输送带接头试验机液压系统设计与仿真分析.pdf

Hv d r a ul i e s Pn eu ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 9． 2 01 3 输送带接头试验机液压系统设计与仿真分析 曾怀灵 1 , 2 ． 贺建 国 ， 1 ． 长沙矿 山研究院有 限责任公司， 湖南 长沙4 1 0 0 1 2 ； 2 ． 金属矿 山安全技术 国家重点实验室 ， 湖南 长沙4 1 0 0 1 2 摘要 输送 带接头试验机主要用于测量输送带机械接头动态寿命 。 该文介绍了输送带接头试验机研制过程中液压系统 的设计及其工 作原理 ． 利用 A ME S i m软件对液 压系统加载和保压过程 、 机械接 头的冲击作用对液压 系统保 压性 能的影响进行 了仿真分析 ， 验证 了液 压 自动 张紧方案的可行性 。 关键 词 输送带接头 ； 接头动态寿命 ； A ME S i m； 液压 系统 ； 仿真分析 中图分 类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 9 0 0 1 7 - 0 4 The D e s i g n a n d S i mu l a t i o n An a l y s i s o f Hy d r a t d i c S y s t e m f o r t h e Co n v e y e r B e l t J o i n t s T e s t i n g Ma c h i n e Z ENG Hu a i l i n g a 2 , HE J i a n - g u o ’ 。 1 ． C h a n g s h a I n s t i t u t e o f Mi n i n g R e s e a r c h C o ． ， L t d ． ， C h a n g s h a 4 1 0 0 1 2 ， C h i n a ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S a f e t y T e c h n o l o g y o f Me t a l Mi n e ， C h a n g s h a 4 1 0 0 1 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e C o n v e y o r b e l t j o i n t s t e s t i n g ma c h i n e i s ma i n l y u s e d f o r m e a s u r i n g m e c h a n i c a l j o i n t s d y n a m i c l i f e ．T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e s i g n a n d w o r k i n g p ri n c i p l e o f h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e c o n v e y o r b e l t j o i n t s t e s t i n g ma c h i n e i n t h e p r o c e s s o f d e v e l o p me n t ，a n d a n a l y s e s t h e h y d r a u l i c s y s t e m l o a d i n g a n d p a c k i n g p r o c e s s a n d t h e i mp a c t o f t h e me c h a n i c al j o i n t s e ff e c t o n t h e p r o p e r t i e s o f h y d r a u l i c s y s t e m p r e s s u r e b y u s i n g AME s i m s o f t wa r e ， v e ri f i e s t h e f e a s i b i l i t y o f h y d r a u l i c a u t o ma t i c t e n s i o n i n g s c h e me ． K e y wo r d s c o n v e y o r b e l t j o i n t ；j o i n t d y n a m i c l i f e ；A ME S i m； h y d r a u l i c s y s t e m；s i mu l a t i o n a n a l y s i s 0 弓I 吾 输送带是带式输送机的重要部件 ．占整个输送机 设备成本的 3 0 ％～ 5 0 ％m ．而影响输送带使用性能的主 要因素是其接头的质量好坏吲 输送带须通过接头连接 成环形带才能正常使用 。目前 ． 输送带接头主要有 机 械接头、 胶粘接头和硫化接头等 ， 其 中机械接头 因其结 构简单方便而应用广泛 输送带接头试验机是根据标 准[ 3 1 中机 械 接 头 动态 耐 久 性 强 度 常规 试 验 方 法 测 量 接 头动态寿命 的试验装置 ．它是通过模拟输送带机械接 头的实际使用情况来测量 的．其动态寿命反映了机械 接 头 的质 量好 坏 在输 送 带 接 头试 验 机 液 压 系统 设 计 完成后 ．利用 A ME S i m软件对设计 的液压系统性能进 行仿真分析 ， 初步了解系统运行时 的特性与影响因素 ． 以判别其设计是否合理 ． 有利于避免设计 的盲 目性 ， 达 到完善液压系统设计 、 缩短研发周期 、 提高经济效益的 目的 。 收 稿 日期 2 0 1 3 0 3 2 6 作者简介 曾怀灵 1 9 8 7 一 ， 男 ， 湖南永州人 ， 工程师 ， 硕士 ， 主要从事机电液 一 体化研 究与设计工作 图 1试 验 机 整 体 结 构 试验机 由 A、 B、 C、 D 4个等直径滚筒构成 ， 其 中滚 筒 A为驱 动滚筒 ． 滚筒 B、 C为改向滚筒 ， 滚筒 D为张 紧滚筒 ．张紧滚筒 由 2支液压缸推动在水平方向上张 紧输送带 试验 中的输送带是由 4段输送带试样联接 成 的环形带 ． 其 上共有 4对接头 。试验时 ． 由驱动滚筒 1 7 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 3年 第 0 9期 A带动环形带在标准 『 3 _ 规定的试验张紧力下不停绕 4 个滚 筒运 转 ，直至 环 形带 上 每对 接 头都 分 别经 历 过连 续 2次断开 的记 录为止。记录断开接头 的破坏情况和 断开时的周转次数 ，并依此计算接头动态试验 的平均 寿命 和统计估算寿命 L f l 0 l3 】 ， 从而得出机械接头质量 的好 坏 。 1 。 2 试验 机液压 系统 的设 计 1 液 压系统 的组 成 输 送带 接 头 试 验 机 液 压 系 统 主要 由液 压 泵 站 、 张 紧液压缸 、 蓄能器 、 液控单向阀、 换 向阀 、 比例溢流阀及 其他附件组成 ， 其液压系统原理图如图 2所示 L1 、 L 2 、 L 3 、 L 4 一 网式 滤 油 器y 1 、 y 2 一 液 压 泵y 3 、 y 4 一 比例 溢 流 阀 y 5 一 液控单 向阀y 6 一 电接 点压力表y 7 一 压力变送器y 8 一 蓄能器 D 1 、 D 2 一 电机G1 一 换向阀G 2 一 三位 四通 电磁换 向阀 G 3 一 二位二通电磁换向阀F 1 、 F 2 一 张紧液压缸 图 2液 压 系 统原 理 图 2 液压系统工作原理 输 送 带 试 验 机 液 压 系 统 主 要 用 于 自动 张 紧输 送 带 ． 使输送带在试验过程中保持稳定的张力 液压系统 采用 P L C进行控制 ． 比例溢流阀调节系统压力 ． 蓄能器 和液控单向阀保持张紧力稳定 因机械接头动态寿命 试验一次需花费 5 ～ 6天时间 ．同时也为了在检修时不 影响正常的试验工作 ．液压泵站采用 了双泵轮流工作 的方式向系统供油 试验时 ． 设置好试验所需要 的试验张紧力 ， 启动液 压泵站向系统供给压力油 ．三位四通换向阀左位得 电 向张紧液压缸供油 ．张紧液压缸伸 出推动张紧滚筒 D 张紧输送带 ， 同时蓄能器开始蓄油。当达到所需的张紧 力时 ． 三位四通换向阀失电中位工作 ， 液压缸则 由蓄能 1 8 器保压 ； 但张紧力下降到一定程度 时． 三位四通换向阀 左位又开始工作 ， 蓄能器开始蓄油保压 ． 如此循环直至 输送带接头断裂或其他异常情况出现 二位二通换 向 阀是在输送带接头断裂或其他异常情况时得 电．使张 紧液压缸卸荷 ． 以保证试验安全 2 试 验机液压系统仿真分析 2 ． 1 A ME S i m 软件 介绍 A ME S i m A d v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n me n t f o r P e r f o r m i n g S i m u l a t i o n s o f E n g i n e e r i n g S y s t e m s 软件是 法 国 I M AG I N E公司推出的专门用 于液压机械 系统 的 建 模 、 仿真 及动 力学 分析 的仿 真 软件 。A ME S i m采 用易 于识别 的标准 I S O图标和简单直观的多端 E l 框图 ． 方 便用户建立复杂系统及所需 的特定应用实例的模 型 ． 进行稳态及动态仿真 、 绘制曲线并分析仿真结果 ， 界面 比较友好 、 操作非常方便[4 1 。同时 ． A ME S i m还是 1个鲁 棒性极强的智能求解器 ．能够根据所建模的数学特性 自动选择最佳的积分方法 ，根据不同的仿真时刻特点 动态地调整积分算法和积分步长 以缩短仿真时间和提 高仿真精度【5 】 。并且 ， A ME S i m还是个开放的仿真平 台， 语 言底层是开放 的． 还具有与 Ma t l a b 、 A d a ms 等多种软 件接 口． 可以方便地跟这些软件建立联合仿真[6 1 。 2 ． 2液压系统仿真模型建立 在 A ME S i m软 件 中 ． 根据 液压 系统 的设 计 ． 通 过调 用液压库 H y d r a u l i c 、 机械库 Me c h a n i c a 1 和信号控制 库 S i g n a l C o n t r o 1 的标 准元件建立液压系统仿真模型 如 图 3所 示 图 3液 压 系统 仿 真 模 型 了液压缸的泄漏影响。从 比例溢流 阀的入 口压力 曲线 和 出 口流 量 曲线 看 出 ．当人 口压力 大 于 6 ． 3 MP a时 ， 溢 流阀打开开始溢流保压 小于 6 ． 3 MP a时 ， 溢流 阀关 闭 系统加载 ． 从而维持 比例溢流阀入 V I 压力为 6 ． 3 MP a 。 从 系统加载与保压过程情况分析 ．本仿真结果 比较符合 实际情况 ． 说 明液压 自动张紧方案能实现标准[ 3 1 中的试 验要求 。 2 ． 4干扰信 号对液 压 系统 保压 性 能的影 响 忽略其他干扰信号 的影响 ，只考虑机械接头对张 紧滚筒的冲击作用。从标准【 3 ] 中试验要求可知 ， 当输送 带带强为 2 8 0 0 k N ／ m 时． 试样环形带周长为 1 5 0 0 0 m m， 运行带速为 3 ． 0 m ／ s ． 其四对机械接头撞击张紧滚筒的时 间间隔 1 ． 2 5 s 在系统加载达到所需试验张紧力后 ， 输送带在 四个滚筒上才开始运转 。这时产生一个稳定 的冲击干扰信号 ． 如图 5所示 假设这时冲击力是最不 利情况 。在 AM E S i m中 ， 采用批处理 B a t c h 命令分别 对冲击力峰值在 1 0 0 N、 1 0 0 0 N、 1 0 O 0 0 N作用下 ， 对系统 进行 仿 真 ， 其 仿 真结 果如 图 6所示 。 仿真模型中设置 的参数如表 l 所示 。通过压力传 感器测得施加给张紧滚筒的推力大小判断三位四通 阀 右位是否得 电。三位四通阀右位得电 ， 系统则向液压缸 加载 ， 使推力达到试 验张紧力范围 ； 反之 ， 系统卸载 ， 液 压缸由蓄能器保压 。考虑到试验过程 中， 输送带机械接 头对 张紧滚筒 的冲击及其他一些振动 的影I i j [8 - 0 ] ． 在仿 真模型 中增加 了外界干扰信号 ．以便分析这些 因素对 试 验 张力 的不利 影 响 2 ． 3液压 系统加 载 与保压 过 程仿 真 分析 不考虑外界干扰信号的影响 ．将 比例溢流阀的溢 流压力调至 6 ． 3 MP a ． 对系统进行加载仿真分析 。 其结果 如 图 4所 示 l O3 时 间／ s 1 0 5 0 『室 叶 奁 - 5o } 銎 -0 0 姜 sol 凄 0 L 图 4系统 加 载 与保 压 过 程仿 真 曲 线 在 上 述 曲线 中 ， 通 过 测 量 可 得 出 在 t 3 6 3 ． 4 s时 ． 系统加载到试验张紧力上 限值 ， 约为 4 1 2 0 3 9 N 系统保 持 的试验张紧力下限值约为 4 0 3 9 5 4 N蓄能器 的保压 时间 △ 一2 5 1 ． 5 s ；张紧滚筒的最大位移 |s ⋯ 0 ． 5 8 7 2 m。 张紧滚筒 的位移随着液压缸输出的推力大小而线性变 化 。从液压缸有杆腔和无杆腔的压力变化曲线可 以看 出 ， 随着有杆腔压力 的增加 ， 无杆腔压力也增加 。 验证 迎 旦 H _ 塞 軎 蠡 磊 表 1 液压系统主要参数 图 5干扰信号 时间／ s a 蓄能器 出口压力变化 下转第 2 1页 1 9 ●． ●● 叶 ● ● ● ∞ ∞ ∞ ∞ 加 m 0 q ／ R出口 墅堰i } 翠 _I Hv d r a ul i c s Pn e uma t i c s S e a l s ／ No． 0 9． 2 01 3 1 一 油缸2 一 取料器3 一 定 向销4 一 定 向弓 5 一 输料 槽 6 一 上料手7 一 输料槽8 一 油缸9 一 卸料手 图 1 内圆磨床液压 自动卸料装置 置 ， 它从料仓中或输送槽 中抓取工件 ， 直接送入机床夹 具 。当工件加工完成后 ， 也能从夹具中把工件卸到固定 的地点。使机床工作循环实现 自动化 ， 对于减轻体力劳 动和提高劳动生产率具有很大的现实意义。 【 1 ] 【 2 】 2 结论 [ 3 ] 近年来在各种类型的 自动化机 床上 ，广泛应用 了 【 4 ] 机 械手 来 实 现 装卸 工 件 自动化 。本 文介 绍 的机 械 手 装 置 ．就是一种能实现较为复杂 的动作循环的上下料装 【 5 】 上接第 1 9页 0 06 O 通 坦0 ． 5 5 燃 ‘ O 5 在冲击力峰值为在冲击力峰值为 1 0 0 0 N的作 用下 1 0 0 N J 作用下 ／ f 无干扰信在冲击力峰值为 号作用下1 0 0 0 0 N的作用下 0 4 5 LL_ J L Ⅲ J L _ l__ J - J 1 0 O - 3 0 O4 0 0 5 0 O6 0 O 7 O O 8 OO 9 0 1 O O 1 l 0 1 2 0 时间／ s b 张紧滚筒位移 图 6在 干 扰 信 号 下 系统 仿 真 结 果 从 图 6中蓄能器出 口压力变化曲线和张紧滚筒位 移曲线可 以看 出 当冲击力峰值增大时 ， 蓄能器出 口压 力波动增加 ． 蓄能器保压时间逐渐缩短 ， 张紧滚筒位移 逐渐变小 当冲击力峰值低于 1 0 0 N时 ， 干扰信号对液 压系统 的保压性能几乎没有影响 当冲击力峰值等于 1 0 0 0 0 N时 。 张紧滚筒位移变化微 小 ． 故对输送带张 紧 力的影 响很有 限。经计算分析 。 冲击力峰值为 1 0 0 0 0 N 时 与 无 干扰 信 号 作 用 时 输 送 带 张力 相 差 最 大 约 为 5 2 0 0 N， 符合试验要求。 3 结论语 本文是根据输送带接头试验机研制过程中 ．针对 试 验 机液 压 控 制 系统 的性 能 和输 送 带 机械 接 头 冲击 对 液压系统保压性 能的影响而做 的研究 利用 A ME S i m 参 考 文 献 路 甬祥． 液压气动技术手册[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 2 ． 周骥平 ， 林 岗． 机械制造 自动化技术[ M ] ． 北京 机械工业 出版 社 ． 2 0 0 3 ． 戴忠达． 自动控制理论基础【 M】 ． 北京 清华大学 出版社， 1 9 9 1 ． 李 向明， 谈 宇． 机 床 自动化 与 自动 线[ M】 ． 北京 机 械工业 出版 社 ． 1 9 8 1 ． 俞启容． 机床液压传动[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 3 ． - - - - - - 一 - 软件对液压控制系统进行仿真分析研究 ．得出了以下 结论 1 液压控制系统在没有干扰的情况下 ， 系统 的加 载与保压过程基本符合 液压 系统设计 时预想 的要求 ． 为选择液压 自动张紧装置作为输送带接头试验机输送 带张紧方案提供 了一个有力依据 2 张紧滚筒在机械接头 的冲击力作用下 ， 对液压 系统保 压 性 能 的影 响 很 小 ．故 在设 计 中可 以忽 略机 械 接头的冲击力影响。 参 考 文 献 [ 1 】 毛君．煤矿 固定机械及运输设备嗍 ． 北京 煤炭_丁业出版社， 2 0 0 6 ． 【 2 】 毛君， 解威， 韩宇飞． 输送带接 头疲 劳性能测试 实验台[ J 】 ． 煤矿 机械， 2 0 0 7 ， 2 8 8 1 2 6 1 2 7 ． 【 3 】 MT ／ T 3 1 8 ． 1 1 9 9 7 ， 煤矿用输送带机械接头技术条件【 S 】 ． 『 4 1 余佑官， 龚国芳瑚 国良． A ME S i m仿真技术及其在液压系统 中的应用『 J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 ， 3 2 8 3 1 ． 『 5 1 沈建 军， 刘龙， 唐红 彩． 基于 A ME S i m与 A D A MS的双钢 轮压 路机 振动液压系统 的仿真分 析[ J 】 ． 中国工程机 械学报， 2 0 0 9 ， 7 1 3 1 - 3 5 ． 『 6 1 李谨。 邓卫华 ．A ME S i m与 Ma t l a b ／ S i mu l i n k联合仿真技术及应 re[ J ] ． 情报指挥控制系统与仿真技术． 2 0 0 4 ． 1 0 6 1 6 4 ． [ 7 ] 张康雷， 周志鸿， 许 同乐． 液压缸活塞杆 密封的泄漏量计算 【 J J ． 润滑与密封， 2 0 0 6 。 f 8 1 1 0 2 1 0 5 ． [ 8 ] 金江， 钱永明， 杨 玉萍． 带传 动装置 的振 动研 究[ J 1 ． 南通工学 院 学报 ， 2 0 0 1 ， 1 7 1 1 1 - 4 ． 『 9 ] 李 滨城， H I R S C H A n d r e a s ， M A HN U w e ， 等 ． 机 床带传 动装 置 的 横向振动及其 影响因素fJ 1 ． 华东船舶工业学院学报 自然科学 版 ， 2 0 0 4 ， 1 8 6 6 6 7 0 ． 21