带式输送机自动张紧装置设计毕业论文

PAGE3PAGEiii中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）带式输送机自动张紧装置设计姓名：学号：性别：专业:机械设计及其自动化批次：电子邮箱：联系方式：学习中心：指导教师：带式输送机自动张紧装置设计摘要带式输送机试高强力、大运量、大功率的现代化大型运输设备，在国民经济中发挥着重要作用。带式输送机已成为我国煤矿井下连续运输系统的主要运输设备之一，它不仅具有大落差、连续性、高效性、长距离、大运量的特点，而且实现自动化集中控制广泛应用于煤炭、冶金等多个工作领域。输送机试橡胶和纤维织品两者复合而成的制品，在应用中的重锤张紧装置，在运行一段时间后，重锤会自动下降一段距离使输送带变长发生蠕变，使传送带变长而松弛。带式输送机的张紧装置使输送带不会发生打滑现象。本文通过对带式输送机张紧装置的分析，指出当前张紧装置存在的缺陷，对张紧装置的原理及结构进行了改进设计。设计张紧装置主要由张紧绞车系统、液压系统、电气控制系统等部分组成。由于电流和负载之间存在线性比例关系，根据驱动电流来识别输送带上荷载量，利用电流与力双反馈动态系统，通过检测电流量的变化而控制比例溢流阀的溢流，从而控制系统的压力，使输送带产生相应的张紧力，使胶带的张紧力随捕捉驱动电机电流的变化而变化，时刻使交胶带的张紧处在一个动态控制的过程，保证输送带正常运行的必要张力，防止打滑。关键词：自动张紧装置；带式输送机；动态控制目录第一章绪论 11.1概述 11.2张紧装置的发展状况 21.3研究的意义 3第二章动态分析 42.1动态张紧装置的系统的结构框图机液压系统框图 42.1.1系统结构机工作原理 42.1.2液压系统的结构机工作原理 52.1.3张紧装置的特点及功能 62.2带式输送机张紧力的计算 62.2.1主要参数的确定 62.2.2相关计算 62.3张紧绞车的卷筒设计 72.3.1钢丝绳的选择 72.3.2卷筒及配件尺寸参数设计 8第三章控制系统动态模型建立 103.1功率放大器的传递函数 103.2比例电磁衔铁及先导阀芯等平移组件的传递函数 103.3溢流阀的传递函数 113.3.1先导液阻网络和主阀控腔的传递函数 113.3.2主阀运动及其增益的传递函数 123.3.3主阀进口管路容腔的压缩效应和流量的平衡关系 123.4液压缸的传递函数 133.5负载的传递函数 14第四章控制系统仿真 154.1选择仿真工具 154.2系统的闭环传递函数 154.3系统稳定性分析： 16第五章总结 17致谢 18参考文献 19PAGE19第一章绪论1.1概述带式输送机经过近两个世纪的发展，已从最初的小型运输工具发展成为具有高强力、大运量、大功率的现代化大型运输设备在国民经济发挥着重要的作用。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，可在胶带的任意位置上加料或卸料，具有生产效率高、输送量大、能源消耗少的特点，被广泛的应用于煤炭、冶金、矿山、化工、港口、电站、轻工、建材、粮食等工业领域。二十世纪六十年代末开始，带式输送机进入了另一个新的发展时期，带式输送机技术迅速发展表现在：（1）带式输送机功能多元化、应用范围扩大化，如大倾角带式输送机及空间转弯带式输送机等各种类型；（2）带式输送机的本身的技术向长距离、大运量、高带速的大型带式输送机方向发展，运行控制更加智能化、稳定化、界面化；(3)带式输送机本身关键零部件向高性能、高可靠性方向发展。张紧装置是带式输送的一个基本组成部分，是保证带式输送机正常工作的重要部件。对带式输送机的稳定运行有着至关重要的作用，他的性能的好坏直接影响着带式输送机的整机的工作性能，合理的设计张紧装置就很重要了。在启动、稳定运行、制动过程中输送带会发生蠕变，是输送带变长而松弛。带式输送机的张紧装置使输送带不会发生打滑现象。由此可见，张紧装置是保证带式输送机正常运行的保障，它的主要功能有以下几点：（1）保证带式输送机驱动滚筒分离点的足够张力，防止输送带打滑，从而将驱动装置传递的摩擦牵引力传递给输送带，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的垂度，防止物料垂直跳动对托辊形成冲击而导致电机能量的损失及物料的洒落现象。（3）补偿输送带过度工况时产生的塑性变形，吸收蠕变产生的伸长变化，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）减小启、制动是输送带中出现的动负荷。（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。1.2张紧装置的发展状况张紧装置的性能好坏直接影响带式输送机整体的性能，发展大致经历了三个阶段.第一阶段，固定张紧装置。这个阶段的典型代表是绞车张紧装置，这类张紧输送带从本质上说，其功能仅仅是张紧，当输送带出于各种原因伸长，张紧力下降时，只能通过人的发现后，再次张紧。第二阶段，自动张紧装置。这个阶段的典型代表是自动绞车张紧装置。这类只能实现在稳定阶段的自动张紧，保持输送带在该阶段的张力恒定。由于惯性大、响应速度慢，无法实现起、制动阶段的张力恒定。第三阶段，阶段性的动态自动张紧，这类产品的动态响应快，只能实现起、制动阶段和稳定运行阶段的张力恒定，无法实现整套系统的动态张紧。目前常用的带式输送机张紧装置主要有绞车张紧装置、重锤张紧装置、液压张紧装置。（1）绞车张紧装置可分为自动绞车张紧装置和固定绞车张紧装置两种形式。自动绞车张紧装置是有压力传感器根据带式输送机运行工况的需要自动控制张紧力的大小，由于压力传感器质量不高和机械系统惯性机信号滞后等因素的影响，自动绞车张紧装置有误动作的现象，影响自动绞车张紧装置的使用效果。固定绞车张紧装置是根据所需的张紧力调定后产生固定的张紧力，张紧力不能自动调节，绞车张紧的缺点是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。（2）重锤张紧装置分为重载车式张紧装置和重锤张紧装置。重载车式张紧装置是将重物放在带式输送机的重物张紧车上，利用输送机地脚板的坡度使重物张紧车产生下滑力对输送机产生张紧力。重锤张紧装置是通过钢丝绳悬挂起来的重锤是输送机的张紧车产生张紧力。其特点都是有重物始终产生一个恒定的张紧力，安全可靠性比较高。缺点是张紧力不能调节。（3）液压张紧装置是有液压站产生的压力通过油缸对带式输送机施加张紧力，其特点是可以根据输送机运行工况的需要调节张紧力的大小。由于液压站和油缸始终处于工作状态，当液压系统及控制系统出现故障时，对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。1.3研究的意义常规方式设计的张紧装置的动态张紧装置效果不佳，这类设计的问题在于都只能在静态特性的基础上实现各阶段独立的动态设计，即把整个张紧过程分为四个阶段：起动、运行、制动和停车，在每个阶段中设置固定张力的限定范围，只有在皮带产生张力超出限定范围时，张紧系统进行调整，不能对皮带变化的张力进行及时调整，因此出现了不合理性，有时余量过大，有时余量不足，这样会导致输送带过紧张，应力疲劳，拉断，功率消耗过大等问题，造成巨大的浪费或不安全因素，达不到真正的张紧效果。在论文中提出方案—电流与力双反馈动态张紧装置。根据识别电流来识别输送带上荷载量的原理，即电流和负载信息之间存在正比例关系，采用电流作为闭环回路的反馈信号，直接从皮带输送机电机取得电流信号通过检测电流量变化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比较后来自动调节张紧张力，从而适应负载随时的变化，保证输送机正常运行的必要张力，防止打滑。此种电流反馈自动控制系统不仅可以克服常规设计中张紧力不均的问题，满足整套张紧系统的要求，达到预期效果，还可以与正在研究的输送机的动力学设计匹配，适应输送机目前的发展形势第二章动态分析2.1动态张紧装置的系统的结构框图机液压系统框图图2-1动态张紧装置系统框图2.1.1系统结构机工作原理张紧系统主要由慢速绞车、液压泵站、粘性离合器、矿用隔爆兼本质安全型电控箱及附件五大部分组成。图2-2整套控制系统的原理框图1、螺钉2、减速机3、粘性离合器4、电动机5、机座6、制动器7、卷筒主轴8、绞盘9、卷筒10、卷筒毂11、制动轮12、套筒13、滚动轴承14、主轴支架15、联轴器16、滑轮支架17、滑轮组18、滑轮组1；19滑轮组2工作原理：在正常运行阶段，有电流传感器测得电机的驱动电流I，然后输入电控箱，经过一系列转换计算得出理论上的张紧力F理，于此同时有力传感器测得绞车钢丝绳上的张紧力F测作为反馈信号，比较两值得大小，采用单片机来控制，输出模拟信号控制电液比例溢流阀的电流i，由此来控制液压系统的压力P，即控制油膜离合器的间距h，具体分为三种情况：当F测＞F理时，控制离合器2动作，增加离合器间距h，有绞车装置反转放出钢丝绳，减小钢丝绳上的张紧力与理论值平衡，这样一次一步一步缓慢动作；F测＜F理时，控制离合器1动作，减小离合器1间距h，由绞车装置卷进钢丝绳，绳增加钢丝绳上的张紧力与理论值平衡，这样一次一次缓慢动作，最终达到张紧系统的力动态平衡。2.1.2液压系统的结构机工作原理图2-3液压控制供油系统1、7、9油箱；2、粗滤油器；3、电动机；4、油泵；5精滤油器；6、电磁比例溢流阀；8、单向阀；10、阻尼孔；11、三位四通电磁换向阀；12、13压力表；14传递离合器；15、制动离合器；16、梭阀；17、常闭制动器液压系统的结构和原理：带式输送机工作时，输送带必须张紧处于张紧状态。启动油泵电机3，压力油经过粗、精滤油器2和5、液控单向阀8和三位四通电磁换向阀11进入离合器1内的油缸，有控制箱电液比例溢流阀6的电流，从而控制液压系统工作的压力来推动离合器动作，启动慢速绞车电机，慢速绞车转动，直接由钢丝绳拉动游动张紧小车。输送机起动阶段的张紧力由主控箱提供启动的电流I，送入电磁比例溢流阀6，经过一段时间，主控箱给出允许输送机起启动的信号，稳定运行阶段的张紧力由主控箱根据力和电流传感器反馈的信号来控制制动离合器15、离合器14、梭阀16和常闭制动器17各部件动作，具体的动作情况如上。在输送机运行过程中，输送带的张力随时发生变化，此时比例溢流阀和各离合器和制动器能及时响应动作，可以确保输送机在稳定运行时的张紧力保持平衡，从而实现了伸缩带式输送机输送带的动态张紧。2.1.3张紧装置的特点及功能（1）电流与力双反馈自动控制系统可以克服常规设计中出现的问题，实现张紧装置的动态张紧，且达到最佳的张紧效果；（2）系统响应速度快，稳定性高；（3）可根据输送机工况及对胶带张紧力的不同需求，任意调节张紧力的范围。2.2带式输送机张紧力的计算2.2.1主要参数的确定带式输送机的基本参数是带宽、带速与胶带强度，其它参数由此派生出来。张紧力的计算包括以下内容：（1）确定输送机系统；（2）确定带速、带宽、选定胶带强度；（3）选择滚筒与托辊；（4）阻力计算，张力计算，电动机功率计算等2.2.2相关计算（1）圆周驱动力的计算根据运量、运距与倾角、运向等确定圆周驱动力，公式为其中：C为安全系数、f为模拟摩擦系数、Ln为胶带的长度m、g为重力加速度m/s2、qro承载分支的托辊部分质量Kg、qrv回程托辊部分质量Kg、qB为输送带单位长度质量Kg/m、qG为物料的单位长度质量Kg/m、设备运行向上的倾角、特种主要阻力N、特种附加阻力N计算圆周驱动力时，对于长距离带式输送机（机长大于80m），附加阻力明显小于主要阻力，可引入系数C来考虑阻力，它取决于输送机的长度。采用公式来计算输送机的圆周驱动力。(2)最小张紧力的计算要保证输送机正常运行必须满足两个条件：（1）输送带的张力在任何负载的情况下，作用在全部滚筒的圆周力是通过摩擦传递到的输送带上，而传送带与滚筒间应保证不打滑；（2）作用在输送带上的张力应足够大，是输送带在两组承载托辊间保持垂度小于一定值；a、最小张紧力是保证输送带在运行时不打滑所需保持的最小力，用表示，公式为：式中为为最大圆周动力，清扫器刮板系数=1.35，输送带和滚筒间的摩擦系u=0.35；驱动装置的围角分别为=，，可得可得b、重锤校核为了限制胶带的下垂度，胶带在任意一点的张力应不少于以下两式的计算。垂度校核的目的是为了保证输送机在加速和紧急制动时，输送带不会松弛，以确保机械正常运转，垂度校核又分为承载分支的垂度校核和回承分支的垂度校核。承载分支的垂度校核回承分支的垂度校核式中为托辊间允许的输送带垂度2.3张紧绞车的卷筒设计2.3.1钢丝绳的选择钢丝绳起着连接张紧小车与卷筒的作用，通过钢丝绳在卷筒上的缠绕使得张紧小车移动，达到将输送带张紧的目的。在捻制过程中分为左旋捻制和右旋捻制两种捻制方法。根据用途可分为圆股点接触钢芯钢丝绳、圆股线接触钢芯钢丝绳、圆股点接触钢丝绳、圆股线接触钢丝绳、圆股多层股不扭转钢丝绳、三角股钢丝绳等多种钢丝绳，根据实际环境，选用圆股点接触钢丝绳即可满足要求2.3.2卷筒及配件尺寸参数设计卷筒按钢丝绳的卷绕层数分为单层绕和多层绕卷筒，为了缩小卷筒尺寸，可采用表面带有导向螺旋槽或光面的卷筒，进行多层卷绕，他的缺点是钢丝绳磨损较快，这种卷筒适合于慢速的工作场合。与表面带有导向螺旋槽的卷筒相比，光面卷筒在实际工作中，钢丝绳排列凌乱，互相挤压，使钢丝绳寿命大为降低。目前，多层卷筒大多数制成带有导向螺旋槽型。第一钢丝绳卷绕入卷筒螺旋槽，第二层钢丝绳以相同的螺旋方式卷入内层钢丝绳形式的螺旋沟，钢丝绳的接触情况大为改善，延长了使用寿命。卷筒槽参数的确定卷筒表面带有导向螺纹槽，一般采用标准槽，只有当钢丝绳有脱槽危险时才采用深槽，按照手册卷规定钢丝绳绕进或绕出卷筒时钢丝绳偏离螺旋槽两侧的角度不应大于3.5，对与多层缠绕卷筒，钢丝绳偏离与卷筒轴垂直的平面的角度不应大于。标准深度H=(0.25-0.4)d。标准绳槽节距P=d+（2-4）卷筒长度确认根据公式，参考手册确定卷筒的长度，考虑到钢丝绳在卷筒上的排列可能不均匀，应将卷筒长度增加10%，因卷筒两边要留出一定的距离，来安装卷筒毂等配件。卷筒毂的尺寸设计卷筒毂起着将卷筒与主轴连接起来的作用，主轴通过卷筒毂带动卷筒旋转，达到缠绕钢丝绳的作用，卷筒毂通过螺丝固定在卷筒上内径带有键槽，使得它能在主轴的带动下转动。根据确定的槽底直径D，卷筒毂的尺寸数据库可由手册来确定。由该表可知卷筒毂的直径D，可确定卷筒的内径，也由该表可知该卷筒毂的参考质量M.绞盘的尺寸设计绞盘以防止钢丝绳脱出筒外。绞盘边高应比最外层钢丝绳高出（2-3）d，在张紧绞车设计中，绞盘高度高出卷筒最外层钢丝绳3层，该卷筒设计为缠绕四层钢丝绳，故绞盘应高出卷筒7层钢丝绳的高度。还可根据选用材料根据手册查的其密度，算出其质量M整个卷筒的质量设计整个卷筒的质量为卷筒、卷筒毂及绞盘的质量之和M卷筒强度的校核卷筒所受的载荷主要是缠绕在其上的钢丝绳对卷筒毂所施加的径向压力，在这种载荷作用下使卷筒壳自由段产生压缩应力，为了确保卷筒能够承受钢丝绳所施加的压应力，进行卷筒强度校核是必不可少的环节。因为已知其L、D、可知,采用公式进行强度校核。根据公式可知钢的许用压力=，式中为钢的屈服极限，查询手册对比卷筒许用压力确认其强度满足。第三章控制系统动态模型建立3.1功率放大器的传递函数控制系统的参数以点参考量的形式来体现，功率放大器能使较小微笑的参量放大到功能要求。其传递函数为：方框图如下：图3-1传递函数框图3.2比例电磁衔铁及先导阀芯等平移组件的传递函数现在不仅考虑衔铁组件的质量，而且考虑作用于这些零件上的液压力、干扰的情况，对于电液比例控制元件的先导阀建立普通用的力平衡方程式中：--比例电磁铁在一定电流时的推力--移动部件相应面积上的液压力代数和--先导阀口处的液动力，现在把它当作一项独立的干扰力，其数值很小，实际上可以忽略m--先导级移动部件的质量--与粘性摩擦有关的阻尼系数--等效弹簧刚度弹簧的预压量简化上式写出拉氏变换得：则：而电磁力增量可以考虑为其简化框图：图3-2平移组件的传递函数框图3.3溢流阀的传递函数3.3.1先导液阻网络和主阀控腔的传递函数根据有关表达式：，式中：和式先导阀口的流量增益和流量压力系数。令阀口开口量为y，当增益为图示时，阀口关小，压力增量为正，而减小。因此，增益Kqy、Kqp、Kpy仍采用通用表达式。Gy串联液阻R2、Ry、Rr的等效液导。又；联立解以上几式，可得的表达式：相应框图如下图：图3-3先导阀与主控腔3.3.2主阀运动及其增益的传递函数主阀的输出变量是流体动力参数，直接对液体功率进行控制：主阀的运动方程控制腔及阀口前后压力腔的流量平衡方式：考虑到可以忽略主阀及弹簧平移组件被看作牛顿摩擦系数的二阶段环节。主阀上的稳定液动力增量被分解为两项：和对以上几式进行拉氏变换，简化推导结果可得其方框图如下：图3-4主阀及其增益传递函数框图3.3.3主阀进口管路容腔的压缩效应和流量的平衡关系阀前流量的平衡方程为：因为：所以：其相应方框图：图3-5主阀平衡关系方框图：图3-6比例溢流阀传递函数图3.4液压缸的传递函数微分方程为：考虑到油缸离心力F2对系统产生的影响很小，而F2为高阶微分，所以在求传递函数中，不考虑油缸离心力，则传递函数简化为：对上式进行拉式变化可得：液压缸的传递函数框图为：图3-7液压缸的传递函数框图3.5负载的传递函数减速机的传递函数：其方框图如下：减速器传递函数方框图图3-8减速器传递函数绞车滚筒的传递函数拉氏变换后的方程为：因为：考虑到绞车的张紧速度：0.1m/s，其值很小，可以忽略不计。所以简化结果可得：其方框图为：绞车滚筒的传递函数框图图3-9绞车滚筒的传递函数框图为了更精确地分析系统的动静特性，对电液比例阀、液压缸、绞车及功能放大器等建立数学模型，通过对各部分传递函数的分析，在外界负载作用下的各部件的传递函数的响应稳定情况，建立系统总的传递函数方框图，通过对系统的传递函数的分析，对系统运行稳定性进行了量化界定。给定了系统正常工作的初始条件以及运行中参数的模拟特性，为体统的有效运行建立了科学基础。第四章控制系统仿真4.1选择仿真工具控制系统计算机仿真是应用现代科学手段对控制系统进行科学研究的十分重要的手段之一，通过仿真研究可以对照比较各种控制策略与方案，优化并确定相关参数，特别是对于新控制决策与算法的研究，进行系统仿真更是必不可少的，一般而言，对控制系统进行计算机仿真首先应建立系统模型，然后依据模型编程方程程序，充分利用计算机作为工具对其进行数值求解并将结果加以显示，通常在仿真过程中，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。4.2系统的闭环传递函数当外干扰信号等于零时传递函数框图简化为：图4-1传递函数框图其中：G1=;G2=；G3=G4=；G5=;G6=;A=则外干扰信号为零时的开环传递函数：由于反馈函数：所以闭环函数传递函数：4.3系统稳定性分析：稳定性是去掉扰动后，系统自身的一种恢复能力，对于一个控制系统应满足多种性能指标，但首要的技术要求是系统在全部时间内必须稳定，只有稳