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        下運帶斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)優(yōu)化及仿真研究*

        2020-03-04 06:06:54成志鋒
        機(jī)電工程 2020年1期
        關(guān)鍵詞:斷帶桿腔輸送帶

        成志鋒,陳 攀

        (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;3.浙江省機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會,浙江 杭州 310009)

        0 引 言

        由于皮帶運輸系統(tǒng)的皮帶在生產(chǎn)、安裝、維修及管理等方面存在的種種缺陷,導(dǎo)致皮帶斷裂(即所謂的鋼絲繩芯輸送帶斷裂)事故時有發(fā)生[1-3],斷帶保護(hù)裝置在保證輸送帶安全運輸方面發(fā)揮不可替代的作用[4-5]。國外主要側(cè)重于斷帶前的皮帶斷裂檢測研究,通過多種檢測手段進(jìn)行斷帶預(yù)測及監(jiān)控,及時更換有缺陷的皮帶,進(jìn)而保護(hù)皮帶運輸系統(tǒng)[6-7]。斷帶抓捕裝置主要利用帶斷或逆止器失效后沿傾斜方向下滑產(chǎn)生的摩擦力為驅(qū)動源,有效地把上、下重空段膠帶抓捕住,防止由此造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人身事故[8-10]。但抓捕斷帶后,加速下滑的輸送帶動能完全作用于斷帶抓捕裝置上,會對斷帶抓捕裝置產(chǎn)生巨大的沖擊,進(jìn)而對輸送帶沿線裝備造成嚴(yán)重破壞,影響煤礦正常運行。

        針對斷帶抓捕產(chǎn)生的沖擊問題,葛雨霞等[11]通過彈簧將斷帶抓捕夾持裝置和支架連接,吸收了斷帶抓捕的沖擊,但彈簧壓縮行程有限,吸收沖擊能力較低;楊寅威等[12-13]提出了利用液壓缸有桿腔外接溢流閥緩沖吸收斷帶抓捕沖擊的方法,溢流閥開啟時,液壓缸活塞桿伸出,有桿腔壓力可以阻止輸送帶的快速下滑;曹亞光[14]改進(jìn)了楔形斷帶抓捕液壓系統(tǒng),在液壓缸位移達(dá)到一半行程時,其有桿腔油液經(jīng)溢流閥溢流到油箱,從而緩沖了液壓缸末端的液壓沖擊;王利鋒[15]研究了溢流閥開啟壓力對緩沖油缸壓力、制動距離的影響情況,為下運帶式輸送機(jī)斷帶抓捕緩沖優(yōu)化研究提供了理論參考;成志鋒[16]通過溢流閥、液壓軟管、蓄能器組合吸收斷帶抓捕的沖擊,并通過仿真,驗證了其有效性和可行性。

        現(xiàn)有斷帶抓捕緩沖系統(tǒng)存在較大的振動問題,特別是輸送帶減速后期有明顯的余振和波動情況。

        針對上述缺陷,本文對下運輸送機(jī)斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,借助AMESIM搭建系統(tǒng)仿真模型,對比研究改進(jìn)前后系統(tǒng)的性能,分析溢流閥不同開啟壓力對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。

        1 原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)原理

        原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

        圖1 原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)簡圖

        在圖1中,斷帶抓捕裝置與液壓缸活塞桿相連,斷帶抓捕裝置移動帶動活塞桿伸出與縮回,液壓缸有桿腔與溢流閥連接,大腔直接與油箱相連。

        斷帶前,活塞桿處于縮回狀態(tài);發(fā)生斷帶后,斷帶抓捕裝置夾緊輸送帶,加速下滑的輸送帶沿箭頭方向驅(qū)動斷帶抓捕裝置移動,與其連接的活塞桿會迅速擠壓有桿腔液壓油。

        當(dāng)有桿腔液壓油壓力達(dá)到溢流閥的開啟壓力時,有桿腔液壓油溢流到油箱,活塞桿伸出,活塞桿擠壓液壓油的過程中,有桿腔壓力會反作用于活塞桿上,阻止活塞快速伸出,進(jìn)而對斷帶抓捕裝置產(chǎn)生一定緩沖作用。

        2 原緩沖系統(tǒng)模型建立及仿真分析

        基于AMESIM,本文搭建了斷帶抓捕液壓緩沖模型簡圖,如圖2所示。

        圖2 斷帶抓捕緩沖系統(tǒng)簡圖

        由于斷帶抓捕裝置沿線布置于輸送帶托輥之間,而托輥間距一般為1.5 m[17],因此,液壓缸行程暫定L=1.5 m,液壓缸缸徑取D=100 mm,桿徑取d=50 mm。

        斷帶抓捕裝置及斷帶總質(zhì)量按6 000 kg計算[18],輸送帶速度為4.0 m/s,下運傾角為20°。

        原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

        表1 原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)仿真參數(shù)

        設(shè)定仿真步長為0.001 s,仿真時間為2 s,可得到原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)緩沖性能曲線圖,如圖3所示。

        圖3 原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)性能圖

        由圖3可得:

        緩沖過程中,液壓缸位移在1.08 m上下持續(xù)波動,輸送帶速度在-0.15 m/s~+0.15 m/s持續(xù)波動,液壓缸有桿腔壓力在0~10 MPa之間同樣持續(xù)波動。

        由此可見,在緩沖輸送帶的沖擊時,原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)會產(chǎn)生劇烈的振動現(xiàn)象。

        3 改進(jìn)斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)原理及建模

        基于原斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)的仿真分析,本文對斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

        改進(jìn)后的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)原理及仿真模型示意圖如圖4所示。

        (a)改進(jìn)的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)原理圖

        (b)改進(jìn)的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型圖

        圖4中,改進(jìn)后的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)主要由復(fù)位液壓缸、溢流閥、阻尼孔、單向閥組成。當(dāng)發(fā)生斷帶時,斷帶抓捕裝置夾緊輸送帶,與之連接的活塞桿擠壓無桿腔液壓油,無桿腔部分液壓油經(jīng)阻尼孔流回有桿腔。

        為防止有桿腔吸空,油液通過單向閥為有桿腔補(bǔ)液;與此同時,無桿腔液壓油壓力達(dá)到溢流閥開啟壓力時,會溢流到油箱。

        改進(jìn)后的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)主要優(yōu)點為:

        (1)無桿腔為緩沖腔,因此,相比原系統(tǒng),有更多的液壓油可作為緩沖油液;根據(jù)克拉伯龍方程(pV=定值)可知,緩沖過程的液壓缸無桿腔壓力會有所降低;

        (2)無桿腔與有桿腔通過阻尼孔連接,因此,在緩沖過程中,當(dāng)無桿腔壓力低于溢流閥開啟壓力時,無桿腔油液緩慢流回到有桿腔;相比原緩沖系統(tǒng),當(dāng)有桿腔壓力低于溢流閥開啟壓力前,無桿腔與有桿腔連通,可以避免系統(tǒng)產(chǎn)生較大振動。

        4 改進(jìn)的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)仿真分析

        設(shè)定仿真步長為0.001 s,仿真時間為2 s。仿真參數(shù)表如表2所示。

        表2 改進(jìn)的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)仿真參數(shù)

        仿真得到改進(jìn)后的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)性能圖如圖5所示。

        圖5 改進(jìn)后的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)性能圖

        由圖(3,5)可知:

        在緩沖過程中,改進(jìn)后的緩沖系統(tǒng)液壓缸位移速度及無桿腔壓力波動程度明顯降低。

        在緩沖過程中,液壓缸無桿腔一部分流量經(jīng)溢流閥溢流到油箱,瞬時最大溢流流量為1 800 L/min,另一部分流量經(jīng)阻尼孔流回有桿腔,最大流量為84 L/min;由于輸送帶速度較大,活塞迅速縮回,液壓缸有桿腔會吸空,單向閥最大補(bǔ)油流量為450 L/min。

        顯然,在緩沖過程中,溢流閥和阻尼孔均能起到緩沖作用。

        在0.35 s時,溢流流量將為0 L/min,溢流閥關(guān)閉,阻尼孔流量由84 L/min緩慢減小至0 L/min,正是由于阻尼孔的作用,液壓缸位移、速度始終無波動。

        在溢流閥壓力為8 MPa、10 MPa、12 MPa、14 MPa時,本文對緩沖系統(tǒng)進(jìn)行仿真,得到溢流閥對改進(jìn)的緩沖系統(tǒng)的影響規(guī)律圖,如圖6所示。

        由圖6可知:溢流閥開啟壓力由8 MPa增大到14 MPa,液壓缸位移由0.97 m減小到0.5 m,液壓缸速度減幅增大,平滑性基本不變,液壓缸無桿腔壓力波動程度增大。

        圖6 溢流壓力對改進(jìn)系統(tǒng)的影響規(guī)律圖

        4 結(jié)束語

        本文介紹了原下運帶式輸送機(jī)斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)工作原理,對系統(tǒng)存在的振動現(xiàn)象進(jìn)行了仿真建模分析;對原緩沖系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,并搭建模型進(jìn)行了系統(tǒng)緩沖性能的仿真研究,分析了溢流閥開啟壓力對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律,得出以下結(jié)論:

        (1)在緩沖過程中,原下運帶式輸送機(jī)斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)存在明顯的振動現(xiàn)象;

        (2)改進(jìn)的斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)液壓缸位移、速度、壓力波動程度降低,在溢流閥關(guān)閉后,阻尼孔能發(fā)揮較好的減振緩沖作用;

        (3)溢流閥開啟壓力增大,液壓缸位移增大,液壓缸速度平滑性不變;降幅增大,液壓缸無桿腔壓力波動程度有所增加。

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