卷带张紧一体化装置影响因素的数值模拟

上海煤科检测技术有限公司 上海 201401

卷带张紧一体化装置为顺槽带式输送机的重要组成部分，它既能实现顺槽带式输送机的张紧，又可在储带仓输送带达到一定长度时完成收放带，以保证顺槽带式输送机的正常工作。在收放带过程中，张紧部分与卷带部分应协调工作，保证卷带的顺利进行[1-2]。

卷带与张紧系统均采用液压系统控制，由于机器的制造及安装误差、输送带厚薄不均及张力波动等各种因素，都会影响张紧的性能和卷带的效率[3-5]；另外，在卷带过程中，带卷的直径和质量都会逐渐增大，如果张紧装置不能及时松绳放带，输送带则处于卡死即卡带状态，这些情况都会对卷带系统产生较大的影响[6-7]。因此，研究上述情况对卷带张紧一体化装置的影响规律，对卷带张紧一体化装置的研制以及保证现场操作人员的安全都有重要的现实意义。

图1 卷带装置液压系统原理Fig.1 Principle of hydraulic system of belt winding device

1 系统建模

卷带张紧一体化装置的卷带过程较为复杂，需要多个机构协调完成。其液压系统的各个机构由多路换向阀控制，执行元件为液压马达或液压缸。卷带装置液压系统原理如图 1 所示。

张紧装置主要起张紧作用，一般由液压缸和液压绞车构成。液压缸用于吸收输送带启动过程中的张力波动，而液压绞车用于在输送带长度变化较大时，通过放绳或卷绳实现对输送带的张紧。张紧装置的液压系统原理如图 2 所示。

图2 张紧装置液压系统原理Fig.2 Principle of hydraulic system of tensioning device

根据卷带装置和张紧装置的液压系统原理，采用AMESim 软件建立卷带张紧一体化装置的仿真模型，如图 3 所示。由于只有在收放带时才需要两者协调工作，因此一体化仿真模型卷带部分仅考虑收放带。为使仿真模型更加完整，更接近实际情况，该模型同时还考虑了输送带和张紧系统用的钢丝绳，以便于后期进一步开展更深入的闭环控制等仿真操作。系统采用1600S 塑料整芯阻燃输送带，带宽 1 400 mm，液压马达为某公司生产的 XHS4 型摆缸曲轴式径向柱塞马达，其他仿真参数如表 1 所列。

图3 卷带张紧一体化装置仿真模型Fig.3 Simulation model of integrated device of belt winding and tensioning

表1 卷带张紧一体化装置仿真参数Tab.1 Simulation parameters of integrated device of belt winding and tensioning

2 数值模拟结果分析

2.1 带卷转动惯量对系统的影响

在卷带过程中，带卷缠绕的输送带越来越多，其转动惯量也越来越大，实际操作过程中存在停止卷带然后又重新开始的情况，因此研究带卷转动惯量对系统的影响具有实际意义。

对带卷转动惯量J分别为 1 500、3 000、4 500 和6 000 kg·m24 种工况进行数值模拟，观察带卷转动惯量对系统压力的影响，结果如图 4 所示。

图4 带卷转动惯量对系统压力的影响Fig.4 Influence of rotary inertia of belt roll on system pressure

从图 4 可以看出，带卷开始转动时，系统压力的升高受带卷转动惯量的影响很小，系统压力不是直接升至额定值，而是有一个超调量，然后再回落至额定值。超调量随转动惯量的增大而增大，当转动惯量为 6 000 kg·m2时，超调量约为额定值的 230%。这是因为转动惯量越大，系统的静摩擦力越大，而液压马达要克服的静摩擦力矩就越大，因而需要更大的系统压力。超调量大，系统压力回落至额定值所需的时间也长，转动惯量为 6 000 kg·m2时，回落时间约为3 s。

带卷转动惯量对液压泵流量及液压马达转速的影响分别如图 5、6 所示。从图中可以看出，带卷启动(2 s)以后，液压泵流量曲线与对应液压马达转速曲线的变化规律是一致的。对任一转动惯量来说，液压马达开始转动后，液压泵的流量和液压马达的转速都呈现一个先下降然后再上升的趋势，这是由于所采用的泵为恒功率泵，泵的压力升高，排量随之下降。对不同的转动惯量来说，转动惯量越大，泵的流量和液压马达转速下降的幅度越大，这一点也与恒功率泵的变化特性相符合。调整时间与超调量成反比，超调量越大，调整时间越长，反之调整时间越短。

图5 带卷转动惯量对液压泵流量的影响Fig.5 Influence of rotary inertia of belt roll on flow rate of hydraulic pump

图6 带卷转动惯量对液压马达转速的影响Fig.6 Influence of rotary inertia of belt roll on rotary speed of hydraulic motor

由图 4～6 可以看出，带卷转动惯量越大，启动时液压马达的转速以及对系统的冲击也越大，因此卷带时应连续工作，同时张紧装置应配合协调工作，一次完成卷带，如果中间停机再重新启动，则对系统的使用寿命会产生一定的影响。

2.2 带卷直径对系统的影响

带卷转动惯量的变化理论上已包括带卷直径的变化，但卷带装置有多种型号，分别对应不同的带宽。带宽不同，虽然转动惯量相同，但直径并不相同，因此研究带卷直径变化对系统参数的影响也有一定的现实意义。对带卷直径D分别为 300、500、750 和 1 000 mm 时系统的变化规律进行了数值模拟，结果如图7、8 所示。

图7 带卷直径对系统压力的影响Fig.7 Influence of diameter of belt roll on system pressure

图8 带卷直径对液压马达转速的影响Fig.8 Influence of diameter of belt roll on rotary speed of hydraulic motor

从图 7 可以看出，不同带卷直径下系统压力的变化规律和图 4 呈现的变化规律基本一致，这其中包括超调量和调整时间的变化规律。与图 4 不同的是，带卷直径较小时，系统压力波动较大，不仅在上升过程中有一定的冲击，在调整过程中也有，这一点在带卷直径为 300 mm 时尤为明显。随之而变化的是液压马达的转速(见图 8)，带卷直径较小时，液压马达的转速波动较大，调整时间较长。直径越大，速度波动越小，说明随着带卷直径的增大，卷带装置的稳定性在增加，这一特性对卷带装置来说是一个优点，对保障人员的安全具有重要意义。

从图 7、8 还可以看出，带卷直径过大时，系统压力的峰值与平稳值均较高，这意味着带卷直径过小或过大都有可能导致系统动态性能的下降。因此，对卷带装置来说，成卷输送带的长度不可要求过长。

2.3 卡带现象对系统的影响

卷带过程中输送带被卡死时，带卷与卡死处之间的输送带会受到突增的拉力，从而对系统压力和卷带转速造成较大影响。卡带现象对系统压力、液压马达转速的影响如图 9 所示。从图 9 可以看出，在卡带现象发生时，系统压力快速升高，达到最大值时趋于平稳，这主要是由于溢流阀起到安全保护作用。在卡带发生时，液压马达转速急剧下降，在下降过程中呈现一定的波动，降至约 5 r/min 时维持约 1.5 s，然后迅速下降至零，在零附近有一个调整过程。下降过程中维持 1.5 s 以及后面的波动是由于所采用的泵为恒功率泵，液压泵调至最小排量时，油路内的液压油经溢流阀流回油箱需要一定的时间，这就要求张紧和卷带装置协调配合，共同完成卷带操作，避免卡带现象的发生。

卡带时一方面会对输送带过度拉伸，影响输送带的使用寿命；另一方面会造成机架内部产生较大的相互作用力，易导致机架变形，影响带式输送机的正常工作；更为严重的是，如果输送带本身有疲劳裂纹等缺陷，很容易导致断带的发生，引发安全事故。因此，设计时除了在液压系统中通过溢流阀来限制卡带时的最大拉力外，操作台应与卷带装置保持一定的距离，以确保操作人员的安全。

3 结论

(1)带卷的成卷直径和成卷质量对系统压力的影响基本一致，开始卷带时系统压力的升高会有一个超调量，然后回落至额定值；在压力变化过程中，带卷直径和成卷质量越小，压力波动越大。

(2)开始卷带时，液压马达转速有一定程度的降低，然后逐渐上升至额定值，转速的降低程度随着带卷直径和成卷质量的增大而增大；与开始卷带时系统压力变化规律相似，带卷直径和成卷质量越小，速度波动越大。

(3)卡带现象发生时系统压力会迅速升至最高值，液压马达转速快速下降，由于输送带的弹性，速度下降过程中伴随着一定程度的波动，特别是在接近零值时波动尤为明显。系统压力的升高和速度的波动都会对输送带和机架的性能产生影响，因此卷带时应和张紧装置协调工作，减小对输送带和机架寿命的影响，确保操作人员的安全。