帶式輸送機中液壓張緊裝置的設計分析

王 岱

（晉能控股集團設計研究有限責任公司， 山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機是進行物料輸送的重要設備，在煤礦、港口中被廣泛應用。帶式輸送機的可靠性高，易于依托地形進行布置，特別是在進行煤炭輸送的過程中，依據礦山地形的變化，可以快速方便地進行布置，實現煤炭的高效運輸。帶式輸送機在啟停的過程中，依靠輸送帶的張力作用進行緩沖，并且隨著輸送量的不同，需要對張力及時調整，實現物料的平穩輸送[1]。在帶式輸送機運行的不同階段，對于張力大小的需求不同，過大或過小的張力均不利于輸送的平穩安全，因此，針對帶式輸送機的張緊問題，設計采用新型的、適應性強、張力自動調節的液壓張緊裝置。

1 液壓張緊裝置的整體設計方案

采用液壓系統對帶式輸送機進行張緊，整個張緊裝置的張緊力首先要保證輸送帶和滾筒之間的摩擦力，避免出現打滑，并為托輥之間的輸送帶提供足夠的張力，保證輸送帶的穩定，避免垂度過大。在進行張緊裝置的布置時，應綜合考慮帶式輸送機的結構，張緊裝置盡量布置在整個輸送帶的最小張力點的位置，并依據張緊力的作用區域進行設計，為保證張緊裝置的響應速度，整體位置應布置在靠近傳動滾筒的離開點處，張緊力要經過滾筒的中心線[2]。

確定足夠的張緊行程，要留有足夠的長度滿足輸送帶的接頭需求，同時補償輸送帶的形變引起的長度，在使用過程中，對于物料載荷及在啟停階段引起的彈性伸長的長度要有所補償，保證張緊行程的有效性[3]。

液壓張緊裝置采用電液比例控制的方式，在不同的工況下對張緊力進行自動調節，保證帶式輸送機安全穩定的運行。液壓張緊裝置的整體方案圖如圖1 所示。液壓張緊裝置主要由液壓系統、機械系統及電氣控制系統組成[4]。液壓系統包括液壓泵站、閥組、執行油缸、蓄能器和制動器；機械系統包括為張緊功能的執行系統，主要由張緊小車、絞車、滑輪組等組成；電氣控制系統主要包括張緊力的監控裝置和電控站，對張緊系統的運行起到控制作用。液壓張緊裝置系統采用電液比例閥對液壓馬達的轉矩進行控制，并通過張力傳感器采集相應的張力值并進行數據的反饋，實現不同工況時的張緊力的實時動態調節。采用液壓絞車作為張緊力的執行元件，對帶式輸送機進行張緊行程的調節，并保證輸送帶的穩定運行。

圖1 液壓張緊裝置整體方案圖

采用方案中設計的液壓張緊裝置能夠依據帶式輸送機不同工況時對張緊力的不同需求進行自動調節，從而使帶式輸送機在穩定運行時的張力減小，可延長輸送帶的使用壽命，降低其工作強度，并減小帶式輸送機的運行維護成本[5]。自動液壓張緊系統的動態響應速度快，在帶式輸送機的啟停階段，緩沖油缸能夠及時地吸收彈性振動的能量，實現動態的張緊，降低帶式輸送機的沖擊作用。液壓張緊裝置的結構緊湊，布置靈活，可以依據帶式輸送機的實際工作位置進行靈活地布置，滿足輸送帶的張緊需求，并帶有制動裝置，能對液壓絞車進行鎖緊，保證帶式輸送機的張力穩定。在控制上，該設備不僅能夠進行自動控制，同時帶有手動控制方式，在需要人工干預時，能夠進行切換控制[6]。

2 液壓張緊裝置的穩定性仿真分析

對于液壓張緊裝置中液壓系統的性能進行一定的仿真分析，根據實際的物理系統，經過系統的辨識建立描述其動態特性的數學模型，從而在計算上進行仿真運算，以實現對系統方案的論證及參數優化。采用Matlab 進行液壓系統的性能分析，從軟件庫中建立相應的模塊，搭建液壓系統的模型，設定模型運行的參數，進行運算仿真。

對于液壓系統的動態特性進行仿真分析可以清晰地觀察系統的穩定性并快速相應，便于對系統的指標記性分析。液壓系統的穩定性是非常重要的特性，不穩定的系統是無法被應用的。液壓系統的動態特性是指在打破原有平衡狀態之后再次達到平衡中所體現的特性，其中，系統的各個參數都發生一定的變化。采用頻率特性的方式來對系統的穩定性進行分析。

在Matlab 軟件中搭建液壓系統的仿真模型，設定液壓系統的整體傳遞函數方框圖如圖2 所示，并進行液壓系統的運行仿真，得到張緊系統的階躍響應變化如圖3 所示。

圖2 液壓系統的力控制仿真模型框圖

圖3 液壓系統階躍響應曲線

從圖3 中可以看出，液壓系統的單位階躍響應，輸出為張緊力的大小，系統的上升時間為0.66 s，調整時間為8.52 s，系統的穩態輸出值為1.36 kN。系統的超調量比較大，穩態輸出相對期望值具有一定的差值，需要對系統的穩定性進一步分析。

圖4 中所示為液壓自動張緊系統的伯德圖，從而可以對閉環系統的穩定性進行判斷。從圖4 中可以看出，液壓張緊系統的幅值裕量為7.86 dB，相對的裕量值為22°，由此表明液壓張緊系統是穩定的，并具有一定的穩定性儲備，可以滿足帶式輸送機的張緊需求。在液壓系統中，由于蓄能器的存在，使得系統對于帶式輸送機的沖擊具有較好的緩沖作用，保證了張力的快速相應和超調量。

圖4 液壓張緊系統的伯德圖

3 結語

由于帶式輸送機在運行過程中需要張緊力，設計了液壓自動張緊裝置。采用電液比例閥的形式對液壓馬達的張力進行控制，并采用緩沖油缸的形式避免沖擊，從而可以實現對于張緊力的動態響應及實時調節，保證帶式輸送機的穩定運行。對于所設計的液壓系統，采用Matlab 仿真分析，確定了張緊系統的穩定性，并具有一定的超調量，滿足了帶式輸送機的張緊需求。