带式输送机张紧装置油缸

带式输送机的张紧装置油缸

拉紧装置是带式输送机不可缺少的重要组成部分，它直接关系到带

式输送机的安全运行及使用寿命，对于大运量、长距离等大型带式输送

机的正常运行而言，更显示出了其非常重要的作用。本文对拉紧装置进

行相关分析，对目前各种带式输送机的拉紧系统特点加以研究。在此基

础上，提出了新型输送带液压拉紧系统的方案，进一步建立了相应的数

学模型，并根据实际现场参数做了系统仿真分析。针对液压伺服系统的

非线性和时变性，把模糊控制和传统PID控制两种控制方式结合起来，

设计出了模糊PID控制器，应用在本文所设计的液压拉紧伺服控制系统

中，并对加入模糊PID控制的系统进行了仿真分析。由仿真结果可以看

出，输送机液压伺服拉紧系统响应快、工作稳定，克服了以往传统拉紧

系统的弊病，使张力得到良好的控制，延长了皮带的使用寿命，提高了

工作效率。

关键词:带式输送机;拉紧装置;液压伺服系统;数学模型;模糊PID

控制;系统仿真

3带式输送机液压拉紧系统的设计

综合分析各种拉紧装置工作方式的优缺点，目前的研究多趋向于在满足输送机胶带不打滑和保证胶带在托辊间的垂度要求的前提下，尽量减小输送机系统正常平稳运行时的张紧力，减少或消除张紧力过大对带式输送机相关设备的损害，降低由于外载冲击而引起的胶带纵向震荡，增强系统运行稳定性等等。为实现这些目的，更多的采用自动检测，实时修正等手段，力求整个拉紧装置工作效能的最优化。在此基础上本章设计了以电液伺服阀控制液压缸的液压伺服拉紧系统，以实现对带式输送机所需的恒张力的控制。建立了液压拉紧系统的数学模型，并对系统进行了仿真分析。

3.1

3.1.1

带式输送机液压伺服拉紧系统总体设计

液压拉紧装置的组成及工作原理

(1)拉紧装置的组成

液压伺服拉紧装置由液压泵站、拉紧油缸、压力继电器、电液伺服阀、力传感器、伺服放大器、电控箱控制系统及附件等组成。其液压拉紧站系统如图3-1所示。

(2)系统的工作原理

带式输送机在启动时和稳定运行时对皮带的张力要求是不同的，启动时所需要的张力大约是稳定运行时所需要的张力的1.5倍。这就需要液压系统能在两级工作压力下工作，一个是启动压力，另一个是稳定运行时压力，前者约为后者的1.5倍。如图3-1所示，本方案在拉紧油缸的进油管道并联接

入电液伺服阀控制油路来实现胶带机稳定运行时拉紧力的实时调控。胶带机启动前，拉紧油缸的油液压力由溢流阀17控制，启动前液压拉紧站系统的状态是:手动换向阀5处于右位，开关阀6开通，电液伺服阀15处于关闭状态。胶带机启动前，先启动拉紧装置，拉紧油缸的油液压力达到胶带机启动压力时，压力继电器7发出电信号，胶带机启动。当胶带运行速度达到工作速度

时，由速度检测装置发出电信号，电磁开关阀5关闭截流，拉紧系统切换到

电液伺服阀15控制状态，实时调控拉紧油缸的油液压力。

1.粗过泌器

2.油泵

3.电动机

4.精过滤器

5.手动换向阀

6.开关阀

7.压力继电器

8.压力表

9.油缸10.拉力传感器11.动滑轮12.改向滑轮13.拉紧小车14.慢速绞车15.电液伺服阀16.蓄能器

17.滋流闷18.油箱

系统要求启动迅速，即液压缸要迅速拉紧原来松弛的皮带以及胶带机启

动时其下分支胶带产生的弹性伸长，这就使得液压缸需要很大的流量.稳定

运行时，张紧的皮带使得液压缸活塞杆移动范围很小，这时液压缸需要的流

t下降。为解决这个问题，加了一个蓄能器用以补油，既能及时补油，又能

在正常稳定工作时保持恒定压力。

本方案设计的液压拉紧装置采用三通伺服阀控制液压缸有杆腔油液的压

力和流量，从而实现对液压缸输出力的实时控制。该电液力伺服控制系统原理图如图3-2所示

图3-2电液力伺服控制系统原理图

将带式输送机平稳运行时理论拉紧力值转化为相应的压力指令电压信号ur，作为电液力伺服控制系统的输入，与由力传感器检测转化的反馈电压信

号of相比较得出偏差电压信号，此偏差信号经伺服放大器放大后输入到伺服阀，控制伺服阀滑阀的开口大小，从而控制拉紧油缸的油液压力，使液压缸拉力向减小误差的方向变化，直至液压缸拉力等于指令信号所规定的值为止。这样就形成了伺服阀压力控制回路。液压缸的拉力与指令信号u，一一对应。

3.1.2液压伺服拉紧装里的特点

(1)可自动调节张紧力

本文设计的液压张紧装置可以根据带式输送机的工况及对输送带张力的不同要求，任意调节输送机启动时的张紧力。待系统运行平稳后，将按预定程序自动工作，保证输送带在理想状态下工作。克服了其他类型拉紧装置拉紧力过大或过小、难以控制的弊病，在正常运行状态时能时实调控，使带式输送机在稳定运行时处于较低的张力状态。在带式输送机基本参数不变的情况下，与其他张紧方式相比，可以减小输送机的功率，降低输送带等级，进而减少设备的投资和维修费用。

(2)响应快

带式输送机启动时，输送带的松边会突然松弛伸长，此时张紧液压缸在蓄能器的作用下，能立刻收缩活塞杆补偿输送带的伸长量，减少输送带松边对紧边的冲击，不但使输送机起动平稳、可靠，而且较好地保护了输送带，减少断带事故的发生。正常运行时通过电液伺服系统的在线检测、实时调控，使张紧力始终维持在理论值左右，减少输送带动张力的波动，大大提高了整辽宁工程技术大学硕士学位论文

机的动态稳定性。

(3)控制方便

该张紧装置的控制系统可以与输送机的集控装置连接，实现远程控制。

3.2液压拉紧系统模型的建立

在电液伺服力控制的系统中，电液伺服阀和阀控液压缸的动态特性决定了整个系统的动态性能。电液伺服阀与液压缸是互相配合而作用的，所以在建立系统的线性模型之前，先对电液伺服阀和阀控液压缸进行特性方程的分析[231。

3.2.1三通阀控制液压缸基本方程

阀控液压缸的动态特性取决于阀和液压缸的特性并和负载有关。分析时按集中参数考虑，假定负载是质量、弹簧构成的单自由度系统。由于描述动力元件的一些微分方程是非线性的，为了分析简便和便于应用，采用线性化分析方法，即研究在某一稳定工作点附近作微小运动时的特性.当工作点变

动时必须谨慎地对所有工作点进行研究。但实际上动力元件的参数可在较宽的范围内用于不同的工作点，所以线性化的分析结果还是相当实用的【201.

为了推导液压动力元件的传递函数，首先要列出基本方程，即液压控制阀的流量方程、液压缸流量连续性方程和液压缸与负载的力平衡方程[25-29]. 阀控单出杆液压缸的模型如图3-3所示。

1)滑阀的流量方程

伺服阀的静态特性方程是一个非线性方程，作系统分析时较为困难，通常将它线性化处理，并以增量形式表示。

推导之前做了滑阀的线性化流量方程的一些假设。假定:

(1)双边滑阀两个节流窗口是匹配和对称的，流量系数相等;

(2)由于阀腔的容积很小，不考虑液体在阀腔里的压缩性;

(3)阀具有理想的响应能力，即阀芯位移和负载变化立即引起流量的相应变化:

(4)供油压力Ps恒定不变，回油压力P0为零.

(5)忽略管道和阀腔内的压力损失。

图3-3三通阀控制不对称缸的原理图

根据上述假设，滑阀的线性化流量方程可以用增量形式表示为

式中xv-一一阀心的位移量，与输入电流成正比。

下面定义伺服阀的三个阀系数为:

a.流t增益系数(流量放大系数）Kq

b.流盆压力系数Kc

它是压力一流量特性曲线的斜率并冠以负号，使其为正值。

c.压力增益Kp

它是压力特性曲线的斜率。

由上可知三个阀系数之间的关系为

根据阀系数的定义，滑阀的线性化流量方程式(3-1)，可以表示为

由于伺服阀通常工作在零位附近，工作点在零位，其参数的增量也就是

它的绝对值，因此阀的线性化流量方程式(3-5)也可以写成下式:

2)液压缸流量连续性方程

为了便于分析与计算进行了一些假设，假定:

(1)所有连接管道都短而粗，可以忽略管道内的摩擦损失和管路动态的影响:

(2)在管道和液压缸每个工作腔内不会出现饱和和气穴现象，且各处压力相同;

(3)油液温度和体积弹性模量均为常数;

(4)液压缸的内外泄漏为层流流动，且液压缸两腔的外泄漏相等;

(5)活塞在液压缸两工作腔容积相等处做微小运动。

根据流量的连续性，可写出流入液压缸控制腔的流量q:为

式中—液压缸进油腔的活塞有效面积

—活塞位移

—液压缸总泄漏系数(Ctp =Cip + Cep )

—有效体积弹性模量(包括油液、连接管道和缸体的机械柔度)

—液压缸进油腔的容量(包含阀、连接管道和进油腔)

3)液压缸输出力增量方程

液压动力元件的动态特性受负载特性的影响，负载力一般包括惯性力、

粘性阻尼力、弹性力和任意外负载力。

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液压缸拉紧装置原理及动力模型如图3-4所示。

图3-4液压缸拉紧装置动力模型

图3-4所示动力模型的动力方程为:

整个输送机系统的动力方程写成矩阵形式为:

由于液压拉紧装置工作是瞬时的，油缸活塞杆的位移为△XP时，胶带上

各质量点的位移很小，胶带上的惯性力、粘性阻尼力、弹性力可疑忽略不计。拉紧小车、动滑轮、钢丝绳的质量集中到活塞杆上，总质量记为Mt。拉紧小

车与轨道接触有摩擦阻力Fz作用，大小为m/2扩有方向性。

液压缸的输出力增量方程为

式中mt—活塞及负载折算到活塞上的总质量

Bp—活塞及负载的粘性阻尼系数

K—负载弹簧刚度

Fs—油缸的输出力

Fz一一拉紧小车摩擦阻力

3.2.2系统数学模型的建立

(1)输入偏差

式中:Ur一一系统设定电压值

Uf一一力传感器测定值

(2)力传感器模型

力传感器的响应频率远大于系统的响应频率，故将力传感器简化为比例

环节:

式中:Kl一一力传感器总反馈增益

(3)伺服放大器的模型

伺服放大器的固有频率大于液压缸的固有频率，故放大器简化为比例环节，其输出电流为

式中Ka—伺服放大器增益

Ue一一输入电压信号

(4)电液伺服阀模型

电液伺服阀的传递函数采用什么形式，取决于动力元件的液压固有频率

的大小。当伺服阀的频宽与液压固有频率相近时，伺服阀可近似看成二阶振

荡环节

当伺服阀的频宽大于液压固有频率3-5倍时，可近似看成惯性环节

当伺服阀的频宽大于液压固有频率5-10倍时，可以将其看成比例环节

3.2.3系统方块图

综合上述各式得出力伺服系统的总方块图如图3-5所示。推导力伺服数学模型的方法是根据系统工作的物理过程，从系统的原始输入开始，顺着信号的传输过程，直到负载输出为止建立整个系统的数学模型，其中一个部件模型的输入是以其上一个部件模型的输出为基础的。

3.2.4系统的传递函数简化

对式(3-22)进行简化。通常，

则式(3-21)传递函数可以简化为

力控系统方块图

负载的阻尼系数B，很小，可以忽略不计。

Fg (S)xv (s)·

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·········……(3-23)

其中

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式((3-23)可近似写成

Kq刀(s2.，、

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辽宁工程技术大学硕士学位论文

式中wm“载的固“”率，。，_ _FKwm -m,

口，—液压弹簧与负载弹簧串联偶合的刚度与阻尼系数之比

K--了I 1、

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形戈Kh K夕

口。—液压弹簧与负载弹簧并联偶合的刚度与负载质量形成的固有频

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}o—阻尼比，4 -

fl, ,K},,

two V, R+(K/Kh)]

其中KlKh一一总压力增益

因此方块图可以简化如图3-6所示

U, + UeKa兰K},G-, (S

铸

Fg

K，

I

图3-6简化的力控系统方块图

得到系统简化开环传递函数:

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、。。，，(s}S2KOG,v (SJI = 22+，)

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”“””’.‘”‘””’“‘”“‘’二(3-26)

式中Ko—系统的开环增益

K-

K。一‘a Ksv首APKI’

(3-27)

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3.3系统模型仿真分析

系统仿真是近年来发展起来的一门综合性很强的新兴学科，它涉及到系统分析、控制理论、计算方法和计算机等技术。目前，计算机仿真己成为系统分析、研究、设计和人员训练不可缺少的手段，它给工程界及企业界带来了巨大的社会效益和经济效益。应用它能够方便、安全、节省的研究一般系统，而且对于不可能进行直接实践和重复的社会、经济和军事系统，计算机仿真更显示出其无比的优越性。液压仿真作为系统仿真的一个分支，为液压系统的设计、优化与控制，特别是动态工作性能的提高，提供了一个有力的技术手段，己成为现代化液压系统设计体系中一个非常重要的环节。液压仿真研究既可以是实质上的修正与改进，其目的在于找出一个现有系统不能令人满意工作的症结所在，并给出改进系统现状的解决措施与方案;也可以是实质上的综合，即在设计阶段对相应的参数进行的检验，以保证制造出的系统具有良好的动态性能。因此，液压仿真具有很广泛的实用价值，随着系统仿真技术的发展，将愈加受到人们的重视。

设计的控制系统是否合理，就要验证控制系统的稳定性、准确性和快速性。在实际系统尚未建立、不存在的情况下，系统和其活动本质的复现，是根据被研究的真实系统的数学模型来研究系统性能的。仿真的目的就在于此。现在尤其是指利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的基本内