带式输送机液压张紧装置的研究

李 洋

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司， 山西 长治 046100）

引言

采煤机、输送机以及液压支架作为综采工作面的三大机电设备，其运行稳定性直接决定综采工作面的开采效率和安全性。随着带式输送机朝着长距离、大运量以及大功率的方向发展，其动态特性影响着带式输送机的运行[1]。张紧装置作为带式输送机的关键部件，鉴于其载重量不断上升，出现在启动阶段对设备造成较大的冲击或在运行、制动以及停车等阶段出现张紧力余量过大或者余量不足的问题，进而导致设备功耗过大甚至输送带出现应力疲劳、拉断的事故发展。因此，本文旨在解决带式输送机启动时对输送带冲击较大、输送带张力反应不及的问题开展对带式输送机液压张紧装置的研究，并对其张紧特性进行仿真分析。

1 带式输送机张紧装置位置的确定

为确保带式输送机的张紧特性除了对其各零部件的性能提出要求外，其所处位置也相当重要。经验表明，布置带式输送机张紧装置时需遵循如下原则：

1）张紧装置最好布置于带式输送机启动装置附近；若其布置位置确需离驱动装置较远，需为其增设相应的重锤装置；

2）张紧装置最好布置于输送带张力最小或者离滚筒松边较近的位置；

3）根据带式输送机具体工况设计对应的张紧力；

4）根据带式输送机输送带接头的预留量设计对应的拉紧行程[2]。

基于上述原则，并结合综采工作面的长度大于300 m且工作面坡度小于5%，将该工作面带式输送机张紧装置布置于设备驱动装置的空载一侧。张紧装置的布置位置如图1所示。

图1 张紧装置布置示意图

2 带式输送机张紧装置的设计

2.1 张紧装置的结构组成

张紧装置的主要结构由液压系统、电气控制系统以及机械系统组成。其中，机械系统主要由绞车、拉紧小车以及滑轮等组成；电气控制系统主要由传感元器件以及电气控制箱等组成；液压系统主要由液压泵站、制动器以及蓄能器等组成。

张紧装置工作原理分析：在实际工作中，位于钢丝绳上的拉力传感器对设备输送带的张力进行采集，并将采集到的结果传送至PLC控制系统与设定比较后得出相应的控制信号，并实现对张紧装置电机正转、反转以及停止等状态的控制，从而实现对张紧装置的拉伸与缩进[3]。

2.2 张紧装置元器件的设计选型

2.2.1 张紧装置液压系统元器件的选型

带式输送机张紧装置液压系统主要有油滤器、泵、电动机、电磁换向阀、单向阀、张紧油缸、截止阀、溢流阀、平衡阀以及马达[4]。基于经验及计算的基础上，选择如下页表1所示的选型结果。

2.2.2 张紧装置电气控制系统的设计

张紧装置电气控制系统基于PLC控制器设计的。故，PLC控制器为其核心设备。所选PLC控制器的类型为S7-200系列，为系统设计两个输入模块、一个输出模块。此外，为PLC控制器配置相关元器件如下页表2所示。

表1 张紧装置液压系统关键元器件的选型

表2 电气控制系统元器件选型

本文所研究带式输送机的关键参数为：运量为2 500 t/h；皮带长度为3 500 m；皮带宽度为1 200 mm；日常运行速度规定为4.5 m/s；皮带的最大角度为3°；驱动滚筒的直径为1 030 mm；卸载滚筒的直径为900 mm；机尾滚筒的直径为630 mm；改向滚筒的直径为900 mm。

3 张紧装置模型的仿真分析

为分析本文所设计带式输送机张紧装置的张紧特性，需建立可行的张紧装置模型，并通过张紧装置的响应速度考核其工作性能[5]。本文所采用的仿真软件为MATLAB，对张紧装置中关键液压元件的液压油缸、溢流阀以及张紧装置的性能进行仿真分析。

3.1 张紧装置液压元件仿真分析

3.1.1 液压缸仿真分析

为系统提供一个阶跃信号得到如图2所示的液压缸活塞杆位移随时间的变化曲线。

图2 液压缸活塞杆位移随时间变化曲线

如图2所示，当系统遇到阶跃信号时，液压缸内油压经一定时间波动后趋于稳定增长。经仿真，可为所选型液压缸的正确使用提供指导。

3.1.2 溢流阀仿真分析

溢流阀在实际生产中的稳定性直接影响张紧装置液压系统的压力的平衡性。因此，在仿真时为系统提供一个突变信号，对其抗干扰性能进行仿真分析。仿真结果如图3所示。

图3 液压系统溢流阀抗干扰性能仿真结果

如图3所示，张紧装置液压系统的溢流阀在遇到突变信号时，其稳态过渡时间约为10 ms，即说明溢流阀具有较强的抗干扰性能。在实际生产中，常通过调节溢流阀的弹簧刚度和主阀芯质量对其抗干扰性能进行优化。

3.2 张紧装置仿真分析

为分析带式输送机张紧装置的张紧特性，特对其紧带和松带过程中输送带的张力变化进行仿真分析，仿真结果如图4所示。

图4 张紧装置张紧特性仿真结果

如图4所示，当输送带的初张力为47 kN时，仅需11 s就能到达到输送带所需的张紧力61 kN；而当输送带的初张力为72 kN时，仅需25 s即可将其张力下降到60 kN。对于长距离、大运量以及大功率的带式输送机而言，不论在紧带过程还是在松带过程其响应时间均能够满足实际生产的需求。

4 结语

液压系统及其电气控制系统为张紧装置的核心系统，在对两个系统各元器件选型时需结合计算及经验，并对液压系统的元器件的参数进行调整以达到提升其抗干扰性能的目的。经仿真分析，所设计的张紧装置不论在松带还是在紧带过程其响应时间分别为12 s和2.3 s，满足实际生产的需求。