力达到额定工作压力的 1.2 倍时，压力继电器 9 发出信号，使 三位四通阀 6 回中位，泵卸荷停转。液控单向阀 7 将张紧油缸有杆腔的油 路封闭，由蓄能器 13 向其供油，弥补泄漏，维持张力基本不变。当由于泄 漏、货载减少、输送带松弛等原因使张力降低到额定值的 09 倍时，压力 继电器 10 发出信号，泵重新启动，三位四通阀 6 打到左位，继续向系统供 液，使系统压力升至 1.1P。 3) 反向移动 当由于转移、维修等原因需要放松输送带时，可使三位四通阀 6 打到 右位，泵提供的压力油经该阀的右位进入张紧油缸无杆腔，并同时打开液 控单向阀 7，张紧油缸有杆腔的油液经液控单向阀 7，三位四通阀 4 的右位 回油箱，活塞杆伸出，放松输送带。 2.2.4 方案对比方案对比 图2-4 设计总图 上面提出的三个方案各有特点，现表述如下。 方案一的优点是，结构和原理都比较简单，就是利用物体自身的重力， 来拉紧皮带 ，需要多大的张紧力，只要给它坠上同等重量的物体即可，它 的制造也比较方便。但是，它的缺点也是比较明显的，其中最重要的缺点 就是张紧力不能调节，皮带的张紧力只能固定在皮带机起动需要的最大数 值上，即使以后不需要如此大的力，也不容易调节；它的另一个缺点是， 体积比较庞大，占用地方大。 方案二的优点是，它是靠油缸来张紧皮带的，需要多大的张紧力，只 要选用对应大小的液压缸，即可达到规定的要求，结构设计比较紧凑。由 于它是采用压力继电器来控制系统，所以它容易实现自动化，这一点对产 18 品的推广非常有利。它的缺点就是，对于张紧力不能达到实时控制，不容 易实现张紧力的点动控制。 方案三的优点有：张紧力可以根据带式输送机的需要调节，实现起动 张紧力为正常运行张紧力 1.2 -1.5 倍的要求；响应快；结构紧凑，安装空 间小；比较以上几个方案后，在此选择第三个方案进行设计。因为它具有 前面方案所没有的优点，代表着张紧装置未来发展的方向。 2.3 确定系统主要参数 2.3.1 主要设计参数主要设计参数 图 2-5 滑轮布置图 根据上面液压张紧装置的张紧行程、最大张紧力，以及张紧装置是通 过两根钢丝绳绕过滑轮与液压钢的耳环连接等已知条件（如图 2-5） ，可以 知道液压缸的主要设计参数： 液压缸负载作用力 F=100KN 因为活塞行程系列分为三个阶段，其中最大行程为 4 米，根据液压 传动手册 ，活塞行程参数的依据从第一系列，第二系列，第三系列中选用， 当活塞行程4m 时，按照 GB/T321优先数和优先数系中 R10 数系选用 如不能满足时允许按 R40 选用。为此，我选定的液压缸行程为 3200mm。 液压缸行程 S=3200mm 2.3.2 液压缸的主要参数液压缸的主要参数 （1）液压缸工作压力的确定 液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同用途的液压 设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时，可用类 比法来确定。查机械设计手册第四卷液压传动部分相关数据，确定液压缸 的工作压力为 20Mpa。 19 （2）液压缸内径和活塞杆外径的确定 计算液压缸内径 D= =125mm *1415626 . 3 *2 p Fn 95 . 0 *10*20*1415926 . 3 10*100 *2 6 3 其中 Fn-液压缸载荷；液压缸效率；圆整 D 的标准值选 125mm 计算活塞杆外径 选取的速比43 . 1 按=1.43 1 2 v v 22 2 dD D 经计算得 d=90mm 计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和要否设置缓冲装置。速比不宜过 大或过小，以免产生过大的背压或者活塞杆太细，稳定性不好。 验算张紧力 验算油缸的最大回程张紧力， FH= 4 )(*14159 . 3 22 pdD =62 4 95 . 0 *10*20*)09 . 0 125 . 0 (*14159 . 3 322 小于 100KN 不符合最大张紧力的要求。 油缸的内径需要增大油缸内径取 D=140mm 由于速比43. 1 按=1.43 22 2 dD D 计算得 d=100mm 验算张紧力是否符合要求 FH= 4 )(*14159 . 3 22 pdD 4 95 . 0 *10*20*)1 . 022 . 0 (*14159 . 3 322 =155 大于 100KN 符合最大张紧力的要求。 20 （3）液压缸壁厚 关于液压缸壁厚可以按照下式计算： 2 max*DP =122Mpa 5 b 5 610 =13.2mm 2 max*DP 106*2 140*20 考虑到缸筒的外径公差余量，缸筒的壁厚定为 15mm （4）壁厚验算 a) 额定工作压力 Pn 额定工作压力 Pn应低于一定极限值，一保证工作安全： Mpa 22 1 2 1 () 0.35 s n DD P D 缸筒材料的屈服强度；缸筒的外径。 s 1 D Mpa52.1416 . 0 01 . 0 16 . 0 36035 . 0 22 n p 14.52 MPa 42.4 MPa ，满足要求。 b） 发生塑性变形的压力 同时额定工作压力也应与返券塑性变形压力有一定的比例范围，以避 免塑性变形的发生： ；(0.35 0.42)P nrl P 缸筒发生塑性变形的压力，MPa。Prl 1 2.3 rls D PLg D 缸筒材料的屈服强度； s 缸筒的外径；缸筒的内径。 1 DD MPa35.77 1 , 0 16 . 0 3603 . 2Lgprl MPa，满足要求。94.3035.774 . 04 . 0 rln pp c） 缸筒的爆裂压力 Pr 21 最后，还应验算缸筒的爆裂压力 D D Lgp br 1 3 . 2 1 . 0 16 . 0 6103 . 2Lg =131 MPa 满足要求。 （5）缸筒底部厚度确定 缸底底部为平面时，其厚度可以按照四周嵌住的圆盘强度公式进行近似 的计算： m 2 0.433 p P D D2计算厚度外直径。 P缸内最大工作压力，MPa。 缸底材料的需用应力，这里选用 45#钢。 p 带入数据得： mm 6 . 18 122 25 095 . 0 433 . 0 1 设计中壁厚取 63mm。 （6）活塞与活塞杆联接处外半卡环的宽度及厚度的校核 半环截面上的切应力： 25000000 0.075 50110 44 0.015 pD MPaMPa l （7）前缸盖与缸筒联接处内半卡环的宽度及厚度的校核 MpaMpa l pD 11067 015 . 0 4 16 . 0 25000000 4 半环截面上的挤压应力： MpaMpa hDh pD c 183156 )008 . 0 16 . 0 2(008 . 0 16 . 0 25000000 )2( 22 2.3.3 液压缸的类型和安装形式液压缸的类型和安装形式 液压缸分为单作用液压缸、双作用液压缸和组合式液压缸三种形式。 单作用液压缸又分为单作用活塞液压缸、单作用伸缩液压缸和单作用柱塞 液压缸；双作用液压缸分为双作用无缓冲式液压缸、不可调单向缓冲式、 22 不可调双向缓冲式液压缸、可调单向缓冲式、可调双向缓冲式、双活塞杆 液压缸和双作用伸缩液压缸；组合液压缸分为单联式、多工位式和双向式。 这里选择单作用活塞式液压缸。 液压缸的常用安装形式有耳环型、脚架型、法兰型和耳轴型安装，这 里选择耳轴型安装。 通用型液压缸结构比较简单，零部件标准化、通用化程度较高，制造 和安装都比较方便。因此，用途比较广泛，使用于各种液压系统。它一般 有拉杆型、焊接型和法兰型液压缸。其中焊接型液压缸的外形尺寸较小， 暴露在外面的零件少，能承受一定的冲击负载和恶劣的外界环境。但受到 前端盖与缸筒连接强度的限制，缸的内径不能太大，额定压力不能太高。 通常额定压力小于 25MPa，缸筒内径小于 320mm，活塞杆和缸筒的加工条 件许可时允许最大行程达到 15mm，多用于车辆、船舶和矿山等机械。拉杆 型液压缸的端盖有圆形和方形两种.一般来说，方形端盖用四根拉杆，圆形 端盖用 6 根拉杆，缸筒是用内径经过精加工的高精度冷拔无缝钢管，按需 要的长度切割而成的.前后端盖和活塞等零件均为通用件.因此，拉杆型液压 缸制造成本较低，适用于批量生产.焊接型液压缸的缸筒与后端盖采用焊接 连接，与前端盖的连接方式有螺纹连接，卡环连接和钢丝挡圈连接等多种 连接方式.法兰型液压缸的缸筒与前端盖和后端盖均采用法兰连接.法兰与缸 筒有整体结构式，也有采用焊接和螺纹等方式的法兰型液压缸的缸筒内径 通常大于 100mm，外形尺寸大，额定压力高，能承受较大的冲击负载和恶 劣的外界环境条件，属重型液压缸，多用于重型机械，冶金机械等.法兰型 液压缸的通常额定压力小于 35MPa，缸筒内径小于 320m，允许最大行程 10m。 这次设计的液压缸，是用于牵引皮带前后运动，活塞杆的行程为 3.2m，牵引力为 100KN，结合以上的介绍可以选择单作用活塞式液压缸， 液压缸的安装选择销轴型，液压缸的连接方式前端盖采用卡环式连接，后 端盖采用焊接的方式. 2.4 活塞杆 活塞杆的端部结构形式选择外螺纹，结构简图如图 2-6 23 图 2-6 结构简图 （1）活塞杆结构 活塞杆有实心杆和空心杆两种，见下图。空心活塞杆的一端，要留出 焊接和热处理时用的通气孔 d2。 选择其中的实心活塞杆结构。 （2）活塞杆材料 实心活塞杆材料为 35、45 钢；空心活塞杆材料为 35、45 无缝钢管。 本设计选择 45 钢作为活塞杆材料。 （3）活塞杆的技术要求 1)活塞杆的热处理：粗加工后调质到硬度为 229285HB，必要时，再经 高频淬火，硬度达 4555HRC。 2)活塞杆 d 和 d1的圆度公差值，按 9、10 或 11 级精度选取。 选取 10 级精度。 图 2-7 活塞杆 a)实心活塞杆 b)空心活塞杆 3)活塞杆 d 的圆柱度公差值，应按 8 级精度选取。 4)活塞杆 d 对 d1的径向跳动公差值，应为 0.01mm。 24 5)端面 T 的垂直度公差值，则应按 7 级精度选取。 6)活塞杆上的螺纹，一般应按 6 级精度加工；如载荷较小，机械振动也较 小时，允许按 7 级或 8 级精度制造。这里选择按 6 级精度加工。 7)活塞杆上若有联接销孔时，该孔径按 H11 级加工。该孔轴线与活塞杆 轴线的垂直公差值，按 6 级精度选取。 8)活塞杆上下工作表面的粗糙度为 Ra0.63m，必要时，可以镀铬，镀层 厚度约为 0.05mm，镀后抛光。 2.4.12.4.1 活塞杆的计算活塞杆的计算 活塞杆在稳定工况下，如果只受轴向推力或拉力，可以近似的用直杆 承受拉压载荷的简单计算公式进行计算： Map 6 2 10 4 p F d F活塞杆的作用力，N； d活塞杆的直径，m； 材料的许用应力，Map.无缝钢管=100110Map p p p 46.17 9014159 . 3 4111000 2 满足要求。 活塞杆一般都设有螺纹、退刀槽等结构，这些部位往往是活塞杆上的 危险截面，也要进行计算。活塞杆两端的螺纹 M72 处是危险截面，危险截 面处的合成应力应满足： Map 2 2 2 1.8 np F d F2活塞杆的拉力，N。 d2危险截面处的直径，m. 材料的许用应力，对中碳钢（调质），=400Map。 p p Mpa 4 . 182 09 . 0 1000008 . 1 2 n 满足要求。 2.4.22.4.2 活塞杆的导向套、密封和防尘活塞杆的导向套、密封和防尘 活塞杆导向套在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内 25 装有密封装置以保证缸筒有杆侧的密封。外侧装有防尘圈，以防止活塞杆 在后退时把杂质、灰尘和水分带到密封装置处，损坏密封装置。当导向套 采用非耐磨材料时，其内圈还可装设导向环，用作活塞杆的导向。导向套 的结构采用轴套式。 导向套的材料采用摩擦系数小、耐磨性好的青铜材料制作。导向套长 度的确定：通常采用两段导向段，每段宽度为 d/3，两段中线距离 为 2d/3。 受力分析：分析导向套的受力情况。本次设计的液压缸受力主要为拉 力，与活塞杆轴线重合，所以外力作用在活塞上的力矩主要为由安装形式 决定的重力产生的力矩。即导向套受到的支撑压应力非常小。远远小于材 料的许用压应力，可以不进行验算。所以设计时满足结构及运动要求即可。 导向长度的确定：导向长度过短，将使液压缸因配合间隙引起的初始 挠度增大，影响液压缸的工作性能和稳定性，因此，设计必须保证缸有一 定的最小导向长度，一般缸的最小导向长度应满足： 即 202 SD HmmmH97 2 160 20 3400 导向套滑动面的长度 A，在缸径小于 80mm 时，取 A=（0.61.0）D 当缸径大于 80mm 时，取 A=（0.61.0）d 本次设计液压缸缸径为 90mm。大于 80mm。所以代入第二个公式，即 A=（0.61.0）d。选择 A=0.8 d=0.890=72mm。 加工要求： 导向套外圆与端盖内孔的配合多为 H8/f7，内孔与活塞杆外圆的配合多 为 H9/f9。外圆与内孔的同轴度公差不大于 0.03mm，圆度和圆柱度公差不 大于直径公差之半，内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽，以保证良好的 润滑。 （1）活塞结构型式： 选用组合活塞。组合式活塞结构多样，主要受密封型式决定。组合式 活塞大多数可以多次拆装，密封件使用寿命长。随着耐磨的导向环的大量 使用，多数密封圈与导向环联合使用，大大降低了活塞的加工成本。 26 1 活塞杆 2 活塞 3 套筒 4 弹性挡圈 5 外半卡环 图 2-8 活塞联接图 （2）活塞与活塞杆的连接： 选用卡环式，用锁紧机构防止工作时由于往复运动而松开。同时采用 静密封。如图 2-8。 （3）活塞的密封： 采用车氏组合密封角形滑环式。 （4）活塞尺寸与加工公差： 活塞宽度取值为活塞外径的 0.8 倍。活塞外径的配合采用 f9，外径对内 孔的同轴度公差不大于 0.02mm，端面与轴线的垂直度公差不大于 0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度不大于外径公差之半，表面粗糙度 （5）活塞的材料 液压缸活塞常用的材料为耐磨铸铁、灰铸铁(HT300、HT350)、钢(有的 在外径上套有尼龙 66、尼龙 1010 或夹布酚醛塑料的耐磨环)及铝合金等。 选择 45 作为液压缸活塞的材料。 2.5 密封圈、防尘圈的选用 （1）圆形密封圈的特点: 圆形密封圈是一种横断面形状为圆形的耐油橡胶形，是液压设备中使 用得最多，最广泛的一种密封件，可用于静密封和动密封。为减少或避免 运动时圆形圈发生扭曲和变形，用于动密封的圆形圈的断面直径较用于静 密封的断面直径大。一般用于动密封的圆形圈也可以用于静密封。与其它 27 的密封圈相比，圆形圈具有以下优点： 1)密封性能好，用量少，单圈即可对两个方向起密封作用; 2)密封部位结构简单、占用空间小、拆装方便; 3)对油液、压力和温度的适应性好; 4)动摩擦阻力较小，既可做动密封，又可做静密封使用.其缺点是在作动 密封时，启动摩擦阻力较大，使用寿命短。 2.5.12.5.1 耳轴的安装耳轴的安装 液压缸为耳轴的主要安装尺寸 (mm)： 如下图表所示 图 2-9 耳轴结构图 销 轴 结 构 尺 寸 20MPa直径 D TDTL 1408070 1、缸体上耳轴的校核 液压缸缸体上设计有两个直径为 80mm，长为 70mm 的耳轴，耳轴主要 受挤压力和剪切力作用。由下式 3.13 校核耳轴所受的挤压应力： （2.1 ） / bsbsbs FA F耳轴所受的挤压力，N； Abs挤压面积； 28 许用挤压应力，这里选用 45 钢，=183Map bs 1.5 bsp 将数据代人 2.1 式得： 3 470 10 98 28040 bsbs 由 2.2 式校核耳轴所受的剪切应力： （2.2） / s FA Fs剪切力，N； A剪切面积； 许用剪切应力，Map。 0.9110 p 将数据代人式 2.2 得： 3 2 47010 83 280 4 耳轴经挤压、剪切校核满足要求。 2.5.22.5.2 液压缸支架设计液压缸支架设计 液压缸支架采用厚为 20mm 的 45 钢制成，底部由 6 个直径是 30mm 的 地脚螺栓固定。由下式 2.5.3 校核地脚螺栓： (2.3) 2 1 1.3 / 4 F d 螺栓的许用拉应力，查表得MPa； /190/1.1172 s S 螺栓所受的总拉力，N。F 1 0 12 c FFF cc 螺栓预紧力，N； 0 F 0 0.6 s FA 螺纹材料的屈服点，这里选用性能等级是 3.6 级的地脚螺栓屈服极限 s 是 190 MPa； A螺栓公称应力截面积。 29 N 2 0 30 0.6 19080541 4 F F螺栓工作力，N； 470000 39000 2 6 F 螺栓的响度刚度系数，取 0.2. 1 12 c cc 将数据代人式 2.3 得 2 1.3 88341 160 30 / 4 Map 地脚螺栓满足要求 3 确定液压泵及配套电机 3.1 液压泵的选用 液压泵作为液压系统的动力元件，讲原动机（电动机、柴油机等）输 入的机械能（转矩 T 和角速度 w）转换为压力能（压力 P 和流量 q）输出， 为执行元件提供压力油。液压泵性能的好坏直接影响到液压系统的工作性 能和可靠性，在液压传动中占有极其重要的地位。 3.1.13.1.1 液压泵的分类液压泵的分类 液压泵是利用封闭容积的大小变化来工作的。泵内的封闭油腔分为吸 油腔和压油腔，当泵轴旋转时，吸油腔的容积增大形成局部真空，油箱中 的液体介质在大气压的作用下进入吸油腔，压油腔的容积减小，容腔内的 液体介质背挤压排出。根据构件不同，液压泵分为齿轮式，螺杆式，叶片 式和柱塞式。 一般定义液压泵每转一转理论上可排出的液体体积为泵的理论排量。 理论排量取决于液压泵的结构尺寸，与其工作压力无关。按理论排量是否 可变，液压泵又分为定量型和变量型两种。 液压泵按进、出口的方向是否可变分为单向泵和双向泵。 3.1.23.1.2 选用液压泵的原则和根据选用液压泵的原则和根据 （1）是否要求变量，要求变量选用变量泵，其中单作用叶片泵的工