带式输送机断带抓捕器液压控制系统的设计与仿真

赵云龙

（阳煤寺家庄有限责任公司机运部修配队， 山西 昔阳 045300）

引言

带式输送机作为工作面的关键运输设备，其主要功能是实现工作面物料、设备等到地面的运输任务。由于实际生产中带式输送机输送带的受力不均常出现过载、接口疲劳等问题，从而导致输送带发生撕裂或者断裂等事故。当前应用于输送带的断带保护装置为抓捕器，当发生断带事故时完成带式输送机制动的同时抓住断开的输送带。常规设计中虽然根据相关规范及要求对抓捕器的液压系统进行设计，但在实际生产中要验证其性能仍具有一定的局限性[1]。因此，本文将基于AMESim软件对所设计抓捕器的液压系统进行仿真。

1 断带抓捕器液压系统的设计

1.1 断带抓捕器液压系统的总体设计要求

断带抓捕器工作原理：当带式输送机发生断带事故时，系统中传感器得到信号控制液压缸迅速推动制动装置动作，并对输送带进行夹持操作，从而实现对断带输送带的抓捕任务。为确保抓捕器起到对设备的保护作用，要求其液压系统满足如下要求：一是当带式输送机发生断带事故，相关传感器发出信号到设备制动，整个过程要求在2 s内完成；二是针对输送带的正向和反向运行，要求液压系统拥有两套方向阀控制液压缸的动作，从而确保抓捕器能够从两个方面完成对断带的抓捕任务[2]。

1.2 断带抓捕器液压系统的设计

根据上述总体设计要求，为实现两个方向阀对液压缸的控制，从而从两个方向完成对断带的抓捕任务，设计如图1所示的抓捕器液压系统原理图。

如图1所示，为满足液压系统在2 s内实现对设备的制动操作，普通液压换向阀仅适用于小流量的场合，而电液换向阀的响应时间等级在毫秒级。因此，本液压系统中采用电液换向阀。

图1 断带抓捕器液压系统原理图

1.3 抓捕器液压系统元件的选型

根据设计要求，系统中液压缸的内径为100 mm，活塞杆直径为55 mm，工作压力为21 MPa，1号液压缸行程为300 mm，2号液压缸行程为450 mm。基于上述要求对液压系统中蓄能器、液压泵以及电液换向阀等关键液压元件进行选型设计。经计算结果及结合经验选型的基础上，液压系统元件的选型结果如表1所示。

表1 抓捕器液压系统关键液压元件选型结果

2 抓捕器液压控制系统的仿真分析

2.1 仿真模型的搭建

以液压缸流量、蓄能器流量及压力的数学模型为基础，基于Matlab/Simulink软件搭建仿真模型，并根据液压系统关键元器件的参数对模型中的部件进行设置，给予液压系统中电磁换向阀的信号如下：电磁换向阀在0～3 s时的位移为5 mm，3.06 s时到仿真结束的位移为-5 mm。在上述基础上对液压系统中液压缸压力、流量以及响应特性进行仿真分析[3]。

2.2 仿真结果的分析

2.2.1 液压缸位移仿真结果的分析

基于2.1中所搭建的仿真模型和给予电磁换向的信号，所得两个液压缸活塞的位移变化如图2所示。

图2 液压缸活塞位移变化情况

如图2所示，当带式输送机在0 s时发生断带事故，1号液压缸1.3 s的时间内完成活塞杆的全部伸出且行程为300 mm；2号液压缸在1.7 s内完成活塞杆的全部伸出且行程为450 mm[4]。此时，液压缸均处于供油状态并抓紧断带，满足系统在2 s内完成制动的相关要求。

完成抓捕任务后，在3.06 s电磁换向阀反向得电，1号液压缸在4 s时活塞杆全部收回，2号液压缸在4.3 s时活塞杆全部收回。1号、2号液压缸活塞杆全部收回的耗时分别为0.94 s和1.24 s，均满足系统在2 s内完成动作的要求。

2.2.2 液压缸流量仿真结果的分析

基于2.1中所搭建的仿真模型和给予电磁换向的信号，所得两个液压缸入口流量变化曲线如图3所示。

图3 1号液压缸入口流量变化情况

如图3所示，对于1号液压缸而言，当液压缸活塞杆在1.3 s伸出过程中，液压缸入口的流量为138 L/min；当液压缸全部伸出处于供油状态，正在完成抓带动作时，此时电磁换向阀处于中位，液压缸此时的入口流量为0 L/min；当系统完成抓捕任务，对应的液压缸活塞杆收回时，此时电磁换向阀反向开口，与其对应的液压缸的入口流量为-138 L/min（“—”代表液压油方向）；当液压缸活塞杆全部收回后对应的电磁换向阀又处于中位，此时液压缸的入口流量为0。

同样，对于2号液压缸入口流量的变化趋势和1号液压缸相似，唯一不同在于2号液压缸伸出和回收所经历的时间较长，即0～1.7 s伸出过程的入口流量为149 L/min；4.3 s以后完成活塞杆全部收回，入口流量为0 L/min。

3 结论

带式输送机作为综采工作面的关键运输设备，其承担着整个工作面物料、设备等的运输任务。在实际生产中常常遇到载荷突变或者超载的工况，进而造成断带事故的发生[5]。为了避免事故的进一步恶化，需采用有效的断带保护装置，即可对断带进行抓捕。为进一步提升抓捕器的可靠性和高效性，要求抓捕器液压系统需在断带事故发生后2 s内完成制动，并可从两个方向实现对断带的抓捕任务。经仿真分析，所设计的抓捕器均能够满足要求，可在实际生产中推广应用。