带式输送机恒压紧力清扫器的研究

冀鹏飞

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006)

智慧矿山是矿山企业发展的新方向，实现矿井开拓、采掘、运通、洗选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程智能化运行[1-3]。带式输送机是煤炭运通的主要设备，广泛应用于井工、露天开采的煤炭运输，由于运输距离长，输送功率大，发生跑偏、打滑、堆料、断带等故障的概率较大[4-5]。这对带式输送机的性能具有更高的要求，由于带式输送机运行状况复杂，实际生产中，需要人员对设备的运行状态进行巡查，无人值守的实现还比较困难，无法满足煤矿高产高效的需求[6-8]。

目前对于带式输送机的驱动、制动、张紧等工况进行研究，根据带式运输机的运行状况，提出了各种工况计算的基本准则和不同的控制装置等[9，10]。但是对于带式输送机上自动张紧的清扫器研究较少。当前，带式输送机上广泛应用结构简单的刮板式清扫器，刮板与输送带之间的预紧力主要依靠弹簧力或是配重重力。但是随着刮板的磨损，该预紧力会逐渐减少，输送带表面的压紧力不足，使清扫效果变差。文中设计了一款恒压紧力清扫器，在现有刮板式清扫器的结构上，增加电液比例控制系统，实现刮板的恒定压紧力。

1 恒压紧力清扫器工作原理及特点

恒压紧力清扫器的结构如图1所示，清扫器组件由刮板、滚筒、旋转组件、行程开关、液压系统、电气控制系统组成。液压系统由液压缸、电液比例控制阀组及胶管组成，其中电液比例控制阀组由比例溢流阀，比例节流阀，电磁换向阀和蓄能器组成；电气控制系统由控制器、压力传感器、旋转变压器及行程开关组成。清扫器组件固定在机架上，旋转组件与清扫器及液压缸活塞杆连接；油缸、电液比例控制阀组分别固定在机架上，液压缸有杆腔及无杆腔通过胶管与电液比例控制阀组的控制油口连接，电液比例控制阀组控制液压缸的往复运动，使刮板与输送带压紧或松开，压紧时，蓄能器为液压缸无杆腔保压；压力传感器检测液压缸无杆腔的压力，旋转变压器检测输送带是否转动，行程开关使刮板达到磨损极限后，使系统自动停机或报警。

1—刮板；2—滚筒；3—旋转组件；4—行程开关；5—液压系统；6—电气控制系统图1 恒压紧力清扫器结构

2 恒压紧力清扫器的液压系统设计

该带式输送机恒压紧力清扫器的液压系统如图2所示，主要由电机、液压泵、单向阀、电液比例溢流阀、带压力补偿的电液比例节流阀、三位四通电磁换向阀、液控单向阀、液压油缸、压力传感器、蓄能器、蓄能器泄油电磁阀组成。液压系统的压力油源可以使用小型的泵站或者直接接到带式输送机的液压系统中。

1—电机；2—液压泵；3—单向阀；4—电液比例溢流阀；5—带压力补偿的电液比例节流阀；6—三位四通电磁换向阀；7—液控单向阀；8—液压油缸；9—压力传感器；10—蓄能器图2 液压系统原理图

液压系统的工作过程分为以下4 个阶段：

1)启动阶段。带式输送机启动，比例电磁铁1YA和2YA得电，比例溢流阀4调定系统的工作压力，比例节流阀5调节液压缸的运动速度，开关电磁铁4YA得电，3YA失电，压力油通过三位四通电磁换向阀6的B口和液控单向阀7进入油缸8的无杆腔，油缸伸出，使清扫器刮板与输送机接触，同时向蓄能器10内充油，压力传感器9检测无杆腔压力。

2)正常运行阶段。当旋转变压器检测到输送机达到设定转速时，此时压力传感器9检测无杆压力，如果没有达到设定压紧力的压力值，则通过比例溢流阀4提高系统压力，系统继续向油缸8无杆腔内供油，直到无杆腔内的压力达到设定压力。如果达到设定压紧力的压力值，此时所有电磁铁均不得电，通过液控单向阀7将油缸无杆腔油液锁住，蓄能器8为无杆腔保压。

3)停止阶段。当旋转变压器检测到输送机转速降低时，比例电磁铁1YA和2YA得电，开关电磁铁3YA得电，压力油通过三位四通电磁换向阀6的A口进入液压缸8的无杆腔，同时控制液控单向阀7打开，油缸缩回，使清扫器刮板与输送机脱离。

4)刮板磨损阶段。当刮板磨损，油缸8活塞杆推动旋转组件，使刮板与输送带压紧，此时由于活塞伸出，无杆腔内压力减小，无杆腔内压力通过压力传感器反馈给控制器，控制器控制比例电磁铁1YA和2YA得电，开关电磁铁4YA得电，向油缸8无杆腔内补油，保证油缸8无杆腔内压力恒定。当刮板磨损到极限时，油缸8活塞杆触动行程开关，输送机停机并且报警，提醒工人进行更换。

3 恒压紧力清扫器的液压系统的仿真

根据上述的恒压紧力清扫器的结构，建立的仿真模型如图3所示，为了保证仿真回路与实际工况接近，仿真回路中各部件的参数与原机一致，仿真回路的主要参数见表1。

油缸位移随电磁阀控制信号输出如图4所示，在0～4s，电磁阀6的左位得电，油缸10伸出；在4～10s，电磁阀6处于中位，油缸伸出位移恒定，处于稳定工作状态；在10～14s，电磁阀6右位通电，油缸缩回。

比例溢流阀与油缸各腔的压力如图5所示，在0～4s，油缸10伸出，比例溢流阀4在控制电流的总用下，控制泵出口的压力逐渐上升，油缸10无杆腔的压力也逐渐上升，油缸伸出到一定位移时，比例溢流阀4的控制压力恒定，油缸无杆腔的压力到压力传感器的调定压力；在4～10s，油缸无杆腔压力到压力传感器设定压力，处于保压状态；在10～14s，电磁阀6右位通电，油缸10缩回，比例溢流阀4在控制电流的作用下，控制泵出口的压力逐渐上升，油缸有杆腔压力逐渐上升，油缸完全缩回时，比例溢流阀4压力逐渐下降，有杆腔压力也逐渐下降。

1—电机；2—液压泵；3—单向阀；4—比例溢流阀；5—带压力补偿的电液比例节流阀；6—三位四通电磁换向阀；7—液控单向阀；8—压力传感器；9—负载；10—液压油缸；11—蓄能器图3 液压系统仿真图

参数数值液压泵排量V/(mL·r-1)28液压泵转速/(r·min-1)1480活塞直径d/mm25活塞行程L/mm50压力传感器设定压力P1/MPa5蓄能器充气压力P2/MPa2蓄能器体积V/m30.001比例溢流阀额定压力P3/MPa21比例流量阀额定流量Q/(m3·min-1)0.03

图4 控制信号及油缸位移

图5 油缸各腔及比例溢流阀压力

图5中可以看出，系统正常运行时，油缸无杆腔的压力一直为压力传感器的设定压力，为清扫器提供恒定的压紧力；比例溢流阀的压力比油缸的压力要高一定的值，主要是仿真时考虑系统内的各部分压力损失。

4 试验验证

试验平台主要包括带式转载机恒压紧力液压系统、压力传感器、测压软管及采集仪等。通过压力传感器采集油缸两腔的压力，给比例溢流阀输入控制曲线，就可以改变油缸的进油压力，控制清扫器的压紧力。

试验现场考虑到摩擦及液压系统的压力损失因素，将比例溢流阀的设定压力提高，设定压力为7MPa，同时未减少压力冲击，设定平缓的比例溢流阀的控制信号。操作控制器使油缸伸出至工作位置，在此过程中采集并记录比例溢流阀控制信号和油缸无杆腔压力，试验测试曲线如图6、图7所示。

图6 比例溢流阀控制信号

图7 油缸无杆腔压力

从试验测试曲线中可以看出，油缸无杆腔的压力与比例溢流阀的控制曲线变化趋势基本一致，刮片在压紧时油缸压力几乎没有波动，压力基本稳定在6MPa，达到了自动控制清扫器压紧力的工作要求。

5 结 语

设计的恒压紧力清扫器具有以下特点：①可自动调节清扫器的压紧力；②高速的动态响应能力，采用电液比例阀，提高系统的响应速度；③控制方便，可以实现对其远程控制。该装置通过现场实际使用，清扫效果良好，大大减轻了工人的劳动强度。