朱安卿 孫健 趙立 陳昊祥

摘 要：【目的】液壓張緊裝置是可伸縮帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵組成部分，對(duì)于確保輸送機(jī)在啟動(dòng)、行駛和制動(dòng)等過(guò)程中的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義，但傳統(tǒng)液壓張緊裝置的設(shè)計(jì)會(huì)有張緊力調(diào)整不方便、張緊裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，有必要對(duì)此進(jìn)行研究?！痉椒ā吭O(shè)計(jì)一種適用于帶式輸送機(jī)的雙油缸液壓張緊的裝置，其兼具螺桿張緊裝置與液壓張緊裝置的優(yōu)點(diǎn)?！窘Y(jié)果】該裝置具有工作狀態(tài)平穩(wěn)、響應(yīng)速度迅速、空間需求較小、性能出眾等優(yōu)勢(shì)，其雙油缸設(shè)計(jì)還能夠大幅度降低輸送帶發(fā)生跑偏情況的概率?！窘Y(jié)論】該裝置主要用于短距離帶式輸送機(jī)，不僅延長(zhǎng)了帶式輸送機(jī)的使用壽命，而且大大提高了工作的安全系數(shù)。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī)；雙油缸；液壓張緊

中圖分類號(hào)：TP24? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）06-0044-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.009

Design of Double Oil Cylinder Hydraulic Tensioning Device for Belt Conveyor

ZHU Anqing1 SUN Jian1 ZHAO Li2 CHEN Haoxiang1

（1.Mechanical and Electronic Department， Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou 221018， China;

2.Xuzhou ZMLT Heavy Industry Co.， Ltd.， Xuzhou 221116， China）

Abstract：[Purposes] The hydraulic tensioning device is a key component of the retractable belt conveyor， which is of key significance to ensure the stable operation of the conveyor in the process of starting， driving and braking， but the design of the traditional hydraulic tensioning device has the shortcomings of inconvenient tension adjustment and complex structure of the tensioning device. Therefore it is necessary to conduct research on this matter. [Methods] A double-cylinder hydraulic tensioning device suitable for belt conveyor was designed， which had the advantages of both screw tensioning device and hydraulic tensioning device. [Findings] The device had the advantages of stable working state， rapid response speed， small space requirement and outstanding performance， and the double-cylinder design could also greatly reduce the probability of deviation of the conveyor belt. [Conclusions] This device is mainly used on short distance conveyors， which not only extends the service life of belt conveyors， but also greatly improves the safety factor of work.

Keywords： belt conveyor; dual oil cylinder; hydraulic tensioning

0 引言

帶式輸送機(jī)是集運(yùn)用機(jī)械、控制及液壓等的大型運(yùn)輸設(shè)備，主要通過(guò)輸送帶間的摩擦力來(lái)運(yùn)輸物料，具有運(yùn)量大、自動(dòng)化程度高、工作便捷等特點(diǎn)。張緊裝置是帶式輸送機(jī)的重要組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)輸送帶的張緊，保證帶式輸送機(jī)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。目前，用于短距離帶式輸送機(jī)的張緊裝置主要有兩種，分別為螺旋式張緊裝置和液壓張緊裝置。其中，螺旋式張緊裝置在輸送帶自行伸長(zhǎng)時(shí)，不能夠自動(dòng)張緊，并且響應(yīng)速度較慢。液壓張緊裝置能夠?qū)埦o力進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與監(jiān)控，精確快速對(duì)系統(tǒng)做出響應(yīng)，以及控制輸送機(jī)張緊行程，因此已逐漸替代傳統(tǒng)的機(jī)械張緊裝置［1］。但是，現(xiàn)有短距離帶式輸送機(jī)的液壓張緊裝置在輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，輸送帶寬度方向拉應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致輸送帶出現(xiàn)跑偏。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種專門適用于帶式輸送機(jī)的雙油缸液壓張緊裝置，其同時(shí)具備了螺旋式張緊裝置與液壓張緊裝置的優(yōu)點(diǎn)。該裝置主要用于短距離輸送機(jī)，能夠有效防止輸送帶跑偏情況的發(fā)生，使輸送系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。

1 雙油缸液壓張緊裝置的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)的液壓張緊裝置主要由三部分組成，分別為液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。其中，壓泵站、執(zhí)行油缸、蓄能器以及制動(dòng)器等結(jié)構(gòu)組成液壓系統(tǒng)［2］；張緊車、絞車、滑輪組等結(jié)構(gòu)組成機(jī)械系統(tǒng)；電氣控制系統(tǒng)在夾緊系統(tǒng)的運(yùn)行中起到一定的控制作用，主要包含牽引控制裝置和電子控制站。張緊力產(chǎn)生設(shè)備主要由電機(jī)、制動(dòng)器和慢速絞車等組成［3］。以上系統(tǒng)協(xié)同工作，通過(guò)控制電機(jī)和制動(dòng)器，以及調(diào)整絞車速度和力量，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的張緊力生成，能夠給運(yùn)輸機(jī)提供一定的張力。一般情況下緩沖油缸還能夠緩解傳送帶在工作過(guò)程中產(chǎn)生的一些不良現(xiàn)象，如振動(dòng)和松弛等［4］。單油缸液壓張緊系統(tǒng)如圖1所示。一般來(lái)說(shuō)，液壓張緊裝置只有一個(gè)執(zhí)行油缸，其主要作用是通過(guò)收縮來(lái)補(bǔ)償輸送帶的彈性振蕩，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)張緊和減小機(jī)器啟動(dòng)時(shí)的沖擊動(dòng)負(fù)荷，這對(duì)于提高帶式輸送機(jī)的平穩(wěn)性、傳送效率和可靠性非常重要［5］。

本研究所設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)采用雙油缸液壓張緊裝置，主要由滾筒、膠管、蓄能站、泵站、油缸、支座、機(jī)架、滑塊和同步閥組等部分構(gòu)成?；瑝K安裝在機(jī)架的導(dǎo)軌上，油缸通過(guò)支座安裝于機(jī)架上，滾筒固定在滑塊上，滾筒通過(guò)銷軸連接兩個(gè)油缸，且油缸間通過(guò)膠管與同步閥組連接。同步閥組安裝于蓄能站上，且通過(guò)膠管與泵站連接。雙油缸液壓張緊系統(tǒng)如圖2所示。

當(dāng)設(shè)備正常工作時(shí)，液壓張緊裝置由泵站提供動(dòng)力，蓄能站吸收帶式輸送應(yīng)力波傳遞產(chǎn)生的振蕩，此時(shí)蓄能站進(jìn)出油液都經(jīng)過(guò)同步閥組，由同步閥組保證兩個(gè)油缸間始終保持同步，從而大大降低兩個(gè)油缸因不同步而導(dǎo)致發(fā)生輸送帶跑偏情況的概率［6］。當(dāng)工作過(guò)程中出現(xiàn)輸送帶跑偏的情況時(shí)，可以通過(guò)同步閥組切斷同步回路以及兩個(gè)油缸中跑偏方向的油缸，由另一根油缸進(jìn)行糾正，糾正完成后再切斷回路，最后重新打開(kāi)同步回路，以保證帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行。

2 雙油缸張緊裝置主要元件參數(shù)計(jì)算與選型

2.1 基本要求

①設(shè)計(jì)參數(shù)。張緊力F=45～130 kN；張緊速度V=2 m/min，快退速度為V=4 m/min；張緊行程s=1 000 mm。

②在一些突發(fā)情況下應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行特殊保護(hù)，如出現(xiàn)斷帶、過(guò)載等情況時(shí)［7］。

③因?yàn)閹捷斔蜋C(jī)在啟動(dòng)和穩(wěn)定工作時(shí)對(duì)張緊力的要求不同，啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)所需的壓力較大，所以應(yīng)當(dāng)保證系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的工作壓力能夠達(dá)到其系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下壓力的1.4～1.5倍。在保證油缸能夠正常啟動(dòng)的情況下，不僅要防止出現(xiàn)輸送帶打滑等突發(fā)情況，同時(shí)還要保證系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行且所受的沖擊力較小［8］。

2.2 液壓缸的參數(shù)計(jì)算與選型

液壓油缸，也被稱為液壓缸，是一種重要的液壓執(zhí)行元件，其工作原理是將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。液壓缸具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和可靠的工作性能。與其他傳動(dòng)裝置相比，液壓缸在進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)需安裝減速裝置，并且具有傳動(dòng)間隙小的特點(diǎn)，保證其運(yùn)行更加平穩(wěn)。這種平穩(wěn)的運(yùn)行特性使得液壓缸在許多機(jī)械系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，如起重設(shè)備、注塑機(jī)、機(jī)床等。

2.2.1 確定各工況負(fù)載。液壓缸負(fù)載主要由張緊力、摩擦阻力、慣性阻力、重力、密封阻力及背壓阻力等組成。

①?gòu)埦o力。根據(jù)工作要求，在啟動(dòng)液壓系統(tǒng)時(shí)的壓力應(yīng)為實(shí)際工作壓力的1.4～1.5倍。這就意味著油缸在啟動(dòng)時(shí)需要的張緊力為67.5～195 kN。

②摩擦阻力。摩擦阻力的計(jì)算見(jiàn)式（1）、式（2）。

F靜=F法× f靜=9 800×0.2=1 960 N ≈ 2 kN （1）

F動(dòng)=F法× f動(dòng)=9 800×0.1=980 N ≈ 1 kN （2）

以上式中：F法為作用在缸壁上的法向力；f靜、f動(dòng)為靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)。

③慣性阻力、重力。由于液壓缸在一般情況下都是水平放置的，并且其在工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)量較小，不在快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)型的范圍之內(nèi)，因此，可以忽略慣性阻力和重力的影響。

④密封阻力和背壓阻力。封阻力是指液壓系統(tǒng)中由于密封件與活塞桿之間的摩擦而帶來(lái)的阻力。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，可以將密封阻力估算為總負(fù)載的0.1倍，即F密=0.1F（F為總負(fù)載）。背壓阻力是液壓缸回油路上的阻力，其會(huì)對(duì)系統(tǒng)的工作產(chǎn)生一定的影響。在初步計(jì)算時(shí)，可以暫時(shí)不考慮背壓阻力，但不能完全忽略，因?yàn)榫唧w的背壓阻力數(shù)值需要在系統(tǒng)參數(shù)確定后才能確定。在啟動(dòng)開(kāi)始階段，F(xiàn)啟=F靜+F密，單個(gè)液壓缸負(fù)載為F啟=1.1 kN；在啟動(dòng)階段，F(xiàn)啟=F張+F靜+F密，單個(gè)液壓缸負(fù)載為F啟min=38.61 kN，F(xiàn)啟max=109.44 kN；在張緊階段，F(xiàn)工=F張+F動(dòng)+F密，單個(gè)液壓缸負(fù)載為F工min=25.56 kN，F(xiàn)工max=72.78 kN；在快退階段，F(xiàn)快退=F動(dòng)+F密，單個(gè)液壓缸負(fù)載為F快退=0.56 kN。

在液壓缸的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要需要考慮張緊和初始這兩個(gè)階段，因?yàn)橐簤焊椎墓ぷ鳡顟B(tài)階段處于張緊階段，在其快速縮回過(guò)程中速度的范圍一般來(lái)說(shuō)是不受限制的。

本研究設(shè)計(jì)了一種帶式輸送機(jī)的雙油缸液壓張緊裝置，根據(jù)原理分析可知，在輸送機(jī)工作過(guò)程中，有兩個(gè)油缸來(lái)分擔(dān)系統(tǒng)所需的張緊力。相較于傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)單油缸設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)不僅可以防止輸送帶跑偏，還能夠縮小液壓缸的尺寸，使機(jī)械結(jié)構(gòu)更加緊湊。

2.2.2 液壓缸的選型。由F啟max=109.44 kN，F(xiàn)工max=72.78 kN，P工max=10 MPa，則液壓缸的內(nèi)徑D的計(jì)算見(jiàn)式（3）。

根據(jù)工程用液壓缸系列表，可取D=125 mm=0.125 m，同時(shí)，由于P工max=10 MPa>7 MPa，故可取活塞桿直徑d=0.70D=0.70×125=87.5 mm。由查表得到，取標(biāo)準(zhǔn)值d=90 mm=0.09 m，根據(jù)前文所得到的缸徑和活塞桿的直徑，查得液壓缸活塞行程1 500 mm。

計(jì)算液壓缸的實(shí)際有效面積，無(wú)桿腔的面積A1與桿腔面積A2分別見(jiàn)式（4）、式（5）。

本研究取張緊工況中壓力損失ΔP=5×105 Pa，工作時(shí)背壓力P背=8×105 Pa，快退時(shí)背壓力P背=5×105 Pa，則液壓系統(tǒng)所能承受的最大壓力和在單位時(shí)間內(nèi)能夠輸送的液體量見(jiàn)式（6）、式（7）。

以上式中：P1為進(jìn)油腔壓力；P2為回油腔壓力，P2=P背=0.8 MPa；ηm為液壓油缸的機(jī)械效率，一般取0.90～0.95［9］；ην為液壓缸的容積效率，液壓缸的容積效率與其活塞的密封材料密切相關(guān)。當(dāng)液壓缸的活塞采用彈性密封材料時(shí)，容積效率會(huì)相對(duì)較高（ην=1）；而當(dāng)活塞采用金屬環(huán)密封材料時(shí)，容積效率則相對(duì)較低（ην=0.98）。ν2為活塞運(yùn)動(dòng)速度。因此，選擇液壓缸型號(hào)為HSGL01-125/dE。

2.3 液壓泵參數(shù)的計(jì)算與選型

液壓泵將原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)為壓力能，為系統(tǒng)提供加壓介質(zhì)，是液壓系統(tǒng)中的動(dòng)力元件。

2.3.1 確定液壓泵的工作壓力。進(jìn)行液壓泵選型應(yīng)確定泵的最大工作壓力，見(jiàn)式（8）。

2.3.2 確定液壓泵流量。液壓泵的流量與液壓泵最大工作時(shí)的流量和其回路時(shí)的泄漏量這兩個(gè)方面有關(guān)，因此液壓泵工作流量Qp見(jiàn)式（9）。

2.3.3 選擇液壓泵型號(hào)。液壓泵型號(hào)的選擇要考慮其壓力儲(chǔ)備功能，因而所選擇液壓缸的額定壓力要滿足大于其最大工作時(shí)的壓力的25%～60%，通過(guò)前期查閱液壓泵的相關(guān)規(guī)格型號(hào)表，可選排量Vb=31.5 mL/r，容積效率為0.93，額定壓力為20 MPa，額定轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，型號(hào)為CBN-F532。液壓泵的實(shí)際流量見(jiàn)式（10）。

2.4 電動(dòng)機(jī)參數(shù)的計(jì)算與選型

電動(dòng)機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種設(shè)備。電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)參照液壓泵的最大功率，由前文相關(guān)計(jì)算可以得出液壓泵能夠承受的最大工作壓力為19.5 MPa，而液壓泵每分鐘提供的實(shí)際流量為58.59 L。根據(jù)已知條件可以進(jìn)一步得到電動(dòng)機(jī)功率，見(jiàn)式（11）。

考慮所需的功率和正常電機(jī)的使用規(guī)格要求，需要YB系列防爆型異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)的型號(hào)為YB180L，功率為22 kW，其滿載轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

3 結(jié)語(yǔ)

液壓張緊裝置是帶式輸送機(jī)的一個(gè)重要組成部分。本研究設(shè)計(jì)的雙油缸液壓張緊裝置能夠滿足帶式輸送機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行以及制動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)定運(yùn)行的要求，雙油缸設(shè)計(jì)不僅使裝置輸送時(shí)響應(yīng)速度更快，同時(shí)，在出現(xiàn)輸送帶跑偏的情況時(shí)，還可以通過(guò)調(diào)整單側(cè)油缸進(jìn)行調(diào)節(jié)。該裝置運(yùn)行時(shí)可以保證油缸始終保持同步，防止發(fā)生因油缸不同步而導(dǎo)致輸送帶跑偏的情況，不僅延長(zhǎng)了帶式輸送機(jī)的使用壽命，而且大大提高了輸送工作的安全系數(shù)。

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