下运带断带抓捕液压缓冲系统优化及仿真研究*

成志锋，陈 攀

(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；3.浙江省机械工业联合会，浙江 杭州 310009)

0 引 言

由于皮带运输系统的皮带在生产、安装、维修及管理等方面存在的种种缺陷，导致皮带断裂(即所谓的钢丝绳芯输送带断裂)事故时有发生[1-3]，断带保护装置在保证输送带安全运输方面发挥不可替代的作用[4-5]。国外主要侧重于断带前的皮带断裂检测研究，通过多种检测手段进行断带预测及监控，及时更换有缺陷的皮带，进而保护皮带运输系统[6-7]。断带抓捕装置主要利用带断或逆止器失效后沿倾斜方向下滑产生的摩擦力为驱动源，有效地把上、下重空段胶带抓捕住，防止由此造成重大经济损失和人身事故[8-10]。但抓捕断带后，加速下滑的输送带动能完全作用于断带抓捕装置上，会对断带抓捕装置产生巨大的冲击，进而对输送带沿线装备造成严重破坏，影响煤矿正常运行。

针对断带抓捕产生的冲击问题，葛雨霞等[11]通过弹簧将断带抓捕夹持装置和支架连接，吸收了断带抓捕的冲击，但弹簧压缩行程有限，吸收冲击能力较低；杨寅威等[12-13]提出了利用液压缸有杆腔外接溢流阀缓冲吸收断带抓捕冲击的方法，溢流阀开启时，液压缸活塞杆伸出，有杆腔压力可以阻止输送带的快速下滑；曹亚光[14]改进了楔形断带抓捕液压系统，在液压缸位移达到一半行程时，其有杆腔油液经溢流阀溢流到油箱，从而缓冲了液压缸末端的液压冲击；王利锋[15]研究了溢流阀开启压力对缓冲油缸压力、制动距离的影响情况，为下运带式输送机断带抓捕缓冲优化研究提供了理论参考；成志锋[16]通过溢流阀、液压软管、蓄能器组合吸收断带抓捕的冲击，并通过仿真，验证了其有效性和可行性。

现有断带抓捕缓冲系统存在较大的振动问题，特别是输送带减速后期有明显的余振和波动情况。

针对上述缺陷，本文对下运输送机断带抓捕液压缓冲系统进行优化设计，借助AMESIM搭建系统仿真模型，对比研究改进前后系统的性能，分析溢流阀不同开启压力对系统性能的影响规律。

1 原断带抓捕液压缓冲系统原理

原断带抓捕液压缓冲系统简图如图1所示。

图1 原断带抓捕液压缓冲系统简图

在图1中，断带抓捕装置与液压缸活塞杆相连，断带抓捕装置移动带动活塞杆伸出与缩回，液压缸有杆腔与溢流阀连接，大腔直接与油箱相连。

断带前，活塞杆处于缩回状态；发生断带后，断带抓捕装置夹紧输送带，加速下滑的输送带沿箭头方向驱动断带抓捕装置移动，与其连接的活塞杆会迅速挤压有杆腔液压油。

当有杆腔液压油压力达到溢流阀的开启压力时，有杆腔液压油溢流到油箱，活塞杆伸出，活塞杆挤压液压油的过程中，有杆腔压力会反作用于活塞杆上，阻止活塞快速伸出，进而对断带抓捕装置产生一定缓冲作用。

2 原缓冲系统模型建立及仿真分析

基于AMESIM，本文搭建了断带抓捕液压缓冲模型简图，如图2所示。

图2 断带抓捕缓冲系统简图

由于断带抓捕装置沿线布置于输送带托辊之间，而托辊间距一般为1.5 m[17]，因此，液压缸行程暂定L=1.5 m，液压缸缸径取D=100 mm，杆径取d=50 mm。

断带抓捕装置及断带总质量按6 000 kg计算[18]，输送带速度为4.0 m/s，下运倾角为20°。

原断带抓捕液压缓冲系统仿真参数如表1所示。

表1 原断带抓捕液压缓冲系统仿真参数

设定仿真步长为0.001 s，仿真时间为2 s，可得到原断带抓捕液压缓冲系统缓冲性能曲线图，如图3所示。

图3 原断带抓捕液压缓冲系统性能图

由图3可得：

缓冲过程中，液压缸位移在1.08 m上下持续波动，输送带速度在-0.15 m/s～+0.15 m/s持续波动，液压缸有杆腔压力在0～10 MPa之间同样持续波动。

由此可见，在缓冲输送带的冲击时，原断带抓捕液压缓冲系统会产生剧烈的振动现象。

3 改进断带抓捕液压缓冲系统原理及建模

基于原断带抓捕液压缓冲系统的仿真分析，本文对断带抓捕液压缓冲系统进行优化设计。

改进后的断带抓捕液压缓冲系统原理及仿真模型示意图如图4所示。

(a)改进的断带抓捕液压缓冲系统原理图

(b)改进的断带抓捕液压缓冲系统仿真模型图

图4中，改进后的断带抓捕液压缓冲系统主要由复位液压缸、溢流阀、阻尼孔、单向阀组成。当发生断带时，断带抓捕装置夹紧输送带，与之连接的活塞杆挤压无杆腔液压油，无杆腔部分液压油经阻尼孔流回有杆腔。

为防止有杆腔吸空，油液通过单向阀为有杆腔补液；与此同时，无杆腔液压油压力达到溢流阀开启压力时，会溢流到油箱。

改进后的断带抓捕液压缓冲系统主要优点为：

(1)无杆腔为缓冲腔，因此，相比原系统，有更多的液压油可作为缓冲油液；根据克拉伯龙方程(pV=定值)可知，缓冲过程的液压缸无杆腔压力会有所降低；

(2)无杆腔与有杆腔通过阻尼孔连接，因此，在缓冲过程中，当无杆腔压力低于溢流阀开启压力时，无杆腔油液缓慢流回到有杆腔；相比原缓冲系统，当有杆腔压力低于溢流阀开启压力前，无杆腔与有杆腔连通，可以避免系统产生较大振动。

4 改进的断带抓捕液压缓冲系统仿真分析

设定仿真步长为0.001 s，仿真时间为2 s。仿真参数表如表2所示。

表2 改进的断带抓捕液压缓冲系统仿真参数

仿真得到改进后的断带抓捕液压缓冲系统性能图如图5所示。

图5 改进后的断带抓捕液压缓冲系统性能图

由图(3,5)可知：

在缓冲过程中，改进后的缓冲系统液压缸位移速度及无杆腔压力波动程度明显降低。

在缓冲过程中，液压缸无杆腔一部分流量经溢流阀溢流到油箱，瞬时最大溢流流量为1 800 L/min，另一部分流量经阻尼孔流回有杆腔，最大流量为84 L/min；由于输送带速度较大，活塞迅速缩回，液压缸有杆腔会吸空，单向阀最大补油流量为450 L/min。

显然，在缓冲过程中，溢流阀和阻尼孔均能起到缓冲作用。

在0.35 s时，溢流流量将为0 L/min，溢流阀关闭，阻尼孔流量由84 L/min缓慢减小至0 L/min，正是由于阻尼孔的作用，液压缸位移、速度始终无波动。

在溢流阀压力为8 MPa、10 MPa、12 MPa、14 MPa时，本文对缓冲系统进行仿真，得到溢流阀对改进的缓冲系统的影响规律图，如图6所示。

由图6可知：溢流阀开启压力由8 MPa增大到14 MPa，液压缸位移由0.97 m减小到0.5 m，液压缸速度减幅增大，平滑性基本不变，液压缸无杆腔压力波动程度增大。

图6 溢流压力对改进系统的影响规律图

4 结束语

本文介绍了原下运带式输送机断带抓捕液压缓冲系统工作原理，对系统存在的振动现象进行了仿真建模分析；对原缓冲系统进行了优化设计，并搭建模型进行了系统缓冲性能的仿真研究，分析了溢流阀开启压力对系统性能的影响规律，得出以下结论：

(1)在缓冲过程中，原下运带式输送机断带抓捕液压缓冲系统存在明显的振动现象；

(2)改进的断带抓捕液压缓冲系统液压缸位移、速度、压力波动程度降低，在溢流阀关闭后，阻尼孔能发挥较好的减振缓冲作用；

(3)溢流阀开启压力增大，液压缸位移增大，液压缸速度平滑性不变；降幅增大，液压缸无杆腔压力波动程度有所增加。