带式输送机用双油缸液压张紧装置设计

朱安卿 孙健 赵立 陈昊祥

摘 要：【目的】液压张紧装置是可伸缩带式输送机的关键组成部分，对于确保输送机在启动、行驶和制动等过程中的稳定运行具有重要的意义，但传统液压张紧装置的设计会有张紧力调整不方便、张紧装置结构复杂的缺点，有必要对此进行研究。【方法】设计一种适用于带式输送机的双油缸液压张紧的装置，其兼具螺杆张紧装置与液压张紧装置的优点。【结果】该装置具有工作状态平稳、响应速度迅速、空间需求较小、性能出众等优势，其双油缸设计还能够大幅度降低输送带发生跑偏情况的概率。【结论】该装置主要用于短距离带式输送机，不仅延长了带式输送机的使用寿命，而且大大提高了工作的安全系数。

关键词：带式输送机；双油缸；液压张紧

中图分类号：TP24     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）06-0044-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.009

Design of Double Oil Cylinder Hydraulic Tensioning Device for Belt Conveyor

ZHU Anqing1 SUN Jian1 ZHAO Li2 CHEN Haoxiang1

（1.Mechanical and Electronic Department， Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou 221018， China;

2.Xuzhou ZMLT Heavy Industry Co.， Ltd.， Xuzhou 221116， China）

Abstract：[Purposes] The hydraulic tensioning device is a key component of the retractable belt conveyor， which is of key significance to ensure the stable operation of the conveyor in the process of starting， driving and braking， but the design of the traditional hydraulic tensioning device has the shortcomings of inconvenient tension adjustment and complex structure of the tensioning device. Therefore it is necessary to conduct research on this matter. [Methods] A double-cylinder hydraulic tensioning device suitable for belt conveyor was designed， which had the advantages of both screw tensioning device and hydraulic tensioning device. [Findings] The device had the advantages of stable working state， rapid response speed， small space requirement and outstanding performance， and the double-cylinder design could also greatly reduce the probability of deviation of the conveyor belt. [Conclusions] This device is mainly used on short distance conveyors， which not only extends the service life of belt conveyors， but also greatly improves the safety factor of work.

Keywords： belt conveyor; dual oil cylinder; hydraulic tensioning

0 引言

带式输送机是集运用机械、控制及液压等的大型运输设备，主要通过输送带间的摩擦力来运输物料，具有运量大、自动化程度高、工作便捷等特点。张紧装置是带式输送机的重要组成部分，能够实现输送带的张紧，保证带式输送机运行的安全与稳定。目前，用于短距离带式输送机的张紧装置主要有两种，分别为螺旋式张紧装置和液压张紧装置。其中，螺旋式张紧装置在输送带自行伸长时，不能够自动张紧，并且响应速度较慢。液压张紧装置能够对张紧力进行实时动态调节与监控，精确快速对系统做出响应，以及控制输送机张紧行程，因此已逐渐替代传统的机械张紧装置［1］。但是，现有短距离带式输送机的液压张紧装置在输送机启动时，输送带宽度方向拉应力分布不均，导致输送带出现跑偏。针对上述问题，本研究设计了一种专门适用于带式输送机的双油缸液压张紧装置，其同时具备了螺旋式张紧装置与液压张紧装置的优点。该装置主要用于短距离输送机，能够有效防止输送带跑偏情况的发生，使输送系统工作更加稳定。

1 双油缸液压张紧装置的设计

传统带式输送机的液压张紧装置主要由三部分组成，分别为液压系统、机械系统和电气控制系统。其中，压泵站、执行油缸、蓄能器以及制动器等结构组成液压系统［2］；张紧车、绞车、滑轮组等结构组成机械系统；电气控制系统在夹紧系统的运行中起到一定的控制作用，主要包含牵引控制装置和电子控制站。张紧力产生设备主要由电机、制动器和慢速绞车等组成［3］。以上系统协同工作，通过控制电机和制动器，以及调整绞车速度和力量，實现准确、稳定的张紧力生成，能够给运输机提供一定的张力。一般情况下缓冲油缸还能够缓解传送带在工作过程中产生的一些不良现象，如振动和松弛等［4］。单油缸液压张紧系统如图1所示。一般来说，液压张紧装置只有一个执行油缸，其主要作用是通过收缩来补偿输送带的弹性振荡，从而实现动态张紧和减小机器启动时的冲击动负荷，这对于提高带式输送机的平稳性、传送效率和可靠性非常重要［5］。

本研究所设计的带式输送机采用双油缸液压张紧装置，主要由滚筒、胶管、蓄能站、泵站、油缸、支座、机架、滑块和同步阀组等部分构成。滑块安装在机架的导轨上，油缸通过支座安装于机架上，滚筒固定在滑块上，滚筒通过销轴连接两个油缸，且油缸间通过胶管与同步阀组连接。同步阀组安装于蓄能站上，且通过胶管与泵站连接。双油缸液压张紧系统如图2所示。

当设备正常工作时，液压张紧装置由泵站提供动力，蓄能站吸收带式输送应力波传递产生的振荡，此时蓄能站进出油液都经过同步阀组，由同步阀组保证两个油缸间始终保持同步，从而大大降低两个油缸因不同步而导致发生输送带跑偏情况的概率［6］。当工作过程中出现输送带跑偏的情况时，可以通过同步阀组切断同步回路以及两个油缸中跑偏方向的油缸，由另一根油缸进行纠正，纠正完成后再切断回路，最后重新打开同步回路，以保证带式输送机的正常运行。

2 双油缸张紧装置主要元件参数计算与选型

2.1 基本要求

①设计参数。张紧力F=45～130 kN；张紧速度V=2 m/min，快退速度为V=4 m/min；张紧行程s=1 000 mm。

②在一些突发情况下应对系统进行特殊保护，如出现断带、过载等情况时［7］。

③因为带式输送机在启动和稳定工作时对张紧力的要求不同，启动时系统所需的压力较大，所以应当保证系统启动时的工作压力能够达到其系统在正常工作状态下压力的1.4～1.5倍。在保证油缸能够正常启动的情况下，不仅要防止出现输送带打滑等突发情况，同时还要保证系统能够平稳运行且所受的冲击力较小［8］。

2.2 液压缸的参数计算与选型

液壓油缸，也被称为液压缸，是一种重要的液压执行元件，其工作原理是将液压能转化为机械能，实现直线往复或摆动运动。液压缸具有简单的结构和可靠的工作性能。与其他传动装置相比，液压缸在进行往复运动时，无需安装减速装置，并且具有传动间隙小的特点，保证其运行更加平稳。这种平稳的运行特性使得液压缸在许多机械系统中得到了广泛应用，如起重设备、注塑机、机床等。

2.2.1 确定各工况负载。液压缸负载主要由张紧力、摩擦阻力、惯性阻力、重力、密封阻力及背压阻力等组成。

①张紧力。根据工作要求，在启动液压系统时的压力应为实际工作压力的1.4～1.5倍。这就意味着油缸在启动时需要的张紧力为67.5～195 kN。

②摩擦阻力。摩擦阻力的计算见式（1）、式（2）。

F静=F法× f静=9 800×0.2=1 960 N ≈ 2 kN （1）

F动=F法× f动=9 800×0.1=980 N ≈ 1 kN （2）

以上式中：F法为作用在缸壁上的法向力；f静、f动为静摩擦系数和动摩擦系数。

③惯性阻力、重力。由于液压缸在一般情况下都是水平放置的，并且其在工作时的运动量较小，不在快速往复运动型的范围之内，因此，可以忽略惯性阻力和重力的影响。

④密封阻力和背压阻力。封阻力是指液压系统中由于密封件与活塞杆之间的摩擦而带来的阻力。根据一般经验，可以将密封阻力估算为总负载的0.1倍，即F密=0.1F（F为总负载）。背压阻力是液压缸回油路上的阻力，其会对系统的工作产生一定的影响。在初步计算时，可以暂时不考虑背压阻力，但不能完全忽略，因为具体的背压阻力数值需要在系统参数确定后才能确定。在启动开始阶段，F启=F静+F密，单个液压缸负载为F启=1.1 kN；在启动阶段，F启=F张+F静+F密，单个液压缸负载为F启min=38.61 kN，F启max=109.44 kN；在张紧阶段，F工=F张+F动+F密，单个液压缸负载为F工min=25.56 kN，F工max=72.78 kN；在快退阶段，F快退=F动+F密，单个液压缸负载为F快退=0.56 kN。

在液压缸的整个设计过程中，主要需要考虑张紧和初始这两个阶段，因为液压缸的工作状态阶段处于张紧阶段，在其快速缩回过程中速度的范围一般来说是不受限制的。

本研究设计了一种带式输送机的双油缸液压张紧装置，根据原理分析可知，在输送机工作过程中，有两个油缸来分担系统所需的张紧力。相较于传统的带式输送机单油缸设计，这样设计不仅可以防止输送带跑偏，还能够缩小液压缸的尺寸，使机械结构更加紧凑。

2.2.2 液压缸的选型。由F启max=109.44 kN，F工max=72.78 kN，P工max=10 MPa，则液压缸的内径D的计算见式（3）。

根据工程用液压缸系列表，可取D=125 mm=0.125 m，同时，由于P工max=10 MPa>7 MPa，故可取活塞杆直径d=0.70D=0.70×125=87.5 mm。由查表得到，取标准值d=90 mm=0.09 m，根据前文所得到的缸径和活塞杆的直径，查得液压缸活塞行程1 500 mm。

计算液压缸的实际有效面积，无杆腔的面积A1与杆腔面积A2分别见式（4）、式（5）。

本研究取张紧工况中压力损失ΔP=5×105 Pa，工作时背压力P背=8×105 Pa，快退时背压力P背=5×105 Pa，则液压系统所能承受的最大压力和在单位时间内能够输送的液体量见式（6）、式（7）。

以上式中：P1为进油腔压力；P2为回油腔压力，P2=P背=0.8 MPa；ηm为液压油缸的机械效率，一般取0.90～0.95［9］；ην为液压缸的容积效率，液压缸的容积效率与其活塞的密封材料密切相关。当液压缸的活塞采用弹性密封材料时，容积效率会相对较高（ην=1）；而当活塞采用金属环密封材料时，容积效率则相对较低（ην=0.98）。ν2为活塞运动速度。因此，选择液压缸型号为HSGL01-125/dE。

2.3 液压泵参数的计算与选型

液压泵将原动机产生的机械能转为压力能，为系统提供加压介质，是液压系统中的动力元件。

2.3.1 确定液压泵的工作压力。进行液压泵选型应确定泵的最大工作压力，见式（8）。

2.3.2 确定液压泵流量。液压泵的流量与液压泵最大工作时的流量和其回路时的泄漏量这两个方面有关，因此液压泵工作流量Qp见式（9）。

2.3.3 选择液压泵型号。液压泵型号的选择要考虑其压力储备功能，因而所选择液压缸的额定压力要满足大于其最大工作时的压力的25%～60%，通过前期查阅液压泵的相关规格型号表，可选排量Vb=31.5 mL/r，容积效率为0.93，额定压力为20 MPa，额定转速n=2 000 r/min，型号为CBN-F532。液压泵的实际流量见式（10）。

2.4 电动机参数的计算与选型

电动机是把电能转换成机械能的一种设备。电动机的功率应参照液压泵的最大功率，由前文相關计算可以得出液压泵能够承受的最大工作压力为19.5 MPa，而液压泵每分钟提供的实际流量为58.59 L。根据已知条件可以进一步得到电动机功率，见式（11）。

考虑所需的功率和正常电机的使用规格要求，需要YB系列防爆型异步电动机，电机的型号为YB180L，功率为22 kW，其满载转速为1 500 r/min。

3 结语

液压张紧装置是带式输送机的一个重要组成部分。本研究设计的双油缸液压张紧装置能够满足带式输送机启动、运行以及制动过程中稳定运行的要求，双油缸设计不仅使装置输送时响应速度更快，同时，在出现输送带跑偏的情况时，还可以通过调整单侧油缸进行调节。该装置运行时可以保证油缸始终保持同步，防止发生因油缸不同步而导致输送带跑偏的情况，不仅延长了带式输送机的使用寿命，而且大大提高了输送工作的安全系数。

参考文献：

［1］岳松伟.带式输送机张紧装置的发展及应用［J］.中国金属通报，2021（11）：3-4.

［2］潘瑛.长距离带式输送机液压自动张紧装置的设计研究［J］.石化技术，2023，30（3）：257-258，190.

［3］郭洪丽.带式输送机液压自动张紧装置的设计分析［J］.机电工程技术，2021，50（9）：266-268.

［4］邹钱平，朱小明，杨丽红.高性能液压缸的研究综述［J］.液压气动与密封，2023，43（3）：4-8.

［5］贺锦龙.煤矿带式输送机自动张紧装置的研究及应用［J］.山东煤炭科技，2023，41（1）：142-144，148.

［6］李艺伟.带式输送机液压张紧装置设计及应用［J］.机械管理开发，2022，37（3）：182-183.

［7］孟建兴.带式输送机液压张紧装置设计和控制研究［J］.机械管理开发，2021，36（3）：54-56.

［8］雷春福.长距离大型带式输送机张紧装置研究［J］.机械管理开发，2022，37（11）：171-173.

［9］张元越.液压与液压传动［M］.成都：西南交通大学出版社，2016.

［10］刘畅，孙健，赵立.带式输送机用比例液压张紧系统设计［J］.煤炭技术，2020，39（5）：152-154.