带式输送机液压驱动系统的设计_张斌.pdf

带式输送机液压驱动系统的设计张斌（山西焦煤西山煤电屯兰矿安监处，山西古交030200）摘要：为了使带式输送机的稳定性以及可靠性得到进一步的提高，首先对带式输送机液压驱动系统的性能要求作了简要分析，在此基础上，对带式输送机液压传动系统进行了总体设计，并对液压传动系统中的重要部件进行了设计和选型。为了验证驱动系统的可行性，通过 AMESim 软件对其性能进行了仿真模拟分析，最后达到增加带式输送机在运行过程中的平稳性的效果。关键词：带式输送机；液压驱动；仿真分析；系统设计；平稳性中图分类号：TD634.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0015-030引言现阶段，带式输送机已经逐渐成为了煤矿井下不可缺少的重要运输设备，其在运行过程中稳定性及可靠性的好坏将直接影响煤矿企业的生产效率以及经济效益1。而其中的液压驱动系统又是整个带式输送机的重要动力来源，该系统运行的是否正常有序也关乎整体设备的稳定性，其主要对带式输送机的启动特性有着较大影响。所以，关于带式输送机的液压驱动系统的优化设计显得十分必要。为此，本文展开了对带式输送机液压驱动系统的研究设计，还对其主要核心部件进行了设计选型工作，并结合仿真模拟手段对其性能的可靠性及设备的可行性进行了进一步验证。1带式输送机驱动系统的性能要求根据大量的工程实际反馈可知，如果带式输送机驱动系统的性能较差，那么其在启动时会极其不稳定，主要表现为输送带的张力在短时间内急剧上升造成了皮带的打滑现象，同时还会对工作面的电网产生较大的冲击2。为了避免上述现象的出现，本文对带式输送机驱动系统的性能要求进行了分析：1）带式输送机在启动过程中，如若想要达到平稳状态，就必须依照特定的速度曲线来完成启动动作，这就要求带式输送机的驱动系统可以按照实际工况略微调整启动的时间，从而进一步控制带式输送机启动阶段的加速度大小；2）考虑到带式输送机的电动机不止一台，因此所设计的驱动系统要满足多电机同时启动的功能；3）在带式输送机运行的过程中，难免会出现设备的过载现象，所以要施加过载保护以防止设备出现损坏；4）带式输送机自身要具备紧急制动功能，以备设备故障时可以及时停机检修。2带式输送机驱动系统的总体结构组成目前，我国已知的带式输送机传动系统类型包括机械驱动系统、电力驱动系统、液力驱动系统以及液压驱动系统。其中液压驱动系统是目前使用最为广泛的，不仅适用于煤矿生产运输中，对于机械运输以及冶金行业等同样适用，且液压驱动系统与其他驱动方式相比，有着较好的控制性能。综合以上分析，对带式输送机驱动系统采用液压驱动方式来进行控制。如图1 所示，为带式输送机液压驱动系统的总体结构组成示意图，其中主要包括动力站（电动机）、油路、液压马达、液压泵、液压油箱以及各种液压阀门等部件。3带式输送机驱动系统的设计本文将研究对象定为特定型号的带式输送机，在对其驱动系统进行设计的过程中，主要针对系统内部相应的核心结构以及核心参数开展了设计选型工作。其中带式输送机所涉及的关键参数大小见表 1。带式输送机的液压驱动系统在工作时，会伴随一定的工作压力大小。在对该值进行设计时，要综合考虑输送带自身的运输能力大小以及运输成本等影响因素。当所设计的带式输送机液压驱动系统工作压力过低时，会使得驱动系统整体没有那么灵活，并且其收稿日期：2022-04-13作者简介：张斌（1991），男，山西五台人，本科，毕业于太原理工大学采矿工程专业，研究方向为机电。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.006图 1带式输送机液压驱动系统的总体结构参数名称参数值运输能力/（t h-1）600输送带物料堆积密度/（kg m-3）900输送带运输速度/（m s-1）2输送带的宽度/mm1 000带式输送机的滚筒直径/mm630表 1带式输送机的关键参数输送带液压马达动力站油路驱动滚筒试验研究机械管理开发第 38 卷制造成本也会进一步加大；相反，如果将驱动系统的工作压力设计的过大，那么液压装置中的液压油会出现泄露的现象，油箱的容积也会相应的降低。所以，带式输送机的驱动系统工作压力大小要综合考虑设备整体的负载大小以及主电机的型号来进行最终的确定。由表 1 中的带式输送机关键参数大小，初步确定输送机液压驱动系统的工作压力大小为 25 MPa。3.1液压马达参数的确定在液压马达的各项参数中，属排量大小最为关键，其具体排量 Vm计算公式如下：Vm=2T（p1-p2）m.式中：T 为带式输送机滚筒的最大扭矩，取 8.2 kN m；p1为液压马达的工作压力，取 25MPa；p2为液压马达的回路背压，取 1MPa；m为液压马达的机械效率，取 0.9。将相关数据代入式（1），计算出液压马达的最大排量为 2.4 L/r。根据市场上各种型号的液压马达，最终选择液压马达 1qjm-53-3.2。由表 1 可知，电机最大排量为3.24 L/r，最大工作压力可达 31.5 MPa。正常工况下，工作压力为 20 MPa，非常符合系统的设计要求。此外，这种液压马达的最大流量约为 161 L/min。3.2液压泵参数的确定液压马达和液压泵之间的液压油中有一定的压力损失，为 1 MPa。因此，液压泵的最大工作压力为25 MPa+1 MPa=26 MPa。液压泵的额定流量可根据液压马达的最大流量和泄漏系数 1.1 确定，即额定流量=1.1161 L/min=177.1 L/min。根据计算的液压泵的最大工作压力和额定流量，可以确定液压泵的型号，即 160cy14-1b 型液压泵。所选液压泵的最大工作压力可达 32 MPa，正常运行时排量为 250 mL/r。4带式输送机驱动系统特性依照所选择的带式输送机的具体关键参数大小以及驱动系统的设计参数值，利用 AMESim 建模软件建立带式输送机传动系统的仿真模型并进行分析。模拟时间设定为 173 s，在带式输送机启动、运行和制动三种特定工况下对驱动系统的性能进行模拟研究3。此外，重点观察液压马达的转速以及液压泵出口压力和出口流量的变化。4.1液压泵出口压力的仿真模拟结果液压泵出口压力的仿真曲线如图 2 所示。从图 2中可以发现，带式输送机刚启动时，液压泵出口压力急剧上升。这种现象主要是由于启动对整个泵体的影响，从 0110 s 是带式输送机的启动阶段，液压泵的工作压力在 110 s 左右达到最大值，即 26 MPa；在这之后，带式输送机保持平稳运行状态；再经 30 s 后设备开始进行制动，此时相应的液压泵的出口压力会逐渐降低，且在超过 160 s 左右处，液压泵又再次趋于平稳。4.2液压泵出口流量仿真结果如图 3 所示，为液压泵出口流量模拟曲线示意图。从图 3 中可以看出，随着带式输送机的启动，液压泵也会受到冲击，具体表现为液压泵出口流量的大小会出现瞬间的增大，然后急剧下降，随后液压泵的流量才达到稳定上升的状态，同时在设备运行到 110 s左右时，出口流量大小也会趋于平稳，此时的出口流量大小会稳定在 175 L/min 左右；并且在带式输送机平稳运行 30 s 左右后进行制动，相应的液压泵的出口流量大小会慢慢降低；等流量大小为 0 时，就意味着液压阀门已经关闭。4.3液压马达转速仿真结果如图 4 所示，为液压马达转速的仿真曲线示意图。从图 4 中可以发现，当设备启动时，液压马达的转速大小会逐渐增大，两次平稳上升，两次平稳运行，最图 2液压泵出口压力的仿真曲线图 3液压泵的出口流量仿真曲线图 4液压马达的仿真曲线2824201612840204060801001201401601800时间/s压力/MPa1751501251007550250100150200500时间/s流量/（L min-1）6050403020100100150200500时间/s转速/（r min-1）162023 年第 6 期终液压马达转速稳定在 60 r/min；液压马达稳定运行约 40 s 后，整个设备开始制动；制动过程需要 30 s。30 s 后，液压马达转速为 0，整个制动过程结束。综合以上仿真分析结果，本文设计的带式输送机液压驱动系统可以使设备在启动、运行以及制动的过程中达到近乎平稳的状态，特别是在设备的启动阶段，带式输送机可以依照预定的速度曲线完成启动过程。5结语作为井下综采工作面的重要运输设备，带式输送机在运行过程中能否保持稳定可靠，在很大程度上依赖于其内部的驱动系统。为此，本文对特定型号的带式输送机驱动系统进行了设计，并重点进行了关键参数的选型设计工作。最终，为了验证该系统性能的可靠性，又开展了仿真模拟分析，其结果表明设计的带式输送机液压驱动系统可以使设备在启动、运行以及制动的过程中达到近乎平稳的状态，有一定的应用价值。参考文献1王浏洁.带式输送机液压驱动系统的设计J.机械管理开发，2021，36（1）：43-45.2郭浩，熊晓燕，郝惠敏，等.带式输送机电液并联式混合驱动系统的研究J.液压与气动，2019（4）：88-92.3孙晓.液压驱动系统在带式输送机中的应用J.煤炭工程，2003（2）：9-11.（编辑：柴晓峰）Design of Hydraulic Drive System for a Belt ConveyorZhang Bin（Shanxi Coking Coal Xishan Coal&Electric Tunlan Mine Safety Supervision Department,Gujiao Shanxi030200）Abstract:In order to further improve the stability as well as the reliability of the belt conveyor,this paper firstly makes a brief analysis ofthe performance requirements of the hydraulic drive system of the belt conveyor,based on which the overall design of the hydraulic drivesystem of the belt conveyor is carried out,and the design and selection of the important components in the hydraulic drive system are made.In order to verify the feasibility of the drive system,its performance was simulated and analysed by AMESim software,and finally the effectof increasing the smoothness of the belt conveyor during operation was achieved.Key words:belt conveyor;hydraulic drive;simulation analysis;system design;stability最终发现此改进方案不仅可以进一步提高液压支架顶梁结构强度性能，还不会对其他液压支架结构部分的正常使用造成过多影响，说明此改进方案具有较强有效性，可在后续液压支架顶梁结构改进优化中进行参考应用。5结语液压支架作为煤矿开采工作面的重要组成内容，其性能将会直接影响到开采工作面的安全性和生产效率。因此，煤矿企业必须要提高对液压支架改造升级的重视性，根据液压支架具体应用实际，科学制定液压支架顶梁有限元试验方案，保障试验结果的有效性同时，为后续液压支架顶梁结构改造升级提供重要指导。基于此思想，本文提出一种液压支架顶梁改进方案，并在后续工程实践中初步验证此改进方案的有效性和实用性，煤矿企业在实施液压支架改造时可以此为参考进行结构再优化。参考文献1刘向丽，董峰，袁慧娟.掩护式液压支架掩护梁受力有限元分析及其结构优化J.煤矿机械，2021，42（4）：126-130.2袁慧娟，刘向丽.液压支架掩护梁强度有限元分析及优化J.设备管理与维修，2021（15）：131-132.3刘丁未，翟国栋，李秀明.ZY8640/2550/5500 型液压支架立柱受载特性的有限元分析J.煤矿机械，2020，41（9）：69-72.（编辑：李俊慧）A study of the Strength of Mining Hydraulic Support Roof Beams during OperationLi Siwei（Shaanxi Chenghe Huayu Engineering Co.,Ltd.,Weinan Shaanxi 715200）Abstract:Based on the structural composition of the hydraulic support,the three-dimensional model and finite element model of the topbeam of the hydraulic support are constructed respectively,and based on this,the finite element analysis software ANSYS is used toanalyze the strength of the top beam of the hydraulic support from four perspectives:end load test of the top beam,deflection load test ofthe top beam,torsion test of the top beam and concentrated load test of the top beam,and then point out the shortcomings of the currentstructure of the top beam of the hydraulic support.Finally,the improvement scheme was applied to engineering practice to test theeffectiveness of the improvement scheme.Key words:hydraulic bracket;beam;strength analysis;finite element analysis（上接第 14 页）张斌：带式输送机液压驱动系统的设计17