帶式輸送機(jī)恒壓緊力清掃器的研究

冀鵬飛

(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006)

智慧礦山是礦山企業(yè)發(fā)展的新方向，實(shí)現(xiàn)礦井開拓、采掘、運(yùn)通、洗選、安全保障、生態(tài)保護(hù)、生產(chǎn)管理等全過程智能化運(yùn)行[1-3]。帶式輸送機(jī)是煤炭運(yùn)通的主要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于井工、露天開采的煤炭運(yùn)輸，由于運(yùn)輸距離長，輸送功率大，發(fā)生跑偏、打滑、堆料、斷帶等故障的概率較大[4-5]。這對帶式輸送機(jī)的性能具有更高的要求，由于帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀況復(fù)雜，實(shí)際生產(chǎn)中，需要人員對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行巡查，無人值守的實(shí)現(xiàn)還比較困難，無法滿足煤礦高產(chǎn)高效的需求[6-8]。

目前對于帶式輸送機(jī)的驅(qū)動、制動、張緊等工況進(jìn)行研究，根據(jù)帶式運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行狀況，提出了各種工況計算的基本準(zhǔn)則和不同的控制裝置等[9，10]。但是對于帶式輸送機(jī)上自動張緊的清掃器研究較少。當(dāng)前，帶式輸送機(jī)上廣泛應(yīng)用結(jié)構(gòu)簡單的刮板式清掃器，刮板與輸送帶之間的預(yù)緊力主要依靠彈簧力或是配重重力。但是隨著刮板的磨損，該預(yù)緊力會逐漸減少，輸送帶表面的壓緊力不足，使清掃效果變差。文中設(shè)計了一款恒壓緊力清掃器，在現(xiàn)有刮板式清掃器的結(jié)構(gòu)上，增加電液比例控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)刮板的恒定壓緊力。

1 恒壓緊力清掃器工作原理及特點(diǎn)

恒壓緊力清掃器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，清掃器組件由刮板、滾筒、旋轉(zhuǎn)組件、行程開關(guān)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成。液壓系統(tǒng)由液壓缸、電液比例控制閥組及膠管組成，其中電液比例控制閥組由比例溢流閥，比例節(jié)流閥，電磁換向閥和蓄能器組成；電氣控制系統(tǒng)由控制器、壓力傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器及行程開關(guān)組成。清掃器組件固定在機(jī)架上，旋轉(zhuǎn)組件與清掃器及液壓缸活塞桿連接；油缸、電液比例控制閥組分別固定在機(jī)架上，液壓缸有桿腔及無桿腔通過膠管與電液比例控制閥組的控制油口連接，電液比例控制閥組控制液壓缸的往復(fù)運(yùn)動，使刮板與輸送帶壓緊或松開，壓緊時，蓄能器為液壓缸無桿腔保壓；壓力傳感器檢測液壓缸無桿腔的壓力，旋轉(zhuǎn)變壓器檢測輸送帶是否轉(zhuǎn)動，行程開關(guān)使刮板達(dá)到磨損極限后，使系統(tǒng)自動停機(jī)或報警。

1—刮板；2—滾筒；3—旋轉(zhuǎn)組件；4—行程開關(guān)；5—液壓系統(tǒng)；6—電氣控制系統(tǒng)圖1 恒壓緊力清掃器結(jié)構(gòu)

2 恒壓緊力清掃器的液壓系統(tǒng)設(shè)計

該帶式輸送機(jī)恒壓緊力清掃器的液壓系統(tǒng)如圖2所示，主要由電機(jī)、液壓泵、單向閥、電液比例溢流閥、帶壓力補(bǔ)償?shù)碾娨罕壤?jié)流閥、三位四通電磁換向閥、液控單向閥、液壓油缸、壓力傳感器、蓄能器、蓄能器泄油電磁閥組成。液壓系統(tǒng)的壓力油源可以使用小型的泵站或者直接接到帶式輸送機(jī)的液壓系統(tǒng)中。

1—電機(jī)；2—液壓泵；3—單向閥；4—電液比例溢流閥；5—帶壓力補(bǔ)償?shù)碾娨罕壤?jié)流閥；6—三位四通電磁換向閥；7—液控單向閥；8—液壓油缸；9—壓力傳感器；10—蓄能器圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

液壓系統(tǒng)的工作過程分為以下4 個階段：

1)啟動階段。帶式輸送機(jī)啟動，比例電磁鐵1YA和2YA得電，比例溢流閥4調(diào)定系統(tǒng)的工作壓力，比例節(jié)流閥5調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)動速度，開關(guān)電磁鐵4YA得電，3YA失電，壓力油通過三位四通電磁換向閥6的B口和液控單向閥7進(jìn)入油缸8的無桿腔，油缸伸出，使清掃器刮板與輸送機(jī)接觸，同時向蓄能器10內(nèi)充油，壓力傳感器9檢測無桿腔壓力。

2)正常運(yùn)行階段。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測到輸送機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時，此時壓力傳感器9檢測無桿壓力，如果沒有達(dá)到設(shè)定壓緊力的壓力值，則通過比例溢流閥4提高系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)繼續(xù)向油缸8無桿腔內(nèi)供油，直到無桿腔內(nèi)的壓力達(dá)到設(shè)定壓力。如果達(dá)到設(shè)定壓緊力的壓力值，此時所有電磁鐵均不得電，通過液控單向閥7將油缸無桿腔油液鎖住，蓄能器8為無桿腔保壓。

3)停止階段。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測到輸送機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，比例電磁鐵1YA和2YA得電，開關(guān)電磁鐵3YA得電，壓力油通過三位四通電磁換向閥6的A口進(jìn)入液壓缸8的無桿腔，同時控制液控單向閥7打開，油缸縮回，使清掃器刮板與輸送機(jī)脫離。

4)刮板磨損階段。當(dāng)刮板磨損，油缸8活塞桿推動旋轉(zhuǎn)組件，使刮板與輸送帶壓緊，此時由于活塞伸出，無桿腔內(nèi)壓力減小，無桿腔內(nèi)壓力通過壓力傳感器反饋給控制器，控制器控制比例電磁鐵1YA和2YA得電，開關(guān)電磁鐵4YA得電，向油缸8無桿腔內(nèi)補(bǔ)油，保證油缸8無桿腔內(nèi)壓力恒定。當(dāng)刮板磨損到極限時，油缸8活塞桿觸動行程開關(guān)，輸送機(jī)停機(jī)并且報警，提醒工人進(jìn)行更換。

3 恒壓緊力清掃器的液壓系統(tǒng)的仿真

根據(jù)上述的恒壓緊力清掃器的結(jié)構(gòu)，建立的仿真模型如圖3所示，為了保證仿真回路與實(shí)際工況接近，仿真回路中各部件的參數(shù)與原機(jī)一致，仿真回路的主要參數(shù)見表1。

油缸位移隨電磁閥控制信號輸出如圖4所示，在0～4s，電磁閥6的左位得電，油缸10伸出；在4～10s，電磁閥6處于中位，油缸伸出位移恒定，處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；在10～14s，電磁閥6右位通電，油缸縮回。

比例溢流閥與油缸各腔的壓力如圖5所示，在0～4s，油缸10伸出，比例溢流閥4在控制電流的總用下，控制泵出口的壓力逐漸上升，油缸10無桿腔的壓力也逐漸上升，油缸伸出到一定位移時，比例溢流閥4的控制壓力恒定，油缸無桿腔的壓力到壓力傳感器的調(diào)定壓力；在4～10s，油缸無桿腔壓力到壓力傳感器設(shè)定壓力，處于保壓狀態(tài)；在10～14s，電磁閥6右位通電，油缸10縮回，比例溢流閥4在控制電流的作用下，控制泵出口的壓力逐漸上升，油缸有桿腔壓力逐漸上升，油缸完全縮回時，比例溢流閥4壓力逐漸下降，有桿腔壓力也逐漸下降。

1—電機(jī)；2—液壓泵；3—單向閥；4—比例溢流閥；5—帶壓力補(bǔ)償?shù)碾娨罕壤?jié)流閥；6—三位四通電磁換向閥；7—液控單向閥；8—壓力傳感器；9—負(fù)載；10—液壓油缸；11—蓄能器圖3 液壓系統(tǒng)仿真圖

參數(shù)數(shù)值液壓泵排量V/(mL·r-1)28液壓泵轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1480活塞直徑d/mm25活塞行程L/mm50壓力傳感器設(shè)定壓力P1/MPa5蓄能器充氣壓力P2/MPa2蓄能器體積V/m30.001比例溢流閥額定壓力P3/MPa21比例流量閥額定流量Q/(m3·min-1)0.03

圖4 控制信號及油缸位移

圖5 油缸各腔及比例溢流閥壓力

圖5中可以看出，系統(tǒng)正常運(yùn)行時，油缸無桿腔的壓力一直為壓力傳感器的設(shè)定壓力，為清掃器提供恒定的壓緊力；比例溢流閥的壓力比油缸的壓力要高一定的值，主要是仿真時考慮系統(tǒng)內(nèi)的各部分壓力損失。

4 試驗驗證

試驗平臺主要包括帶式轉(zhuǎn)載機(jī)恒壓緊力液壓系統(tǒng)、壓力傳感器、測壓軟管及采集儀等。通過壓力傳感器采集油缸兩腔的壓力，給比例溢流閥輸入控制曲線，就可以改變油缸的進(jìn)油壓力，控制清掃器的壓緊力。

試驗現(xiàn)場考慮到摩擦及液壓系統(tǒng)的壓力損失因素，將比例溢流閥的設(shè)定壓力提高，設(shè)定壓力為7MPa，同時未減少壓力沖擊，設(shè)定平緩的比例溢流閥的控制信號。操作控制器使油缸伸出至工作位置，在此過程中采集并記錄比例溢流閥控制信號和油缸無桿腔壓力，試驗測試曲線如圖6、圖7所示。

圖6 比例溢流閥控制信號

圖7 油缸無桿腔壓力

從試驗測試曲線中可以看出，油缸無桿腔的壓力與比例溢流閥的控制曲線變化趨勢基本一致，刮片在壓緊時油缸壓力幾乎沒有波動，壓力基本穩(wěn)定在6MPa，達(dá)到了自動控制清掃器壓緊力的工作要求。

5 結(jié) 語

設(shè)計的恒壓緊力清掃器具有以下特點(diǎn)：①可自動調(diào)節(jié)清掃器的壓緊力；②高速的動態(tài)響應(yīng)能力，采用電液比例閥，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；③控制方便，可以實(shí)現(xiàn)對其遠(yuǎn)程控制。該裝置通過現(xiàn)場實(shí)際使用，清掃效果良好，大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度。