白曉滿

（中國平煤神馬集團(tuán) 天成實(shí)業(yè)分公司，河南　平頂山　467000）

帶式輸送機(jī)模擬加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究

白曉滿

（中國平煤神馬集團(tuán) 天成實(shí)業(yè)分公司，河南平頂山467000）

帶式輸送機(jī)作為高效礦用運(yùn)輸設(shè)備在國內(nèi)煤礦得到廣泛應(yīng)用，為了提高帶式輸送機(jī)的可靠性，文章從啟動(dòng)方面和制動(dòng)方面分析帶式輸送機(jī)，并研究了其模擬加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)，建立起一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。文章分析了該系統(tǒng)可以向軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)提供的研究實(shí)驗(yàn)條件，并為軟啟動(dòng)和軟制動(dòng)裝置在實(shí)際應(yīng)用中的選擇，以及先進(jìn)軟啟動(dòng)和軟制動(dòng)技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用提供參考。

軟起動(dòng)；軟制動(dòng)；帶式輸送機(jī)；模擬加載

1　概述

近年來，國內(nèi)外對(duì)大功率帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)要求以及驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行了大量的研究，由于大功率、長距離帶式輸送機(jī)的輸送帶是彈性體，電機(jī)啟動(dòng)，輸送帶上產(chǎn)生摩擦力，輸送帶會(huì)產(chǎn)生一定的變形，膠帶越長、反應(yīng)時(shí)間越短，對(duì)輸送帶的傷害越大，因此，為了提高大功率、長距離帶式輸送機(jī)的設(shè)備可靠性，延長其使用壽命，改善受力狀況，對(duì)于輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，需要盡量降低對(duì)設(shè)備的沖擊，因此就需要系統(tǒng)可以提供無沖擊、可靠平滑的啟動(dòng)與制動(dòng)力矩。

通過帶式輸送機(jī)的軟起動(dòng)裝置與軟制動(dòng)裝置來改善帶式輸送機(jī)的受力狀況，目前該類裝置的種類較多，裝置選擇的首要問題，主要體現(xiàn)在對(duì)軟啟動(dòng)裝置的可靠性以及軟制動(dòng)裝置的安全性和可靠性上。因此有必要建立一套模擬加載實(shí)驗(yàn)裝置，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)帶式輸送機(jī)進(jìn)行科學(xué)的研究與應(yīng)用。

2　主要研究內(nèi)容

根據(jù)帶式輸送機(jī)在實(shí)際工作狀況，對(duì)其進(jìn)行模擬而提出的模擬加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由于輸送機(jī)啟動(dòng)與運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的恒轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)，因此在模擬加載技術(shù)中，模擬負(fù)載也需要盡量為恒轉(zhuǎn)矩。該模擬加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用盤式加載裝置和交流發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)的模擬加載，通過液黏軟起動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)軟制動(dòng)實(shí)驗(yàn)的模擬加載，筆者對(duì)上述裝置的加載原理，結(jié)合工作過程分別進(jìn)行介紹說明。

3　軟起動(dòng)實(shí)驗(yàn)的模擬加載技術(shù)原理

可以通過盤式加載裝置、交流發(fā)電機(jī)加載或者二者結(jié)合的復(fù)合加載來進(jìn)行軟啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

3.1盤式加載裝置

盤式加載裝置即為盤式制動(dòng)器，其加載原理與制動(dòng)原理相同，在綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，可以作為制動(dòng)器來進(jìn)行各種軟制動(dòng)的試驗(yàn)，也能夠作為模擬加載裝置，在軟起動(dòng)實(shí)驗(yàn)中供模擬負(fù)載。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　盤式加載裝置

加載盤和加載器是盤式加載裝置的主要組成部件，加載器包括碟形彈簧、活塞和閘瓦。在油缸中的油壓和碟形彈簧的共同作用下，閘瓦和加載盤之間產(chǎn)生盤式加載裝置的摩擦制動(dòng)力矩，啟車時(shí)，解除制動(dòng)，通過高壓油管，壓力油進(jìn)入制動(dòng)器內(nèi)的活塞腔內(nèi)，碟形彈簧被壓縮，閘瓦與加載盤離開，啟動(dòng)輸送機(jī)。在需要加載的情況下，根據(jù)所需加載轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)比例閥，降低制動(dòng)油壓，經(jīng)過碟型彈簧的彈力以及油腔中壓力油的共同作用，在碟簧壓力的推動(dòng)下，活塞帶動(dòng)閘瓦壓向加載盤，并對(duì)加載盤產(chǎn)生一定正壓力。利用閘瓦與加載盤二者之間的摩擦產(chǎn)生模擬加載的制動(dòng)力，從而產(chǎn)生加載轉(zhuǎn)矩。該裝置相當(dāng)于帶載運(yùn)行條件下的輸送機(jī)，完成現(xiàn)場工況的模擬。加載過程中，加載盤受力分析如圖2所示。

圖2　加載過程受力圖

在加載過程中，正壓力N為：

N=F2-F1-W（1）

式中：F2：碟簧壓力，N；

W：制動(dòng)器的運(yùn)行部分的阻力，N。

F1：壓力油產(chǎn)生的壓力，Pa；

加載力矩與正壓力的關(guān)系為：

Mz=2nRNf（2）

式中：Mz：加載力矩，Nm；

n：制動(dòng)器副數(shù)；

N：盤式加載裝置對(duì)加載盤施加的正壓力，N；

R：平均摩擦半徑。

f：摩擦系數(shù)，取0.3-0.4；

將式（2）代入式（1）中，得到加載力矩與制動(dòng)油壓的關(guān)系：

Mz=2nRf（F2-pA-W）（3）

根據(jù)式（3）可知：

加載轉(zhuǎn)矩Mz與閘瓦副數(shù)成正比，因此能夠通過增加制動(dòng)器副數(shù)來大幅提高加載轉(zhuǎn)矩的能力，但如果制動(dòng)器副數(shù)過多，控制系統(tǒng)將變得復(fù)雜，造成加載盤升溫過快，因而制動(dòng)器副數(shù)不宜過多。

加載轉(zhuǎn)矩Mz與平均摩擦半徑R成正比，因此經(jīng)過增大平均摩擦半徑，加載轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)增大，然而摩擦半徑的增大必然會(huì)導(dǎo)致加載盤的半徑增大，導(dǎo)致成本的增加，另一方面加載盤半徑的最大值也受到允許的徑向尺寸限制。

加載轉(zhuǎn)矩Mz與閘瓦對(duì)加載盤的正壓力成正比，由于正壓力與碟簧壓力、壓力油產(chǎn)壓力以及制動(dòng)器部分阻力相關(guān)，并且對(duì)特定的加載裝置，碟簧壓力與加載器部分阻力是不變的，因此，改變加載力矩可以通過改變油壓來實(shí)現(xiàn)。

加載力矩Mz與油壓P呈線性關(guān)系，通過控制油壓的變化，就可以控制加載力矩。

3.2交流發(fā)電機(jī)加載

對(duì)于傾角比較大的下運(yùn)帶式輸送機(jī)，在滿負(fù)載條件下有可能處于發(fā)電狀態(tài)，因此在帶式輸送機(jī)的尾部設(shè)置一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)，來模擬下運(yùn)帶式輸送機(jī)發(fā)電工況。在交流電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)下模擬負(fù)載給輸送機(jī)。

4　軟制動(dòng)模擬研究

帶式輸送機(jī)由于在制動(dòng)過程中具有恒定轉(zhuǎn)矩，因此通過加載變化很小或者恒定的負(fù)載來模擬軟制動(dòng)實(shí)驗(yàn)，而在綜合試驗(yàn)系統(tǒng)中，是通過液黏軟起動(dòng)裝置來模擬加載量。

通過液體黏性傳動(dòng)來傳遞液體黏性軟起動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩。液體黏性傳動(dòng)屬于流體傳動(dòng)，但與傳統(tǒng)的液壓傳動(dòng)和液力傳動(dòng)相比，它在概念和工作原理上都有著本質(zhì)上的不同。液壓傳動(dòng)是基于帕斯卡定律，依靠液體的壓能傳遞動(dòng)力的；而液力傳動(dòng)則基于歐拉方程，根據(jù)液體動(dòng)量矩的變化而傳遞動(dòng)力；液體黏性傳動(dòng)則是根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，通過油膜的剪切力或者液體的黏性傳遞動(dòng)力。其工作原理如圖3所示。

圖3　流體的內(nèi)摩擦圖

兩塊平板平行放置，其間充滿黏性流體，其中油膜的厚度h，保持下板固定，當(dāng)上板平行下板并以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，板間流體會(huì)受到剪切。在速度不高時(shí)，流體相鄰層間的流動(dòng)狀態(tài)可視作相互平行的層流，下板表面流分子此時(shí)的速度為零，而黏附在上板表面流分子的速度則為v，兩板之間流體速度的變化符合線性規(guī)律。此時(shí)如果要保持上板的速度恒定為v，則所需的力與板的面積A與速度梯度成正比。

FAτ=（5）

上式中，τ：油膜的剪切應(yīng)力，N/m2；μ：動(dòng)力黏度，Pas；v：兩板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；h：油膜的厚度，m；A：平均有效面積，m2；F：油膜的剪切力，N。

根據(jù)式（4）、式（5）可得：剪切應(yīng)力τ與流體動(dòng)力黏度μ以及剪切速度v成正比，而與油膜厚度h成反比。因此為對(duì)F實(shí)現(xiàn)控制，需要對(duì)油膜厚度h進(jìn)行選擇。對(duì)于特定黏性的液體，在速度v一定的條件下，F(xiàn)會(huì)隨著h增大而減小，反之則增大。

設(shè)液體黏性傳動(dòng)裝置具有圓盤油膜n個(gè)，摩擦面的內(nèi)半徑為r1，外半徑r2，摩擦片的間隙h，主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速分別為ω1、ω2。當(dāng)用圓盤油膜進(jìn)行轉(zhuǎn)矩傳遞時(shí)，圓盤油膜半徑r處任一微小圓（面積dA=2πrdr），其切應(yīng)力τ=μr（ω1-ω2）/ h，剪切力為dF=τdA，傳遞轉(zhuǎn)矩dM=rdF，則有式（6）：

計(jì)算簡圖如圖4所示。

圖4　圓盤油膜剪切傳遞轉(zhuǎn)矩的計(jì)算簡圖

整個(gè)液體黏性傳動(dòng)裝置所能傳遞（加載）的轉(zhuǎn)矩：

即：

式中：M：所傳遞的轉(zhuǎn)矩（Nm）；N：圓盤的油膜數(shù)；ω1：主動(dòng)摩擦片角速度（rad/s）；ω2：從動(dòng)摩擦片角速度（rad/s）；u：動(dòng)力黏度（PaS）；r1：圓盤油膜的內(nèi)半徑（m）；r2：圓盤油膜的外半徑（m）；h：油膜的厚度（m）；i：傳動(dòng)比，i=ω2/ω1。

根據(jù)式（7）可得，摩擦副數(shù)與轉(zhuǎn)矩成正比，可利用增加黏液軟起動(dòng)裝置傳遞轉(zhuǎn)矩的能力，但是如果摩擦片數(shù)目過多，則會(huì)增大液黏軟啟動(dòng)裝置的軸向尺寸增大，而在液黏軟起動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，由于最小輸出轉(zhuǎn)矩較大，并且最小輸出的轉(zhuǎn)速較高，因此會(huì)影響實(shí)驗(yàn)，因此摩擦片數(shù)目不宜太多。傳遞轉(zhuǎn)矩M與圓盤油膜的外徑r2、內(nèi)徑r1的4次方之差成正比，增大r2或者減小r1都會(huì)較大改變傳遞矩。傳遞轉(zhuǎn)矩M隨著油的動(dòng)力黏度μ的增大而增大，但是μ的增大會(huì)增大潤滑阻力和控制系統(tǒng)阻力，增加油泵功耗，油溫升高過快，因此液壓油的動(dòng)力黏度不宜很高。對(duì)于液體黏性傳動(dòng)裝置，其傳動(dòng)矩、摩擦片轉(zhuǎn)速以及摩擦片間油膜的厚度之間，存在著耦合關(guān)系。力矩M隨著摩擦片間隙h的減小而增大，但由于輸出轉(zhuǎn)矩增大會(huì)導(dǎo)致動(dòng)摩擦片轉(zhuǎn)速增加，反而又會(huì)減小傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩。對(duì)于特定的液黏軟起動(dòng)裝置，其r1、r2、n、μ恒定，當(dāng)ω1為常數(shù)時(shí)，加載轉(zhuǎn)矩M的大小與傳動(dòng)比和油膜厚度相關(guān)，其關(guān)系見式（7）。當(dāng)油膜厚度h為定值時(shí)，傳動(dòng)比i減小，M增大。當(dāng)傳動(dòng)比為定值時(shí)，油膜厚度減小，M增大。因此，可以通過改變油壓的大小實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)油膜厚度h，從而起到調(diào)節(jié)加載轉(zhuǎn)矩的作用。

5　結(jié)語

通過以上對(duì)軟起動(dòng)、軟制動(dòng)模擬加載實(shí)驗(yàn)裝置的研究，文章提出了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主體方案，介紹了組成及工作原理，為帶式輸送機(jī)軟起動(dòng)和軟制動(dòng)技術(shù)提供性能對(duì)比以及特性研究，并對(duì)軟起動(dòng)與軟制動(dòng)裝置在實(shí)際應(yīng)用中的選擇提供借鑒。

由于受時(shí)間及水平限制，帶式輸送機(jī)模擬加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)還需進(jìn)一步深入研究完善，并注意以下問題：（1）需通過不斷的實(shí)驗(yàn)來對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行詳細(xì)的分析、研究與改進(jìn)。（2）對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行引用和開發(fā)，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及變化趨勢在實(shí)驗(yàn)過程可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)視及采集。

［1］于巖，李維堅(jiān).運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

［2］孫可文.帶式輸送機(jī)傳動(dòng)理論與設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1991.。

［3］周滿山.液體黏性軟起動(dòng)裝置的理論與應(yīng)用研究［M］.北京：北京理工大學(xué)，2003.

Experimental technique simulated loading of belt conveyor

Bai Xiaoman
（Tiancheng Industrial Branch of China Pingmei Shenma Group， Pingdingshan 467000， China）

As a high efficient mine transport equipment， belt conveyor is widely used in domestic coal mine. In order to improve the reliability of belt conveyor， the paper analyzed the belt conveyor and simulated loading experiment technology in view of starting and braking and established a set of experimental technology research system. This paper analyzes the research and experiment conditions provided for soft-start， soft-braking by the system and provided reference for whose choice of soft-start and soft-braking device in practical application and application in belt conveyor of soft-start and soft-braking technology.

soft-starting； soft-braking； belt conveyor； simulated loading

白曉滿（1966— ），男，河南平頂山，高級(jí)工程師，總經(jīng)理；研究方向：煤礦機(jī)電設(shè)備的技術(shù)研發(fā)，管理及市場分析。