冀鵬飛

(1.中國(guó)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(guò)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(zhǎng)，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(duì)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(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行巡查，無(wú)人值守的實(shí)現(xiàn)還比較困難，無(wú)法滿足煤礦高產(chǎn)高效的需求[6-8]。

目前對(duì)于帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、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(jì)算的基本準(zhǔn)則和不同的控制裝置等[9，10]。但是對(duì)于帶式輸送機(jī)上自動(dòng)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(jiǎn)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(huì)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(jì)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(wú)桿腔通過(guò)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(dòng)，使刮板與輸送帶壓緊或松開，壓緊時(shí)，蓄能器為液壓缸無(wú)桿腔保壓；壓力傳感器檢測(cè)液壓缸無(wú)桿腔的壓力，旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)輸送帶是否轉(zhuǎn)動(dòng)，行程開關(guān)使刮板達(dá)到磨損極限后，使系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)或報(bào)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(jì)

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(guò)程分為以下4 個(gè)階段：

1)啟動(dòng)階段。帶式輸送機(jī)啟動(dòng)，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(dòng)速度，開關(guān)電磁鐵4YA得電，3YA失電，壓力油通過(guò)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(wú)桿腔，油缸伸出，使清掃器刮板與輸送機(jī)接觸，同時(shí)向蓄能器10內(nèi)充油，壓力傳感器9檢測(cè)無(wú)桿腔壓力。

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

3)停止階段。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)到輸送機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，比例電磁鐵1YA和2YA得電，開關(guān)電磁鐵3YA得電，壓力油通過(guò)三位四通電磁換向閥6的A口進(jìn)入液壓缸8的無(wú)桿腔，同時(shí)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(dòng)旋轉(zhuǎn)組件，使刮板與輸送帶壓緊，此時(shí)由于活塞伸出，無(wú)桿腔內(nèi)壓力減小，無(wú)桿腔內(nèi)壓力通過(guò)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(wú)桿腔內(nèi)補(bǔ)油，保證油缸8無(wú)桿腔內(nèi)壓力恒定。當(dāng)刮板磨損到極限時(shí)，油缸8活塞桿觸動(dòng)行程開關(guān)，輸送機(jī)停機(jī)并且報(bào)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(hào)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(wú)桿腔的壓力也逐漸上升，油缸伸出到一定位移時(shí)，比例溢流閥4的控制壓力恒定，油缸無(wú)桿腔的壓力到壓力傳感器的調(diào)定壓力；在4～10s，油缸無(wú)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(shí)，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(hào)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(shí)，油缸無(wú)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(shí)考慮系統(tǒng)內(nèi)的各部分壓力損失。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)平臺(tái)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(cè)壓軟管及采集儀等。通過(guò)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(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)未減少壓力沖擊，設(shè)定平緩的比例溢流閥的控制信號(hào)。操作控制器使油缸伸出至工作位置，在此過(guò)程中采集并記錄比例溢流閥控制信號(hào)和油缸無(wú)桿腔壓力，試驗(yàn)測(cè)試曲線如圖6、圖7所示。

圖6 比例溢流閥控制信號(hào)

圖7 油缸無(wú)桿腔壓力

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

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的恒壓緊力清掃器具有以下特點(diǎn)：①可自動(dòng)調(diào)節(jié)清掃器的壓緊力；②高速的動(dòng)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(duì)其遠(yuǎn)程控制。該裝置通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，清掃效果良好，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。