带式输送机模拟加载实验系统的研究

白晓满

（中国平煤神马集团 天成实业分公司，河南　平顶山　467000）

带式输送机模拟加载实验系统的研究

白晓满

（中国平煤神马集团 天成实业分公司，河南平顶山467000）

带式输送机作为高效矿用运输设备在国内煤矿得到广泛应用，为了提高带式输送机的可靠性，文章从启动方面和制动方面分析带式输送机，并研究了其模拟加载实验技术，建立起一套实验系统。文章分析了该系统可以向软启动、软制动提供的研究实验条件，并为软启动和软制动装置在实际应用中的选择，以及先进软启动和软制动技术在带式输送机中的应用提供参考。

软起动；软制动；带式输送机；模拟加载

1　概述

近年来，国内外对大功率带式输送机的传动要求以及驱动设备进行了大量的研究，由于大功率、长距离带式输送机的输送带是弹性体，电机启动，输送带上产生摩擦力，输送带会产生一定的变形，胶带越长、反应时间越短，对输送带的伤害越大，因此，为了提高大功率、长距离带式输送机的设备可靠性，延长其使用寿命，改善受力状况，对于输送机的驱动系统，需要尽量降低对设备的冲击，因此就需要系统可以提供无冲击、可靠平滑的启动与制动力矩。

通过带式输送机的软起动装置与软制动装置来改善带式输送机的受力状况，目前该类装置的种类较多，装置选择的首要问题，主要体现在对软启动装置的可靠性以及软制动装置的安全性和可靠性上。因此有必要建立一套模拟加载实验装置，以实现先进带式输送机进行科学的研究与应用。

2　主要研究内容

根据带式输送机在实际工作状况，对其进行模拟而提出的模拟加载实验系统，由于输送机启动与运转情况下的恒转矩特点，因此在模拟加载技术中，模拟负载也需要尽量为恒转矩。该模拟加载实验系统采用盘式加载装置和交流发电机来实现软启动实验的模拟加载，通过液黏软起动装置来实现软制动实验的模拟加载，笔者对上述装置的加载原理，结合工作过程分别进行介绍说明。

3　软起动实验的模拟加载技术原理

可以通过盘式加载装置、交流发电机加载或者二者结合的复合加载来进行软启动实验。

3.1盘式加载装置

盘式加载装置即为盘式制动器，其加载原理与制动原理相同，在综合实验系统中，可以作为制动器来进行各种软制动的试验，也能够作为模拟加载装置，在软起动实验中供模拟负载。其结构如图1所示。

图1　盘式加载装置

加载盘和加载器是盘式加载装置的主要组成部件，加载器包括碟形弹簧、活塞和闸瓦。在油缸中的油压和碟形弹簧的共同作用下，闸瓦和加载盘之间产生盘式加载装置的摩擦制动力矩，启车时，解除制动，通过高压油管，压力油进入制动器内的活塞腔内，碟形弹簧被压缩，闸瓦与加载盘离开，启动输送机。在需要加载的情况下，根据所需加载转矩，调节比例阀，降低制动油压，经过碟型弹簧的弹力以及油腔中压力油的共同作用，在碟簧压力的推动下，活塞带动闸瓦压向加载盘，并对加载盘产生一定正压力。利用闸瓦与加载盘二者之间的摩擦产生模拟加载的制动力，从而产生加载转矩。该装置相当于带载运行条件下的输送机，完成现场工况的模拟。加载过程中，加载盘受力分析如图2所示。

图2　加载过程受力图

在加载过程中，正压力N为：

N=F2-F1-W（1）

式中：F2：碟簧压力，N；

W：制动器的运行部分的阻力，N。

F1：压力油产生的压力，Pa；

加载力矩与正压力的关系为：

Mz=2nRNf（2）

式中：Mz：加载力矩，Nm；

n：制动器副数；

N：盘式加载装置对加载盘施加的正压力，N；

R：平均摩擦半径。

f：摩擦系数，取0.3-0.4；

将式（2）代入式（1）中，得到加载力矩与制动油压的关系：

Mz=2nRf（F2-pA-W）（3）

根据式（3）可知：

加载转矩Mz与闸瓦副数成正比，因此能够通过增加制动器副数来大幅提高加载转矩的能力，但如果制动器副数过多，控制系统将变得复杂，造成加载盘升温过快，因而制动器副数不宜过多。

加载转矩Mz与平均摩擦半径R成正比，因此经过增大平均摩擦半径，加载转矩也会相应增大，然而摩擦半径的增大必然会导致加载盘的半径增大，导致成本的增加，另一方面加载盘半径的最大值也受到允许的径向尺寸限制。

加载转矩Mz与闸瓦对加载盘的正压力成正比，由于正压力与碟簧压力、压力油产压力以及制动器部分阻力相关，并且对特定的加载装置，碟簧压力与加载器部分阻力是不变的，因此，改变加载力矩可以通过改变油压来实现。

加载力矩Mz与油压P呈线性关系，通过控制油压的变化，就可以控制加载力矩。

3.2交流发电机加载

对于倾角比较大的下运带式输送机，在满负载条件下有可能处于发电状态，因此在带式输送机的尾部设置一台交流发电机，来模拟下运带式输送机发电工况。在交流电动机处于发电状态下模拟负载给输送机。

4　软制动模拟研究

带式输送机由于在制动过程中具有恒定转矩，因此通过加载变化很小或者恒定的负载来模拟软制动实验，而在综合试验系统中，是通过液黏软起动装置来模拟加载量。

通过液体黏性传动来传递液体黏性软起动装置的转矩。液体黏性传动属于流体传动，但与传统的液压传动和液力传动相比，它在概念和工作原理上都有着本质上的不同。液压传动是基于帕斯卡定律，依靠液体的压能传递动力的；而液力传动则基于欧拉方程，根据液体动量矩的变化而传递动力；液体黏性传动则是根据牛顿内摩擦定律，通过油膜的剪切力或者液体的黏性传递动力。其工作原理如图3所示。

图3　流体的内摩擦图

两块平板平行放置，其间充满黏性流体，其中油膜的厚度h，保持下板固定，当上板平行下板并以速度v运动时，板间流体会受到剪切。在速度不高时，流体相邻层间的流动状态可视作相互平行的层流，下板表面流分子此时的速度为零，而黏附在上板表面流分子的速度则为v，两板之间流体速度的变化符合线性规律。此时如果要保持上板的速度恒定为v，则所需的力与板的面积A与速度梯度成正比。

FAτ=（5）

上式中，τ：油膜的剪切应力，N/m2；μ：动力黏度，Pas；v：两板的相对运动速度；h：油膜的厚度，m；A：平均有效面积，m2；F：油膜的剪切力，N。

根据式（4）、式（5）可得：剪切应力τ与流体动力黏度μ以及剪切速度v成正比，而与油膜厚度h成反比。因此为对F实现控制，需要对油膜厚度h进行选择。对于特定黏性的液体，在速度v一定的条件下，F会随着h增大而减小，反之则增大。

设液体黏性传动装置具有圆盘油膜n个，摩擦面的内半径为r1，外半径r2，摩擦片的间隙h，主动轴和从动轴的转速分别为ω1、ω2。当用圆盘油膜进行转矩传递时，圆盘油膜半径r处任一微小圆（面积dA=2πrdr），其切应力τ=μr（ω1-ω2）/ h，剪切力为dF=τdA，传递转矩dM=rdF，则有式（6）：

计算简图如图4所示。

图4　圆盘油膜剪切传递转矩的计算简图

整个液体黏性传动装置所能传递（加载）的转矩：

即：

式中：M：所传递的转矩（Nm）；N：圆盘的油膜数；ω1：主动摩擦片角速度（rad/s）；ω2：从动摩擦片角速度（rad/s）；u：动力黏度（PaS）；r1：圆盘油膜的内半径（m）；r2：圆盘油膜的外半径（m）；h：油膜的厚度（m）；i：传动比，i=ω2/ω1。

根据式（7）可得，摩擦副数与转矩成正比，可利用增加黏液软起动装置传递转矩的能力，但是如果摩擦片数目过多，则会增大液黏软启动装置的轴向尺寸增大，而在液黏软起动实验中，由于最小输出转矩较大，并且最小输出的转速较高，因此会影响实验，因此摩擦片数目不宜太多。传递转矩M与圆盘油膜的外径r2、内径r1的4次方之差成正比，增大r2或者减小r1都会较大改变传递矩。传递转矩M随着油的动力黏度μ的增大而增大，但是μ的增大会增大润滑阻力和控制系统阻力，增加油泵功耗，油温升高过快，因此液压油的动力黏度不宜很高。对于液体黏性传动装置，其传动矩、摩擦片转速以及摩擦片间油膜的厚度之间，存在着耦合关系。力矩M随着摩擦片间隙h的减小而增大，但由于输出转矩增大会导致动摩擦片转速增加，反而又会减小传动转矩。对于特定的液黏软起动装置，其r1、r2、n、μ恒定，当ω1为常数时，加载转矩M的大小与传动比和油膜厚度相关，其关系见式（7）。当油膜厚度h为定值时，传动比i减小，M增大。当传动比为定值时，油膜厚度减小，M增大。因此，可以通过改变油压的大小实现调节油膜厚度h，从而起到调节加载转矩的作用。

5　结语

通过以上对软起动、软制动模拟加载实验装置的研究，文章提出了实验系统的主体方案，介绍了组成及工作原理，为带式输送机软起动和软制动技术提供性能对比以及特性研究，并对软起动与软制动装置在实际应用中的选择提供借鉴。

由于受时间及水平限制，带式输送机模拟加载实验技术还需进一步深入研究完善，并注意以下问题：（1）需通过不断的实验来对关键部件进行详细的分析、研究与改进。（2）对数据采集系统进行引用和开发，使实验数据以及变化趋势在实验过程可实现动态监视及采集。

［1］于岩，李维坚.运输机械设计［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1998.

［2］孙可文.带式输送机传动理论与设计计算［M］.北京：煤炭工业出版社，1991.。

［3］周满山.液体黏性软起动装置的理论与应用研究［M］.北京：北京理工大学，2003.

Experimental technique simulated loading of belt conveyor

Bai Xiaoman
（Tiancheng Industrial Branch of China Pingmei Shenma Group， Pingdingshan 467000， China）

As a high efficient mine transport equipment， belt conveyor is widely used in domestic coal mine. In order to improve the reliability of belt conveyor， the paper analyzed the belt conveyor and simulated loading experiment technology in view of starting and braking and established a set of experimental technology research system. This paper analyzes the research and experiment conditions provided for soft-start， soft-braking by the system and provided reference for whose choice of soft-start and soft-braking device in practical application and application in belt conveyor of soft-start and soft-braking technology.

soft-starting； soft-braking； belt conveyor； simulated loading

白晓满（1966— ），男，河南平顶山，高级工程师，总经理；研究方向：煤矿机电设备的技术研发，管理及市场分析。