皮带机液压自动张紧装置结构

皮带机液压自动张紧装置结构和液压系统设计 摘摘 要：要：设计一种用于带式输送机的液压自动张紧装置，分析了其他张紧 装置的优缺点的同时，认为此种液压自动张紧装置具有工作较平稳、对空间要 求低、性能可靠等优点，是一种较先进、较完善、适合于大型带式输送机的张 紧装置。根据要求，本文分三部分（张紧装置的总体结构设计、张紧装置的液 压系统设计与计算、张紧油缸的设计与计算）对此种液压自动张紧装置进行了 分析；同时，利用绘图软件 Auto CAD2004 绘制了结构布置图、系统原理图、零 件图及装配图等。 关键词：关键词：皮带机；自动张紧装置；液压系统；张紧液压缸；慢速绞车 第 1 章 概 述 1.1 带式输送机简述 带式输送机，又称胶带输送机，现场俗称“皮带” 。它是冶金、电力和化工 等工矿企业常见的连续动作式运输设备之一，尤其在煤炭工业中，使用更为广 泛。在煤矿上，带式输送机主要用于采区顺槽、采区上（下）山、主要运输平 巷及斜井，较常用于地面生产和选煤厂中。 1.1.1 带式输送机的工作原理带式输送机的工作原理 带式输送机的结构示意图如图 1-1 所示，输送带绕经驱动滚筒和机尾换 向滚筒形成无机闭合带。上下两股输送带是由安装在机架上的托辊支承着。 拉紧装置的作用是给输送带正常运转所需要的张紧力。工作时，驱动滚筒通过 它与输送带之间的摩擦力驱动输送带运行。货载装载输送带上并与其一起运行。 带式输送机一般是利用上分支输送带输送货载的，并且在端部卸载。利用专门 的卸载装置也可在中间卸载。 1.1.2 带式输送机的构成及特点带式输送机的构成及特点 1带式输送机的构成 带式输送机主要由输送带、驱动装置、托辊及支架、拉紧装置、制动装置、 储带装置和清扫装置组成。 如图 1-2 为 SSJ 系列可伸缩带式输送机； 如图 1-3 为 带式输送机的局部图 如图 1-4 为 TD75 型通用固定带式输送机。 2带式输送机特点 带式输送机铺设倾角一般为 16 18，一般向上运输取较大值，向下运 输取较小值。带式输送机能力大、调度组织简单、维护方便，因而运营费低。 此外，结构简单、运行平稳可靠、运行阻力小、耗电量低、容易实现自动化也 是它的特点。 1.2 带式输送机张紧装置简述 输送带最初是由传送带发展而来的，随着输送机的用途不断扩大和科学技术 的发展,输送带为了满足输送机的要求,品种不断扩大，但所有的输送机在运行 一段时间后都有可能使输送带变长、变形等,输送带的变长由弹性伸长和永久伸 长组成。所以，需要采用拉紧装置来克服由于输送带变长而带来的缺陷。带式 输送机张紧装置又称为“带式输送机拉紧装置” ，是矿用带式输送机不可缺少的 重要组成部分,它直接关系到带式输送机的安全运行及使用寿命等。 1.2.1 带式输送机张紧装置的作用和类型带式输送机张紧装置的作用和类型 为了保证输送机能够正常运转，张紧装置是必不可少的装置之一。张紧装置 有四个主要作用： （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，以带动输送机正常运转。 （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垂度， 保证带式输送机的正常运行，不致因输送带松弛而导致打滑、跑偏等现象。 （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，张紧力是变化的，必 须经常调节拉紧滚筒的位置，才能保证带式输送机的正常运行。 （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，拉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拉紧装置重新接头 来解决问题。 现有张紧装置大致有六种，分别是：重锤车式张紧装置、螺旋式张紧装置、 垂直式张紧装置、钢绳绞车式张紧装置、电控式自动张紧装置和液压式自动张 紧装置。 1.2.2 现有带式输送机张紧装置的原理及特点现有带式输送机张紧装置的原理及特点 1重锤车式张紧装置 如图 1-4 所示，机尾换向滚筒固定在小车上，垂直悬吊的重锤和小 车相连，由于重锤的重量可以为一定值，所以皮带的张力、拉紧力恒定， 同时重锤靠自重张紧，能自动补偿皮带的伸长；但其需要的空间大，占地面积 大，往往受空间限制而无法使用，宜于使用在固定式长距离运输机上。 图图 1-5 重锤车式张紧装置重锤车式张紧装置 1.滚筒；2.移动小车；3.重锤 2螺旋式张紧装置 如图 1-5 所示，拉紧滚筒的轴承座安装在活动架上，活动架可以在导轨上 滑动，旋转螺旋杆使活动架上的螺母和活动架一起前进和后退，达到张紧和放 松的目的。其结构简单，但行程太小，只适用于短距离的运输机上，且当皮带 自行伸长时，不能自动张紧。 图图 1-6 螺旋式张紧装置螺旋式张紧装置 图图 1-7 垂直式张紧装垂直式张紧装 置置 3垂直式张紧装置 如图 1-6 所示，其装置是利用重锤的重力拉紧，其特点同“重锤车式张紧 装置” 。 4钢绳绞车式张紧装置 如图 1-7 所示，这种张紧装置是利用小型绞车张紧。绞车一般用蜗轮蜗杆 减速器带动卷筒来缠绕钢绳从而张紧皮带。这种张紧装置的优点是体积小、拉 力大，所以被广泛运用到井下带式运输机中，但其不能自行张紧。 图图 1-8 钢绳绞车式张紧装置钢绳绞车式张紧装置 5电控自动张紧装置 自动张紧装置不仅能根据主动滚筒的牵引力来自动调节拉紧力，而且还能 补偿皮带的伸长。如图 1-8 所示，是电控自动张紧装置的一种，此张紧装置只 能保持张紧力恒定，相当于重锤式拉紧装置，不能根据及其工况随时改变张紧 力。 图图 1-9 电控自动张紧装置电控自动张紧装置 1.控制箱；2.永久磁铁；3.控制杆；4.弹簧；5.缓冲器；6.电动机；7.减速器； 8.链传动；9.传动齿轮；10.滚筒；11.钢丝绳；12.拉紧滚筒及活动小车； 13.皮带 电动机起动后，经过弹性连轴节带动蜗轮减速器，再经过传动装置 （链传动）带动下面的滚筒，下面的滚筒通过传动比为 11 的齿轮带动上 面的滚筒，两个滚筒旋转方向相反，这样通过钢绳可以移动小车，使皮 1112 带存储或放出。从而使皮带张紧或放松。 13 控制杆的一端通过钢绳绕过两个定滑轮组后与动滑轮相连，另一端连有 两根弹簧，通过调节弹簧可以做到满足所需要的拉力。在钢绳拉力和弹簧拉 力的共同作用下，控制杆处于中间位置。当胶带张紧力小于调节好的数值时， 弹簧对控制杆的作用力大于钢绳对控制杆的作用力，原被拉伸的弹簧缩回，带 动控制杆向右偏斜。装在控制杆上的磁铁接通安装在控制箱中的张紧继电 器，开动绞车使皮带拉紧，钢绳对控制杆的张紧力逐渐增加，弹簧又逐渐伸长。 当皮带的张紧力恢复到调节好的数值时，控制杆回到中间位置。这时永久磁铁 离开张紧继电器，继电器断开，绞车停止转动，从而张紧过程结束。反之，当 胶带张紧力大于调节好的数值时，可以开动绞车反转，以放松皮带。缓冲器 的作用是使张力的震荡受到阻尼作用。此装置中张紧力的调节可以通过调节弹 簧实现。 另一种自动张紧装置是在驱动回程段使胶带保持一个恒定的张力，它是通 过测力计与拉紧装置的控制系统一起工作的，在启动时能传感胶带张力的变化， 从而使拉紧绞车缠卷或松弛，以保持合适的皮带张力的。 1.2.3 带式输送机液压张紧装置带式输送机液压张紧装置 1、SZYL 型胶带自控液压拉紧装置（网上相关资料） 概述 胶带自控液压拉紧装置是根据我国煤矿特点，吸收世界发达国家的先进技 术，根据胶带在起动和正常运转两种状态下拉紧力的不同需要，确定合理的胶 带张力模型而设计的，该机特点是：（1）起动时拉紧力和正常运行时拉紧力可 根据胶带输送机张力的需要任意调节（调节范围根据所选型号见表） 。完全可以 达到起动时拉紧力比正常运行时大 1.41.5 倍的要求，一旦调定后，按预定程 序自动工作，保证胶带在理想状态下工作。 （2）响应快，胶带输送机起动时， 胶带松边突然松驰伸长，该机能立刻缩回油缸，及时补偿胶带的伸长，对紧边 冲击小，从而使起动时平稳可靠。避免断带事故的发生。 （3）具有断带时自动 停止带式输送机和打滑时自动增高拉紧力等保护功能。 （4）结构紧凑，安装空 间小。 （5）可与集控装置连接，实现对该机的远距离集中控制，还可实现微机 控制。 本套设备为全液压式，不仅结构紧凑、重量轻，而且操作简单，是胶带拉 紧的理想设备，不仅适合煤矿，而且可与其它行业的胶带运输机配套。 胶带自控液压装置于 1992 年通过部级鉴定，现已形成十大系列，并已在全 面推广应用。 该设备的平面布置参考如图所示。它由液压泵站、拉紧油缸、蓄能站、隔 爆兼本安控制箱及附件五大部分组成。拉紧油缸通过动滑轮，钢线绳与拉紧小 车相连。根据动滑轮的个数和钢丝绳的缠绕方式，有三种安装方式用户可根据 实际情况，对照表 13 选取。液压泵站、蓄能站、隔爆兼本安控制箱，安放时， 要求安放地点与煤水不相遇。 平面布置参考图 1、拉紧油缸；2、蓄能站；3、液压泵站；4、隔爆兼本安控制箱 2、 型号说明 示例：SZYL01610 表示拉紧小车的最大行程为 6M，拉紧小车的最大公称拉力 100KN（10T）的自控 胶带液压拉紧装置，第一种安装方式（对应图 1） 。 、安装和调试 在工作前须检查安装位置是否正确合理，皮带电机需处于停止状态以免产 生错误工作，液压是否符合要求，在接通电源后开启启动按钮，油泵电机带动 油泵工作，开启修整按钮调整溢流阀 3，使系统压力达到启动压力即正常运行 工作压力的 1.5 倍拨下 10，调整溢流阀 17，使系统压力达正常工作压力减 2Mpa，并调整压力继电器 16 使之达到同一数值上动作，继续调整溢流阀 17， 使系统压力达到正常工作。压力加 0.5Mpa，并固定于此，再调整压力继电器 14，使之达同一数值上动作，分别按动前进按钮，后退按钮油缸前进后退应很 自如，这时按动修整结束，皮带电机可进入工作状态 K5K6 的这时时间出厂时 已调好分别为 13 秒和 12 秒范围内，如无特殊情况用户不必再调，调节 G 信号运算放大器可控制打滑余量。 如果停电需要调整可按动手控阀和手动泵即可达到调整目的。 注：电器原理图和液压系统原理图详见全自动液压拉紧安装、使用、维 修说明书。 、使用条件及维护说明 1、使用条件 本系列产品分普通型和隔爆型两种，适用于井上、井下进行各种水平，上 运、下运、带式输送机工作场合，特别对于需要较长拉紧行程，较大拉紧力的 带式输送机，其经济效益更佳，井上井下温度适用范围-20-60左右。 2、维护说明 （1）设备的工作环境应尽量保持清洁，避免淋水直接落到设备上； （2）各元件的工作状态，对各高压管接头及阀体的密封件一般一年更换一次； （3）测压仪器、仪表每年校对标定一次； （4）液压油每年更换一次，油必须过滤，油中应无水，加油口必须密封；冬季 采用 30 号液压油，夏季采用 20 号液压油，每半年对油箱进行保养一次，用煤 油冲洗管道、油路集成块、滤油器和油箱底部； （5）由于生产或其它方面的需要，输送机的运量和其它工况发生变化时，拉紧 装置各种信号元件，应做相应的调整。 4、 液压式自动张紧装置的设计 液压式自动张紧装置由很多形式，其最终目的就是不仅能根据主动滚筒的 牵引力来自动调节拉紧力，而且还能补偿皮带的伸长以及在输送机皮带调整时 能方便操作等。 本“设计”设计的液压式自动张紧装置采用了液压缸和绞车结合的方式， 一定程度上满足了上述目的，定为生产实际带来很大效益。 2. 液压式自动张紧装置的特点 液压式自动拉紧装置，与电力、气压传动相比，具有以下特点： （1）液压传动装置能在运行过程中进行无级调速，调速范围大。 （2）在同样功率下，体积小、质量轻、惯性小、结构紧凑，能传递较大的 力和转矩。 （3）工作较平稳、反应快、冲击小、可高速启动、制动和换向、换制动较 简单，操作较方便、省力、易实现自动化。 （4）易于实现过载保护，可以自行润滑，因此使用寿命较长。 （5）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。 （6）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 用。 （7）因功率损失等原因所产生的热量可以由流动着的油液带走，因此避免 了局部温升现象。 由于其液压缸的行程及油压所限，只适用于中长距离的带式输送机，可与 输送机驱动电动机电器控制联网。 通过上文的分析，结合他们的优点，下面将分三部分对液压式自动张紧装 置的结构布置、液压式自动张紧装置的液压系统、液压缸等进行设计、计算。 第 2 章 皮带运输机液压自动张紧装置的总体结构 2.1 皮带运输机张紧装置的总体结构的确定 2. .1. .1 总体结构各部件的确定总体结构各部件的确定 通过对整个张紧装置的作用以及应满足的要求的分析和选择，确定装置应 具有的部件如下。 1.执行部件的选择 由前文可知张紧装置在其工作中的作用如下： （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，以带动输送机正常运转。 （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垂度， 保证带式输送机的正常运行，不致因输送带松弛而导致打滑、跑偏等现象。 （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，张紧力是变化的，必 须经常调节拉紧滚筒的位置，才能保证带式输送机的正常运行。 （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，拉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拉紧装置重新接头 来解决问题。 可见，拉紧装置应具有自动调节拉紧力、响应快、体积小、控制简单、等 特点。 根据设计要求，液压自动拉紧装置的执行元件可选择工程液压缸结合调度 绞车的形式，以满足皮带机在正常工作、断带调整、重新街头以及位置转移时 对拉紧装置的不同要求。 2.控制部件的选择 （1）皮带运输机在煤矿生产中大多用在井下和地上选煤厂，在井下使用时 应保证其工作过程中不产生电火花，所以张紧装置应有防爆控制箱。 （2）拉紧装置正常工作时，可采用泵断续的供油，利用蓄能器实现油缸的 自动拉紧和特殊情况下启保护作用，以此减少消耗，降低能耗。 （3）在皮带运输机尾部拉紧小车的轨道上设置行程开关，来控制液压拉紧 系统快速动作，以防在断带时拉紧小车的快速后退和油缸中某一腔的液压急剧 变化而造成很大的冲击对系统带来巨大的破坏。 3.动力及其他部件的选择 （1）设置液压泵站，为系统提供动力。 （2）设置固定绳座，选择系统所用的纲绳以及其他附属元件。 2. .1. .2 连接各部件并绘制系统结构布置简图连接各部件并绘制系统结构布置简图 1. 拉紧装置总体组成及其作用 由上文分析、选择可知，拉紧装置总体有以下几部分组成： （1）油缸，正常工作时的执行元件。 （2）慢速调度绞车，在皮带机断带调整、重新接头时工作。 （3）防爆控制箱，皮带机在井下工作时起隔离、防爆作用。 （4）液压泵站，提供压力油、提供系统动力。 （5）蓄能器，在液压泵间隔空转时为系统提供动力，并在特殊情况下其保 护作用。 （6）行程开关，起断带保护的作用。 （7）其他部件，为系统起固定、连接、传动等作用。 2.系统结构布置简简图 如图 3-1 所示，为系统总体系统结构布置简图 图图 2-12-1 皮带机液压自动拉紧装置系统结构布置简图皮带机液压自动拉紧装置系统结构布置简图 1.皮带；2.拉紧小车；3.小车轨道；4.纲绳；5.滑轮组；6.行程开关；7.液 压泵站；8.固定绳座；9.防爆控制箱；10.拉紧油缸；11.蓄能器；12.慢速调度 绞车 系统结构布置图说明： （1）拉紧油缸的中线位置、滑轮组、纲绳的布置位于同一水平面内。 （2）防爆控制箱、液压泵站为无地基放置件，可根据使用场合的不同 9 7 灵活放置。 （3）最上方和最下方的纲绳之间的水平距离应尽量大，具体尺寸见工程图。 第 3 章 张装置的液压系统设计 设计参数和拉紧装置应该满足要求分析设计参数和拉紧装置应该满足要求分析 1.设计参数： （1）张紧力：F = 60150 KN； （2）张紧速度：V = 2 m/min，快退速度为：V = 4 m/min； （3）张紧行程：s =1000 mm。 2.设计要求分析： 结合生产实际，考虑多方面原因得出以下拉紧装置应满足的要求： （1）如图 3-1 所示，实现油缸的张紧、松开以及特殊时期的动作。 ； （2）张紧系统能随皮带张力的大小的变化而动作，实现皮带的张紧力在一 范围内保持不变，这里取皮带的张力F张的范围为： 0.951.05FFF 张张张 （3）能满足在特殊情况下对系统的保护，如：断带时的断带保护、过载 时的过载保护等； （4）由于启动时的需要的压力很大，应保证系统启动时的工作压力值为正 常工作时的 1.41.5 倍，满足油缸能正常启动而不至于产生皮带打 滑等不良现象，同时要保证系统运行平稳，冲击较小。 图图 3-13-1 油缸布置位置及连接油路图油缸布置位置及连接油路图 1.皮带；2.拉紧小车；3.小车轨道；4.纲绳；5.滑轮组；6.行程开关； 7. 固定绳座；8. 拉紧油缸 3.1 液压系统的设计 3. .1. .1 工况分析并确定液压缸参数工况分析并确定液压缸参数 1.负载分析初步确定各工况的负载和速度 液压缸负载主要包括：张紧力、摩擦阻力、惯性阻力、重力、密封阻力和 背压阻力等。 （1）张紧力：根据油缸、纲绳的连接的形式可知： F张=60：150/2=30：75 同时应考虑油缸启动时的压力应为实际工作压力的 1.41.5 倍，所以油缸 的F张在启动时应为：42105 KN （2）摩擦阻力： 由于液压缸的摩擦阻力相对于张紧力很小，故可忽略不计。 （3）惯性阻力、重力： 由于液压缸水平布置，且其工作时运动量很小，不属于快速往复运动型， 故惯性阻力、重力可不以考虑。 （4）密封阻力和背压阻力： 将密封阻力考虑在液压缸的机械效率中去，取液压缸的机械效率为 0.9 背压阻力是液压缸回油路上的阻力，初算时可不考虑，其数值在系统确定 后才能定下来。 由上面计算可得表 1-1 液压缸各工况负载计算 表表 1-11-1 进给液压缸负载计算进给液压缸负载计算 工 况计 算 公 式液 压 缸 的 负 载（KN） 启 动 阶 段F启F实F启 min=42/0.9=46 F启 max=105/0.9=116.7 张 紧 阶 段F工=F张F工 min=30/0.9=33.33 F张 max=75/0.9=83.3 由于液压缸的工况阶段在张紧阶段，且其快退时的速度的范围没有限制， 所以在设计过程中主要考虑张紧阶段以及启动阶段。这里液压缸的负载图、速 度图也不再列出。 2.初步确定液压缸参数 （1）液压缸的内径和活塞杆的内径 由 F启 max= 116.7（KN） 、F工 max=83.3，由表 93、94、9-5 取P工= 12 Mpa，为防止启动产生冲击,液压缸回油腔应有背 压,设背压为 0.6Mp。为保证稳定的低速进给，用液压缸的有杆腔作为工作进给 时的工作腔，则液压缸的直径D为： cmm PP F D88.111188 . 0 109 . 03 . 01214 . 3 1167004 2/ 4 6 21 工 国标 GB 2348-80,可取 D = 12.5cm 同时，由 P工= 12Mpa 9.51 Mpa，故可取活塞杆直径 d 为： 0.700.70 12.58.75cmdD 查表得，取标准值 d= 9cm 根据已取得缸径和活塞杆的直径，计算液压缸的实际有效面积，无杆腔面 积 A1和有杆腔面积 A2分别为：A1=122.66cm2, A2=59.07cm2 验算液压缸能否获得最小的稳定速度，如果验算后不能获得最小稳定速度 时，还要相应加大液压缸直径，直至满足稳定速度为止，其计算方法如下： 2 min min 70 35cm 2 Q A V 稳 式中：A稳能保证最小稳定速度的最小有效面积； Qmin调速阀最小稳定流量；从手册中查得Q= 25L/min，流量阀 Qmin= 70cm3/min； Vmin执行机构最小速度。 根据上面计算，由于液压缸有效面积A1A稳，所以能满足最小稳定速度的 要求。 （3）计算进给液压缸各运动阶段的压力、流量和功率 通过估计，工作时背压 P背=8105Pa，快退时背压力 P背= 6105Pa，同时 根据上面计算出的液压缸的直径及活塞杆的直径等，计算出液压缸各运动阶段 的压力、流量和功率，如下表 1-2。 表表 1-21-2 液压缸的压力、流量和功率计算液压缸的压力、流量和功率计算 工况负载 F(KN) 回油腔压 力 P2（Mp） 进油腔压 力 P1(Mp) 输入油量 Q(L/min) 输入功率 N(Kw) 计算公式 启动阶 段 46116. 7 P2=P17.2318 .35 变化值变化值P1F/(A1-A2) Q=(A1-A2)*V N=P1*Q 张紧阶33.383P2=0.66.881511.81.353.P1=(F+A1*P2)/A2 段.3.3502Q=A2*V1 N=P1*Q 快速后 退 1.1P2=0.51.22491P1=(F+A1*P2)/A2 Q=A1*V N=P1*Q 3. .1. .2 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图 1.选择液压基本回路 根据工况分析，由于启动时的张紧力是正常工作时的 1.41.5 倍，所以应 设置高压溢流阀 19，高压溢流阀的溢流压力为正常工作压力 的 1.41.5 倍，同时设置二位两通电磁阀 18 控制正常工作时的系统压力；启 动时，二位两通电磁阀 18 处右位断开，此时系统压力由 19 控制，启动结束后， 18 处左位接通，此后系统压力由 17 控制。 （2）选择蓄能供能回路和过载保护回路（如图 3-3） 设置蓄能器 11 可在一定时间内保持系统压力动态并衡，同时其采用压力 继电器 12 及二位二通电磁阀 13 可起到断带保护的作用。图示压力油流动方向 为启动后压力油流动方向，此时，蓄能器蓄能。启动阶段，由于系统压力较高， 此时二位二通电磁阀 10 应断开，启动完毕后接通。 图 3-3 蓄能、供能、断带保护回路 图 3-4 过载和快退保护回路 （3）选择断带保护回路（如图 3-3） 实际工作中，当意外事情（如突然断带等）发生时，会对液压缸产生很大 冲击，此时若对系统不加以保护，定会造成严重的损失。为防止类似事情发生， 在小车轨道上设置行程开关 9，断带时，小车快速右移，触动行程开关，行程 开关通过控制二位二通电磁换向阀 13，使 YA 得电，左位工作，油液压力下降， 通过二位二通电磁换向阀 13 流回油箱，从而保护系统。 （4）过载保护回路（如图 3-4） 实际工作过程中，若皮带机突然过载，即油缸有杆腔压力突然增大，此时 可以通过设置压力溢流阀，设置溢流阀压力为某一定值，当油缸中的压力达到 此值时即通过溢流阀 8 卸荷，活塞杆左移，过载消除液压缸恢复原位，保持皮 带拉压力在一个很小范围内变化。同理，油缸有杆腔压力突然增大时（皮带轻 载） ，活塞杆右移拉紧皮带。 2.液压回路的组合及其动作原理 根据以上选择的液压回路，考虑各个回路及元件之间的先后动作组合成符 合设计要求的液压系统并绘出液压系统图（如图 3-5） 。 其基本动作原理简要如下： （1）启动阶段：启动系统，泵 2 开始工作，同时二位二通电磁阀 18 和二 位二通电磁阀 10 联动 2YA、5YA 动作并延时（设定延时时间为系统压力达到电 磁溢流阀 19 设定值为止，此时间可通过试验得到，观测压力表 6） ，二位二通 电磁阀 18 处右位、二位二通电磁阀 10 处上位，从而系统压力由电磁溢流阀 19 控制；油液通过两三位四通电磁阀 3、调速阀 15、液控单向阀 14、进入液压缸 有杆腔，油液压力达到一定值后，活塞、活塞杆带动滑轮组以及拉紧小车右移， 进而拉紧皮带，液压缸无杆腔油液经二位三通电磁阀 5、经二位四电磁阀 3 回 油箱。 （2）张紧阶段：二位二通电磁阀 18 和二位二通电磁阀 10 联动，2YA、5YA 延时结束后失电，二位二通电磁阀 18 处左位、二位二通电磁阀 10 处下位，此 时系统压力由电液比例溢流阀 17 控制；油液继续进入液压缸有杆腔的同时经二 位二通电磁阀 10 进入蓄能器 11，蓄能器 11 蓄能；到蓄能器的压力达到一定值 （系统工作时的压力值） ，电磁压力继电器 12 动作控制电磁溢流阀 19 的二位二 通阀的 1YA， ，使电磁溢流阀 19 的二位二通阀接通，油液从泵源直接回油箱， 泵空转（停止工作） 。 （3）保压阶段：由蓄能器为液压缸补充由于油液损失而造成的压力不足等， 以维持液压缸的正常的工作压力；由于油液损失的继续，以至蓄能器的补充也 难以维持时（系统压力小于规定值时） ，电磁继电器 12 动作，控制控制电磁溢 流阀 19 的二位二通阀的 1YA，1YA 失电，使使电磁溢流阀 19 的二位二通阀断开， 油液从新向液压缸有杆腔、蓄能器供油；到蓄能器的压力达到一定值（系统工 作时的压力值） ，电磁继电器 12 动作控制电磁溢流阀 19 的二位二通阀的 1YA， ，使电磁溢流阀 19 的二位二通阀接通，油液从泵源直接回油箱，泵空转 （停止工作），这样系统反复此过程，保证液压缸工作的正常压力。 （4）快退阶段：系统要停止工作时，控制二位四电磁阀 3，3YA 得电，油 液通过二位三通电磁阀 13 进入液压缸无杆腔，有杠腔油液通过液控单向阀 14 和调速阀 15 回油箱，同时蓄能器 11 也卸荷。当液压缸碰到障碍物或压油回路 堵塞（液控单向阀坏了）油液可通过溢流阀 7 回油箱，从而保护系统。 （5）实际工作中，当意外事情（如突然断带等）发生时，会对液压缸产 生很大冲击，此时若对系统不加以保护，定会造成严重的损失。为防止类似事 情发生，在小车轨道上设置行程开关，断带时，小车快速右移，触动行程开关， 行程开关通过控制二位二通电磁换向阀 13，使 YA 得电，左位工作，油液压力 下降，通过二位二通电磁换向阀 13 流回油箱，从而保护系统。 （6）反馈控制系统（图3-7） 定期对皮带运输机进行拉力测试，得到的拉力值可输入到信号接收器16， 进而将得到的拉力值同电磁比例溢流阀17的设定值比较、分析，得到两值之差 并反馈给电磁比例溢流阀17，使其重新设定其压力值，从而保证皮带运输机、 拉紧系统的可靠性。 图 3-7 反馈控制系统的基本组成 图中：u 输入信号（指令），它决定于系统外部的变化； r 参考输入，比例于输入信号并与主反馈信号进行比较，为固 定值； b 主反馈信号，它是被控量的函数，并与 r 进行比较以产生偏 差信号； 偏差信号，参考输入与主反馈之差； c 输出信号（被控量信号），系统中变化规律需要检测和加以 控制的信号，这里指的是皮带运输机的皮带的松紧程度(拉力)。 f 干扰信号，除输入信号外对系统产生影响的因素。 注*这里的对象指皮带运输机（皮带），执行元件指液压缸。 （7）实际工作过程中，若皮带机突然过载，即油缸有杆腔压力突然增大， 此时可以通过设置压力溢流阀，设置溢流阀压力为某一定值，当油缸中的压力 达到此值时即通过单向阀 9 经溢流阀 7 卸荷，活塞杆左移，过载消除液压缸恢 复原位，保持皮带拉压力在一个很小范围内变化。同理，油缸有杆腔压力突然 增大时（皮带轻载） ，活塞杆右移拉紧皮带。 图3-5 液压缸布置及液压系统图 1.滤油器；2.液压泵；3.两位四通电磁阀；4. 背压阀；5.两位三通阀； 6. 压力表；7、8. 溢流阀； 9.行程开关；10、13、18.两位两位电磁阀；11蓄 能器.；12.压力继电器；.14. 液控单向阀调速阀；15.调速阀； 16.信号接收 器； 17.电液比例溢流阀； 19.电磁溢流阀 3.2 液压元件的选择 3.2.1 液压泵的计算与选择 1.确定泵的工作压力Pp 野鸭泵在启动、张紧和快退各工况都向系统供油，由表 1-2 可知，最大工 作压力为：P118.35Mpa，在出口节流调速中，由于此油路简单，故取进油路 压力损失P10.5Mpa。则泵的最高工作压力为： Pp=P1+P=18.35+0.5=18.85Mp 2.确定液压泵流量 液压泵流量应考虑液压缸最大工作流量和回路的泄漏，常取回路泄漏系数 K1.11.4，如取K1.1，则液压泵工作流量Q泵为： Q泵=K*Qmax=1.149=53.9L/min 3.选择液压泵的规格和型号 据Pp、Q泵值，查阅机械设计手册表 20521 选择，可选型号为：T6 ，额定流量：10214L/min，取 54L/min,额定压力：24.528Mpa ，额定转速： 6001800r/min 3.2.2 驱动电机的计算和选择 1.由表 1-2 可知，液压缸的最大输出功率在张紧阶段，此时的 P115.35Mpa，Q泵=11.8L/min，液压缸的总效率取： 泵0.9，则 电机驱动功率N电为： kw QP N77 . 2 8 . 010 1060 8 .11 1035.15826 . 0 10 3 3 6 3 泵 泵泵 电 其中P max/PN=21.6/24.528=0.8820.77 2.选择电机的规格和型号 考虑需要的功率和电机的使用要求（井下使用要考虑防爆）及其安装和泵 的连接形式等，由机械零件设计手册表 193 查得，选择 YB 系列隔爆型异 步电动机，型号为 YB132S-6 的电机，PN为 3kw，满载转速为 960r/min。 3.2.33.2.3 液压元件的选择液压元件的选择 根据所拟定的液压系统图，计算通过各个元件的最大流量和最高工作压力， 选择液压元件的规格。 选好的元件规格表如表 1-3。 表 1-3 元件规格表 规 格 序 号 名 称型 号 压力/Mpa 流量 /Lmin-1 最大使用流量 / Lmin-1 1滤油器ZU-H6310S31.56349 2液压泵T624.5-285454 3两位四通电磁阀4WE62031.510049 4背压阀FBF3-20B31.55049 5二位三通电磁阀3WE61031.55049 6压力表AF6EA30/Y2525 7溢流阀Y2Hd20F31.55049 8溢流阀Y2HD20F31.55049 9行程开关 10二位二通电磁阀2WE62031.510049 11蓄能器NXQ1/2-L10/31.5 12压力继电器HED2OA20/2031.5 13二位二通电磁阀2WE62031.510030 14液控单向阀AF3-Eb20B2145 15调速阀MSA10EF4931.560049 16信号接收器 17电液比例溢流阀DAW20A-30-31.531.55049 18二位二通电磁阀2WE62031.510030 19 电磁溢流 阀 3.2.43.2.4 油管的计算与选择油管的计算与选择 1、吸油管道 Q泵54L/min, 通过流量 1m/s，则吸油管内径为： 3 44 54 10 0.03838 1 60 Q dmm v 根据机械设计手册表 2082，取公称通径 d=40mm,外径 50mm 2、压油管道 Q11.8L/min, 通过流量 3.5m/s，则压油管内径为： 公式同上，d=9.6mm, 根据机械设计手册表 2082，取公称通径 d=10mm,外径 18mm 3、回油管道 Q49L/min, 通过流量 2.5m/s，则回油管内径为： 公式同上，d=20mm, 根据机械设计手册表 2082，取公称通径 d=20mm,外径 28mm 以上三种管皆为无缝钢管。 3.2.53.2.5 蓄能器、油箱的选择蓄能器、油箱的选择 1.蓄能器的工作容积的确定 根据蓄能器在系统中起保压、补充漏油和辅助动力源,蓄能器的容积为： 20 0 21 /0.950.95 1.181.18 0.95 1/0.1 1 1.05 PP VV PP 11. 2L V 是供液容积，V1/4*V有 P2是供油压力，P20.95 P0 P1是充油压力，P11.05 P0 P0是充气压力 考虑到蓄能器的功用，容积尽量取大一些，能使系统的稳定供油时间更长些。 由机械设计手册查表取型号为 NXQ1/2-L10/*、公称容积为 10L，压力为 31.5Mpa 的蓄能器，考虑到蓄能器的主要作用是长时间保压，使用时采取两个 并联使用。蓄能器安装在便于检查和维修的位置，并远离热源。皮囊式蓄能器 应油口向下，充气阀朝上竖直安放。蓄能器与液压泵之间应装设单向阀。各蓄 能器应牢固地固定在支架上，并固定在地基上，预防蓄能器从固定部位脱开而 发生飞起伤人事故。 2.油箱容积的确定 油箱的有效容量与系统的流速有关，根据以上数据可知，油箱的功能主要 是储油和散热，由于工作时主要由蓄能器提供油液，系统散发地热量少，所以 系取=2，则： V=254108L 根据油箱容积规格，由机械设计手册查表 2019（JB/T7938-1993） 工作容量 100L，工作容积同时为满足工作要求，应选封闭式油箱。 为了相同地容量下取得最大的散热面积，油箱外形以立方体或长六面体为 宜，油箱的顶盖要安放泵和电机，阀的集成装置有时也安放在箱盖上，最高油 面只允许达到油箱高度的 80，油箱一般用钢板焊接而成。 3.33.3 液压系统主要性能的验算、绘制系统原理图液压系统主要性能的验算、绘制系统原理图 液压系统性能的验算包括压力损失验算、系统温升验算等，但其都应根据 系统的结构、管路的长度及布置等进行，由于系统以及整个装置的整体布置未 定，这里省略。 根据设计绘制系统工作原理图，见附图。 第 4 章 液压缸的设计与计算 液压缸是液压系统中的执行元件，是液压系统中的核心部件，不同类型的 液压缸组成零部件也不同，但其大致由缸体、活塞、活塞杆、缸底、缓冲装置、 排气装置、支承座以及导向、密封、防尘装置等组成。根据设计的液压缸的使 用要求不同可选择设计各零部件。 4.1 液压缸的类型、安装形式的选择和 主要技术参数的确定 4.1.1 液压缸的类型的确定 1.液压缸的类型 根据设计要求，且为中高压系统，根据不同类型液压缸所满足的工况情况 的不同，可选择“双作用单杆直线液压缸” ，根据机械设计手册选择焊接型 液压缸，因为这类液压缸暴露在外面得零件较少，外表光洁，外形尺寸小，能 承受一定的冲击负载和恶劣的外界环境条件。但由于前端盖螺纹强度和预紧时 端盖对操作的限制，因而不能用于过大的缸的内径和较高的工作压力，缸的内 径常用于 D200mm,额定压力 P25Mp。其示意图和符号如图 4-1。 液压缸示意图 符号图 图图 4-1 液压缸示意图和符号图液压缸示意图和符号图 2.液压缸的安装形式 根据前面所作分析，以及液压缸所要满足的要求，可设计液压缸的安装为法兰 固定底座形式，如图 4-2 所示，液压缸轴线水平，缸体固定。图 4-3 位液压缸 径向安装示意图。 图图 4-24-2 液压缸安装结构示意图液压缸安装结构示意图 1.安装法兰；2.刚体 图图 4-34-3 液压缸径向底座安装示意图液压缸径向底座安装示意图 4.1.2 液压缸重要技术性能参数的计算 液压缸的主要技术参数参考第三章。 1.工作负载 液压缸张紧阶段的工作负载： KNFF75302/150602/张 液压缸启动阶段的工作负载： KNF 7 . 1169 . 0/105max 2.流量 11.8 49 /minQL 3.运动速度 2 4/minvm 4.行程长度：有设计要求知，L1000mm 5.最小导向长度：见 4.2.4。 4.24.2 液压缸各组件的设计液压缸各组件的设计 4.2.1 缸筒的设计与计算 缸筒是液压缸的主要零件，它与端盖、缸底、油口等零件构成密封的容腔， 用以容纳压力油，同时它是活塞的运动“轨道” 。 1.缸筒的技术参数选择（如图 4-4 ） （1）缸体的材料：采用 35 钢，并应调质到 241285HB； 图 4-4 缸筒图 （2）技术要求： 缸体采用 H9 配合。表面粗糙并 Ra 为 0.10.4m，当活塞用活塞环密 封时，Ra 为 0.20.4m；缸体内径 D 的圆度、圆锥度、圆柱度公差不大于 内径公差之半选取； 缸体端面 T 的垂直度公差值可按 7 级精度选取； 当缸体与缸头采用螺纹联接时，螺纹应取为 6 级精度的米制螺纹； 为了防止腐蚀和提高寿命，缸体内应镀以厚度为 3040m 的铬层，镀 后进行珩磨或抛光 （3）安全系数：查表取安全系数：n3，查表得 35 号钢的材料的抗拉强 度 b530Mpa，则：材料的许用应力： 530 =176.67Mpa 3 b n 2.缸筒的尺寸参数选择 （1）缸筒内径的确定 由前面计算得到：缸筒内径d125 （2）缸筒壁厚的计算 按薄壁筒计算， mmm ALPy 07 . 8 00807 . 0 3 530 2 12525 . 1 35.18 2 式中： Py试验压力，Mpa.工作压力P 16Mpa 时，Py = 1.5P；P16Mpa 时，Py = 1.25P； AL液压缸的内径； 材料的许用应力，Mpa b n b缸体材料的抗拉强度，Mpa，35 号钢为b 530Mpa； n 材料的安全系数，取 n3。 查手册取工程液压缸的外径的标准值，为 146mm，即缸筒壁厚为 10.5mm， 8.0710.5 满足要求。由于缸筒壁厚由强度公式计算而来，所以缸体壁厚 无需校核。 3.缸体的结构设计与连接强度计算 缸筒的两端分别和缸盖和缸底相连，构成密闭的压力腔，因而它的机构形 式和缸盖及缸底密切相关。缸筒是液压缸的主体，其余零件装配其上，它的结 构形式对加工和装配有很大影响，因此其结构应尽量便于装配、拆卸和维修。 （1）本着上面观点，为便于液压缸安装特在缸筒的外壁焊接一法兰，以 便于安装，其大小尺寸可根据具体安装尺寸而定，具体尺寸见装配图。如图 4-5 所示： 图 4-5 环套焊接图 焊接强度的计算：根据机械零件设计手册焊接强度要满足 mma aal F 30 . 0 105306 . 0 46 . 0 2 105000 2 6 max N max F =d=3.140.1460.46 ml =0.6=0.6 6 530 10 即一般焊接即可满足要求。 （2）结构形式 鉴于此液压缸用于皮带运输机拉紧装置中，主要为矿上所用，且缸内径 D200，额定压力PN25Mpa，所以采用缸筒和缸底及端盖的连接方式为： 缸筒和缸底采用焊接，缸筒和端盖采用内卡环连接。这样，液压缸的零件较少 的暴露在外面，外形尺寸相对较小，能满足环境恶劣时的使用要求。 （3）连接强度计算 焊接强度的计算（如图 4-6） Mpa DD P 74 . 3 7 . 0 5 . 12 6 . 14 4 14 . 3 7 . 116 4 22 2 2 2 1 式中：P 液压缸的最大压力（N） ； D1 缸筒的外径（m） ； D 缸筒内径（m） ； 焊接效率，一般取 =0.7。 显然，b/n ，满足条件； b 缸体材料的抗拉强度，n材料的安 全系数。 卡环连接强度计算（如图 4-6） 卡环 aa 截面上的剪应力为： Mpa L PD 347 . 0 10 5 . 104 1012510 7 . 116 4 3 33 图 4-5 缸底焊接及尺寸图 图 4-6 端盖内卡环连接图 1.缸壁；2.缸底 1.缸体；2.卡环；3.轴套；4.端盖；5.挡 圈； 卡环 ab 侧面的挤压应力为： Mpa hDh PD 73 . 0 5 .101252105 .10 10125107 .116 2 6 2 332 由上可知，显然满足强度要求。 缸筒危险截面（AA）的拉应力为： Mpa hDD PD 78 . 1 10 5 . 1012510146 1012510 7 . 116 6 2 2 3 33 2 2 1 2 式中：P 液压缸的最大出力 N； D1 缸筒外径 m； D 缸筒内径 m； h 卡环厚度 m，取h(缸壁厚度)； L 卡环宽度 m，取hL。 由上可知，显然满足强度要求。 4.2.2 活塞杆的设计与计算 1.活塞杆尺寸的确定 （1）由前文计算可知，以确定活塞杆直径为d90。 （2）活塞杆具体长度的确定（结合图 4-11） 2.活塞杆形式和材料及技术要求 取活塞杆的形式为：实心活塞杆，材料为 45 钢。 活塞杆得技术要求： （1）活塞杆的热处理：粗加工后调质到硬度为 229285HB；淬火处理， 淬火深度 0.51 （2）活塞杆 d 和 d1的圆度公差值，按 8、9 或 10 级精度选取； （3）活塞杆 d 的圆柱度公差值，按 8 级精度选取； （4）活塞杆 d 对 d1的径向跳动公差值，为 0.01mm； （5）端面 T 的垂直度公差值，按 7 级精度选取； （6）活塞杆上有联接销孔时，该孔径按 H11