帶式輸送機斷帶抓捕器液壓控制系統的設計與仿真

趙云龍

（陽煤寺家莊有限責任公司機運部修配隊， 山西 昔陽 045300）

引言

帶式輸送機作為工作面的關鍵運輸設備，其主要功能是實現工作面物料、設備等到地面的運輸任務。由于實際生產中帶式輸送機輸送帶的受力不均常出現過載、接口疲勞等問題，從而導致輸送帶發生撕裂或者斷裂等事故。當前應用于輸送帶的斷帶保護裝置為抓捕器，當發生斷帶事故時完成帶式輸送機制動的同時抓住斷開的輸送帶。常規設計中雖然根據相關規范及要求對抓捕器的液壓系統進行設計，但在實際生產中要驗證其性能仍具有一定的局限性[1]。因此，本文將基于AMESim軟件對所設計抓捕器的液壓系統進行仿真。

1 斷帶抓捕器液壓系統的設計

1.1 斷帶抓捕器液壓系統的總體設計要求

斷帶抓捕器工作原理：當帶式輸送機發生斷帶事故時，系統中傳感器得到信號控制液壓缸迅速推動制動裝置動作，并對輸送帶進行夾持操作，從而實現對斷帶輸送帶的抓捕任務。為確保抓捕器起到對設備的保護作用，要求其液壓系統滿足如下要求：一是當帶式輸送機發生斷帶事故，相關傳感器發出信號到設備制動，整個過程要求在2 s內完成；二是針對輸送帶的正向和反向運行，要求液壓系統擁有兩套方向閥控制液壓缸的動作，從而確保抓捕器能夠從兩個方面完成對斷帶的抓捕任務[2]。

1.2 斷帶抓捕器液壓系統的設計

根據上述總體設計要求，為實現兩個方向閥對液壓缸的控制，從而從兩個方向完成對斷帶的抓捕任務，設計如圖1所示的抓捕器液壓系統原理圖。

如圖1所示，為滿足液壓系統在2 s內實現對設備的制動操作，普通液壓換向閥僅適用于小流量的場合，而電液換向閥的響應時間等級在毫秒級。因此，本液壓系統中采用電液換向閥。

圖1 斷帶抓捕器液壓系統原理圖

1.3 抓捕器液壓系統元件的選型

根據設計要求，系統中液壓缸的內徑為100 mm，活塞桿直徑為55 mm，工作壓力為21 MPa，1號液壓缸行程為300 mm，2號液壓缸行程為450 mm。基于上述要求對液壓系統中蓄能器、液壓泵以及電液換向閥等關鍵液壓元件進行選型設計。經計算結果及結合經驗選型的基礎上，液壓系統元件的選型結果如表1所示。

表1 抓捕器液壓系統關鍵液壓元件選型結果

2 抓捕器液壓控制系統的仿真分析

2.1 仿真模型的搭建

以液壓缸流量、蓄能器流量及壓力的數學模型為基礎，基于Matlab/Simulink軟件搭建仿真模型，并根據液壓系統關鍵元器件的參數對模型中的部件進行設置，給予液壓系統中電磁換向閥的信號如下：電磁換向閥在0～3 s時的位移為5 mm，3.06 s時到仿真結束的位移為-5 mm。在上述基礎上對液壓系統中液壓缸壓力、流量以及響應特性進行仿真分析[3]。

2.2 仿真結果的分析

2.2.1 液壓缸位移仿真結果的分析

基于2.1中所搭建的仿真模型和給予電磁換向的信號，所得兩個液壓缸活塞的位移變化如圖2所示。

圖2 液壓缸活塞位移變化情況

如圖2所示，當帶式輸送機在0 s時發生斷帶事故，1號液壓缸1.3 s的時間內完成活塞桿的全部伸出且行程為300 mm；2號液壓缸在1.7 s內完成活塞桿的全部伸出且行程為450 mm[4]。此時，液壓缸均處于供油狀態并抓緊斷帶，滿足系統在2 s內完成制動的相關要求。

完成抓捕任務后，在3.06 s電磁換向閥反向得電，1號液壓缸在4 s時活塞桿全部收回，2號液壓缸在4.3 s時活塞桿全部收回。1號、2號液壓缸活塞桿全部收回的耗時分別為0.94 s和1.24 s，均滿足系統在2 s內完成動作的要求。

2.2.2 液壓缸流量仿真結果的分析

基于2.1中所搭建的仿真模型和給予電磁換向的信號，所得兩個液壓缸入口流量變化曲線如圖3所示。

圖3 1號液壓缸入口流量變化情況

如圖3所示，對于1號液壓缸而言，當液壓缸活塞桿在1.3 s伸出過程中，液壓缸入口的流量為138 L/min；當液壓缸全部伸出處于供油狀態，正在完成抓帶動作時，此時電磁換向閥處于中位，液壓缸此時的入口流量為0 L/min；當系統完成抓捕任務，對應的液壓缸活塞桿收回時，此時電磁換向閥反向開口，與其對應的液壓缸的入口流量為-138 L/min（“—”代表液壓油方向）；當液壓缸活塞桿全部收回后對應的電磁換向閥又處于中位，此時液壓缸的入口流量為0。

同樣，對于2號液壓缸入口流量的變化趨勢和1號液壓缸相似，唯一不同在于2號液壓缸伸出和回收所經歷的時間較長，即0～1.7 s伸出過程的入口流量為149 L/min；4.3 s以后完成活塞桿全部收回，入口流量為0 L/min。

3 結論

帶式輸送機作為綜采工作面的關鍵運輸設備，其承擔著整個工作面物料、設備等的運輸任務。在實際生產中常常遇到載荷突變或者超載的工況，進而造成斷帶事故的發生[5]。為了避免事故的進一步惡化，需采用有效的斷帶保護裝置，即可對斷帶進行抓捕。為進一步提升抓捕器的可靠性和高效性，要求抓捕器液壓系統需在斷帶事故發生后2 s內完成制動，并可從兩個方向實現對斷帶的抓捕任務。經仿真分析，所設計的抓捕器均能夠滿足要求，可在實際生產中推廣應用。