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中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2007屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 82 頁(yè)
1 緒論
1.1引言
皮帶運(yùn)輸機(jī)又稱(chēng)帶式輸送機(jī)，是一種連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械，也是一種通用機(jī)械。工作過(guò)程中噪音較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。皮帶運(yùn)輸機(jī)可用于水平或傾斜運(yùn)輸。皮帶運(yùn)輸機(jī)由皮帶、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒、承載托輥、回程托輥、張緊裝置、清掃器等零部件組成。
隨著帶式輸送機(jī)技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，帶式輸送機(jī)己經(jīng)成為散體物料的主要運(yùn)輸工具之一，因其能實(shí)現(xiàn)物料的連續(xù)裝卸運(yùn)輸而且運(yùn)輸距離長(zhǎng)、輸送能力大、電耗低、投資費(fèi)用相對(duì)較低以及維護(hù)方便等特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于港口、碼頭、冶金、熱電廠、露天礦和煤礦井下的物料運(yùn)送。
然而作為煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，在使用過(guò)程中由于膠帶各點(diǎn)的受力不均，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活等原因，膠帶易發(fā)生跑偏及打滑、斷帶等事故。一旦發(fā)生斷帶故障時(shí)，由于重力和慣性的作用，斷裂的膠帶將與膠帶上的物料一同迅速下滑將膠帶和物料一同堆積在輸送機(jī)的下方機(jī)頭處，給帶式輸送機(jī)的修復(fù)工作帶來(lái)很多的困難，帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。帶式輸送機(jī)的橫向斷帶事故時(shí)有發(fā)生。下面列舉一些資料中已公開(kāi)的斷帶事故和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
(1)1994年5月20日和7月31日。山東省七五煤礦330采區(qū)鋼絲繩芯膠帶輸送機(jī)在正常生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)中，連續(xù)2次發(fā)生斷帶事故，雖未造成人員傷亡，但每次均造成直接經(jīng)濟(jì)損失約9.8萬(wàn)元。間接損失達(dá)250余萬(wàn)元。第一起事故，編號(hào)為88—12—8的硫化接頭運(yùn)行到膠帶機(jī)頭以下150 m左右一較大的變坡點(diǎn)處時(shí)脫落斷裂。斷后的膠帶在載荷和膠帶重力分力作用下，逐漸加速，飛速下滑，直至堆積到不能再下滑為止。下滑距離達(dá)500余米。膠帶托輥支架沖擊損壞150余架。托輥損壞60余只。打毀架空乘人裝置吊座20余架。第二起事故，編號(hào)為94—5—2的硫化接頭運(yùn)行到膠帶機(jī)頭以下約200 m處發(fā)生脫落斷裂。膠帶下滑距離達(dá)550余米，情形與第一次事故基本相同。
(2)淮北礦業(yè)集團(tuán)公司朱仙莊煤礦，隨著機(jī)械化程度的逐步提高，原煤產(chǎn)量也逐年增加，目前已超過(guò)170萬(wàn)t/d，而85%以上的原煤需要強(qiáng)力輸送機(jī)來(lái)運(yùn)輸。1996年以來(lái)朱仙莊煤礦陸續(xù)安裝并投入使用了5部ST型鋼絲繩芯輸送機(jī)，輸送機(jī)膠帶總長(zhǎng)達(dá)到13200 m。隨著輸送機(jī)膠帶服務(wù)年限的增加,出現(xiàn)了不同程度的老化現(xiàn)象，致使輸送機(jī)膠帶覆蓋層與帶芯之間粘合強(qiáng)度下降。2002年底連續(xù)發(fā)生5起輸送機(jī)膠帶接頭拉斷事故，直接影響了全礦的安全生產(chǎn)。
(3)大同煤礦集團(tuán)公司現(xiàn)有主提升斜井膠帶輸送機(jī)12部，暗斜井主運(yùn)輸膠帶輸送機(jī)11部；斜井坡度為14～16度，膠帶寬度1～1.4 m、機(jī)長(zhǎng)400～1100 m。從1989～1995年,有7部主斜井膠帶輸送機(jī)發(fā)生斷帶事故，共影響生產(chǎn)近400 h，影響產(chǎn)量達(dá)30萬(wàn)噸。斷帶事故不僅影響了生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，還嚴(yán)重破壞了井下裝備，甚至威脅到職工的生命安全。
(4)平頂山礦務(wù)局至1996年有l(wèi)7臺(tái)鋼絲繩芯膠帶輸送機(jī)在運(yùn)行，其中有SQD-440型上運(yùn)大傾角膠帶輸送機(jī)、STJ/4X2805型鋼絲繩芯膠帶輸送機(jī)(運(yùn)量達(dá)1000t/h)等等。共有10個(gè)礦使用鋼絲繩芯膠帶輸送機(jī)，其中有8個(gè)礦發(fā)生過(guò)斷帶事故。發(fā)生斷帶事故的膠帶輸送機(jī)占總數(shù)的58.82%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止1995年8月，全局共發(fā)生鋼絲繩芯膠帶斷帶事故16起，累計(jì)影響生產(chǎn)時(shí)間1706.2 h，影響產(chǎn)量20余萬(wàn)噸。其中15起斷帶發(fā)生在接頭處，占斷帶總數(shù)的93.75%。
以淮北礦務(wù)局某煤礦為例:該礦日產(chǎn)量在5000 t以上，一個(gè)采區(qū)的日產(chǎn)量也有2000 t，停產(chǎn)1d,就會(huì)造成100余萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失，若斷帶后皮帶推倒皮帶架子，損壞設(shè)備，將產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重可能引發(fā)人員的傷亡事故，將會(huì)給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)更大的負(fù)面影響。
目前國(guó)內(nèi)已有多廠家研制了膠帶輸送機(jī)綜合保護(hù)器，它們可有效地實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的部分故障保護(hù)，但還無(wú)法完成帶式輸送機(jī)斷帶、飛車(chē)保護(hù)，加之輸送機(jī)的斷帶、飛車(chē)事故在煤礦、電廠、水泥廠工作中時(shí)有發(fā)生，因此這一問(wèn)題急需解決。
1.2國(guó)內(nèi)外皮帶的研究現(xiàn)狀
上世紀(jì)五十年代以來(lái)，從運(yùn)輸谷物的帆布、木支座運(yùn)輸機(jī)到現(xiàn)在鋼絲繩牽引運(yùn)輸機(jī)、波狀擋邊帶式輸送機(jī)、斗式等各種輸送機(jī)，帶式輸送機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展。帶式輸送機(jī)不但在各大零部件的結(jié)構(gòu)，性能以及整機(jī)管理方面有了很大的改善和提高外，在起制動(dòng)動(dòng)態(tài)特性的研究方面也有了重大突破，如德國(guó)、澳大利亞、美國(guó)、波蘭、南非、日本等，相續(xù)對(duì)此進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，在動(dòng)態(tài)研究分析領(lǐng)域采用粘彈性流變力學(xué)理論對(duì)系統(tǒng)作了更接近于實(shí)際的假設(shè)分析，澳大利亞還對(duì)膠帶橫向振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。
20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)在簡(jiǎn)化的力學(xué)模型上提出了第一個(gè)帶式輸送機(jī)非穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)分析的計(jì)算公式，1973年形成了動(dòng)態(tài)分析方法，并開(kāi)始實(shí)際應(yīng)用。1984年3月Harrison 的博士論文“動(dòng)態(tài)測(cè)量與鋼絲繩芯帶的分析”，論述了輸送帶彎曲理論和帶式輸送機(jī)起、制動(dòng)時(shí)瞬時(shí)彈性力的分析方法。1984年，美國(guó)的 Nordell 和 Gozda 發(fā)表了第一篇關(guān)于質(zhì)量--彈簧模型的論文，題目是“起、制動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)張力和有限元法仿真彈力特性”。在國(guó)內(nèi)，由于缺乏大型帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)分析研究起步較晚。從80年代初，我國(guó)逐步進(jìn)行了帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性研究，進(jìn)行了帶式輸送機(jī)受料處的動(dòng)載荷的研究；進(jìn)行了輸送帶和帶式輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型的研究；進(jìn)行了帶式輸送機(jī)膠帶的粘彈性及整機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究；進(jìn)行了帶式輸送機(jī)在起、制動(dòng)非穩(wěn)定工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究以及恒張力自動(dòng)張緊系統(tǒng)等研究。
盡管對(duì)輸送機(jī)起制動(dòng)問(wèn)題目前以做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但由于各國(guó)研究的發(fā)展?fàn)顩r不同，應(yīng)用的客觀條件不同，技術(shù)本身研究的深度和廣度以及數(shù)學(xué)分析處理方法的種種不足，仍未提出一種切實(shí)可行的，能滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求的方法。如下：
（1）由于實(shí)際膠帶的組織是復(fù)合材料組成的三向異性體，要準(zhǔn)確地描述其粘彈性動(dòng)力特性是很困難的，即使理論上可以采用較好近似程度的復(fù)雜組合模型，但模型參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)定和動(dòng)態(tài)分析也會(huì)變的相當(dāng)復(fù)雜，有時(shí)甚至難以實(shí)現(xiàn)，目前的研究均按 Vogit 模型處理，且以ISO/DP9856標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。
另外，同一型號(hào)膠帶動(dòng)態(tài)參數(shù)的離散性很大，加之托輥支座和物料的聯(lián)合作用，給動(dòng)態(tài)分析帶來(lái)了更大的難度，我國(guó)膠帶廠生產(chǎn)的膠帶多數(shù)沒(méi)有給出動(dòng)態(tài)參數(shù)或沒(méi)有進(jìn)行這方面的測(cè)試，也給膠帶粘彈性模型的建立與其相應(yīng)參數(shù)的測(cè)定帶來(lái)了一定的困難。
（2）輸送機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)均簡(jiǎn)化為沿膠帶長(zhǎng)度方向的一維粘彈性桿或簡(jiǎn)化為二維、三維粘彈性體來(lái)分析研究，關(guān)于驅(qū)動(dòng)裝置的力矩傳遞特性的抽象簡(jiǎn)化，相當(dāng)于分析動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的外加激勵(lì)，但是對(duì)起動(dòng)裝置的動(dòng)特性研究較少，另外驅(qū)動(dòng)裝置特性曲線的計(jì)算機(jī)模擬和驅(qū)動(dòng)滾筒打滑狀態(tài)的判斷方面研究也很少，這是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析都會(huì)帶來(lái)不利的影響。
（3）離散模型的電模擬法，連續(xù)模型的波動(dòng)法，僅對(duì)膠帶動(dòng)態(tài)特性作了近似的反映，計(jì)算工作量大，分析過(guò)程復(fù)雜。
（4）動(dòng)態(tài)過(guò)程的控制分析未能同系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析結(jié)合起來(lái)，這樣就將研究成果的應(yīng)用范圍限制的很小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意帶式輸送機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程控制。
（5）橫向彎曲振動(dòng)的研究到目前還沒(méi)有一套工程適用的無(wú)共振設(shè)計(jì)方法或程序。
（6）目前僅能對(duì)任意點(diǎn)的帶速、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、張緊系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，不能對(duì)任意點(diǎn)張力進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。
為改善輸送帶的耐磨、抗沖擊、防斷裂、阻燃和抗靜電等性能，其相關(guān)研究主要采取了一系列材料作為芯體（骨架層）的覆蓋層或涂層。
部分文獻(xiàn)報(bào)道如下：
（1）管狀高耐磨輸送帶：安徽天地人(集團(tuán))股份有限公司提供的該產(chǎn)品以尼龍帆布、鋼絲繩等構(gòu)成的芯體為骨架，以高彈性、高耐磨、高強(qiáng)度橡膠為工作面組成新型運(yùn)輸物件，主要用于輸送粉狀、顆粒狀等易污染環(huán)境的物料。產(chǎn)品具有耐屈撓，抗沖擊，附著力高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試和使用，其硬度為（邵氏A）65±5度，磨耗量不大于0.2cm3/1.61，彈性不小于30%，扯斷強(qiáng)度不小于20MPa，扯斷伸長(zhǎng)率不小于450%，布-布粘著力不小于10N/mm，膠-布粘著力不小于6N/mm。
（2）CONVEYOR BELT EXCELLENT IN PARTIAL WEAR RESISTANCE AND ITSCOMPOSITION（PN：JP2002308410 PD：2002.10.23 PA：WATANABE HIROAKI）：日本專(zhuān)利JP2002306410涉及一種增強(qiáng)橡膠輸送帶局部區(qū)域耐磨性的方法。該專(zhuān)利在輸送帶兩端設(shè)置覆蓋層，覆蓋層采用橡膠混合烴作為主要成分與碳黑合成而呈現(xiàn)膠狀特性，以遏制輸送帶表面的磨耗。
（3）分層阻燃輸送帶（申請(qǐng)?zhí)枺?2270298.9；申請(qǐng)日：2002年10月28日；公告日：2003年11月12日；專(zhuān)利權(quán)人：兗礦集團(tuán)有限公司）:中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利ZL02270298.9涉及一種帶式輸送機(jī)分層阻燃輸送帶，特別適合于煤礦井下用的直經(jīng)分層阻燃輸送帶。它由帶芯織物分層及其浸漬糊料形成的阻燃彈性體、阻燃上覆蓋層和阻燃下覆蓋層構(gòu)成。其覆蓋層為硫化橡膠或者橡塑混膠層或者PVC層或者聚氨脂層，帶芯織物分層為多個(gè)，層間有阻燃的緩沖膠層。輸送帶具有抗拉強(qiáng)度高、相對(duì)拉伸模量高、伸長(zhǎng)率低、耐動(dòng)態(tài)疲勞、耐沖擊、抗撕裂、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
（4）PVC全塑阻燃輸送帶的研究：對(duì)PVC全塑阻燃輸送帶的骨架結(jié)構(gòu)與材料、PVC糊和覆蓋膠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，確定了適宜的組成和配方。制備的PVC全塑阻燃輸送帶阻燃、抗靜電和強(qiáng)度大，符合MT147-92標(biāo)準(zhǔn)要求。其技術(shù)指標(biāo)為：表面電阻小于3.0×108Ω，表面摩擦生熱不大于325oC，酒精噴燈燃燒自熄時(shí)間不大于3s，巷道丙烷燃燒試樣全寬度未燒壞部分長(zhǎng)度不小于250 mm。
（5）耐燃輸送帶聚氨酯涂層：江蘇省煤礦研究所研制的涂層由熱塑性聚氨酯彈性體為主要材料，與導(dǎo)電炭黑和磷酸酯類(lèi)阻燃劑及溴系阻燃劑共同混煉成膠料，再與經(jīng)過(guò)阻燃處理的整體編織帶芯復(fù)合而成。它主要作為煤礦井下帶式輸送機(jī)的輸送帶用。與橡膠及聚氯乙烯輸送帶相比，它具有機(jī)械強(qiáng)度高、曲撓性好、耐磨（為天然橡膠的2～10倍）、耐撕裂（也為天然橡膠的2～10倍）等優(yōu)點(diǎn)，并且抗靜電、阻燃。
總之，雖然帶式輸送機(jī)的理論和實(shí)驗(yàn)研究上積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但仍然處在不斷摸索、不斷完善的過(guò)程中。
1.3皮帶斷帶抓捕工具的研究現(xiàn)狀
為了防止膠帶逆轉(zhuǎn)、飛車(chē)和斷帶，國(guó)內(nèi)外一些科技人員進(jìn)行了一系列的有意嘗試與研究，提出了一些解決辦法:
（1）帶下安裝阻尼板
帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行時(shí)膠帶被拉緊，膠帶基本上是一條直線，下垂量很小，而斷帶后，由于托輥間距的存在，即使是高強(qiáng)度鋼絲繩芯膠帶也有很大的下垂量，基于這一特點(diǎn)，采用在膠帶下面一定距離處安裝阻尼板，斷帶時(shí)，由于膠帶的自重作用及初始速度使得膠帶迅速松弛，并與阻尼板接觸，當(dāng)阻尼板與膠帶之間的摩擦力足夠大時(shí)，可有效地阻止膠帶下滑，這就是阻尼板的工作原理，如圖1.1，阻尼板的防滑能力與阻尼板與膠帶之間的摩擦系數(shù)有關(guān)，與阻尼板的幾何長(zhǎng)度、阻尼板與膠帶間的距離以及膠帶的傾角等因素有關(guān)。
圖 1.1 阻尼板法防斷帶示意圖
（2）單向托輥摩擦制動(dòng)
此種制動(dòng)，主要利用托輥反向逆止原理，如圖1.2，當(dāng)具有一定傾角的帶式輸送機(jī)正常工作時(shí)，托輥隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，膠帶與托輥間為滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力很小，而當(dāng)膠帶斷裂下滑時(shí)，由于托輥是單向的，所以托輥反向無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，膠帶與托輥間為滑動(dòng)摩擦，摩擦阻力增大，通過(guò)滑動(dòng)摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。
圖 1.2 單向托輥防斷帶法
（3）自適應(yīng)摩擦棘輪式斷帶保護(hù)器
摩擦棘輪式帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)逆止器是利用棘輪機(jī)構(gòu)的反向制動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)斷帶保護(hù)，實(shí)際工作時(shí)逆止器成對(duì)地布置在輸送帶兩側(cè)，其一側(cè)的結(jié)構(gòu)如圖1.3，由結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)的上下兩個(gè)組成部分，主要零件有支架、彈簧、加緊桿、摩擦式扇型棘爪、偏心凸輪、支撐軸和夾緊輪。
帶式輸送機(jī)正常工作時(shí)，輸送帶沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，在摩擦力的作用下輸送帶驅(qū)動(dòng)夾緊輪正向轉(zhuǎn)動(dòng)，夾緊輪相對(duì)于輸送帶作純滾動(dòng)。由于支承軸與夾緊桿之間裝有滾動(dòng)軸承，工作阻力很小。
當(dāng)出現(xiàn)異常現(xiàn)象輸送帶斷裂時(shí)，輸送帶及物料在重力作用下將沿斜面向下滑動(dòng)，在摩擦力的作用下輸送帶要驅(qū)動(dòng)夾緊輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)。由于摩擦式扇形棘爪的升角小于金屬之間的摩擦角，棘爪使夾緊輪反向自鎖，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，夾緊桿與夾緊輪成為剛性連接。輸送帶沿斜面向下滑動(dòng)的摩擦力使上夾緊桿與夾緊輪一起順時(shí)針擺動(dòng)，使下夾緊桿與夾緊輪一起逆時(shí)針擺動(dòng)，下滑力越大夾緊力也越大。由于夾緊制動(dòng)動(dòng)作是隨著輸送帶下滑動(dòng)作自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，夾緊力的大小隨著輸送帶下滑動(dòng)作自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，夾緊輪的大小隨著膠帶下滑力的大小而自動(dòng)適應(yīng)，無(wú)需其他控制就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷帶保護(hù)，從而防止了輸送帶和物料下滑堆積與巷道，避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。
圖 1.3 自適應(yīng)摩擦棘輪式斷帶保護(hù)器
1—支架；2—彈簧；3—加緊桿；4—摩擦式扇型棘爪；5—偏心凸輪；6—支撐軸；7—夾緊輪
（4）GBZ型滾動(dòng)下落膠帶抓捕器
抓捕裝置主要結(jié)構(gòu)如圖1.4，當(dāng)膠帶正常運(yùn)行時(shí)，抓捕輥高高舉起，它們不與膠帶接觸，不影響物料的運(yùn)輸。只有特制的托輥位于膠帶下面隨膠帶前進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)膠帶倒轉(zhuǎn)或斷帶后膠帶下滑時(shí)，特制托輥則跟著反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)托輥軸一起倒轉(zhuǎn)，倒轉(zhuǎn)的軸則帶動(dòng)一個(gè)螺旋副運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到我們控制的倒轉(zhuǎn)長(zhǎng)度時(shí)，則可推動(dòng)抓捕輥的固定卡爪，使抓捕輥沿內(nèi)裝齒條的直槽快速旋轉(zhuǎn)下落，繼而滑入斜槽，并在倒轉(zhuǎn)膠帶的帶動(dòng)下繼續(xù)沿斜面運(yùn)動(dòng)，因而把膠帶緊緊的卡住在抓捕輥和基砧之間， 由于抓捕輥旋轉(zhuǎn)下落，可以把膠帶上的煤屑清除掉，使抓捕的更可靠。
(a) 正常狀態(tài)抓捕器 (b) 抓捕狀態(tài)抓捕器
圖 1.4 GBZ型滾動(dòng)下落膠帶抓捕器
（5） 雙向抓捕器
抓捕器由左右兩個(gè)抓捕臂、兩個(gè)單向抓捕輥和與其對(duì)應(yīng)的帶下單向托輥組成。工作狀態(tài)如圖1.5所示。
左側(cè)單向抓捕輥允許轉(zhuǎn)向與膠帶運(yùn)行方向相反，右側(cè)抓捕輥允許轉(zhuǎn)動(dòng)方向與膠帶運(yùn)行方向相同，膠帶正常工作時(shí)，左側(cè)的抓捕臂與單向抓捕輥由電磁鐵懸置，右側(cè)抓捕臂與單向抓捕輥始終懸浮在膠帶上，如圖(a)所示。設(shè)帶的運(yùn)行方向?yàn)橄蛴?，?dāng)膠帶發(fā)生斷帶時(shí)， 斷帶信號(hào)迅速由傳感器傳給控制系統(tǒng)，控制系體接到信號(hào)后，發(fā)出控制指令，迅速切斷驅(qū)動(dòng)電路和懸置磁鐵電源，電磁鐵掉電后，左側(cè)抓捕臂和單向抓捕輥在重力作用下落下， 由于左側(cè)抓捕輥的允許轉(zhuǎn)向與帶速方向相反，抓捕器與膠帶產(chǎn)生較大的摩擦阻力，懸臂在摩擦阻力拖動(dòng)下逆時(shí)針擺動(dòng)， 逐步抓緊并卡死膠帶，如圖(b)所示。同理，當(dāng)膠帶發(fā)生逆轉(zhuǎn)時(shí)， 右側(cè)的懸臂立即在摩擦力的作用下，抓緊膠帶。
(a) 正常狀態(tài)抓捕器 (b) 抓捕狀態(tài)抓捕器
圖 1.5 雙向抓捕器
比較，上述各種斷帶保護(hù)裝置主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是使用單向托輥和阻尼板的摩擦制動(dòng)的方法；另一類(lèi)是采用抓捕原理的方法。
第一類(lèi)方法是將皮帶的上托輥按一定比例換成單向托輥，在下層皮帶下方安放阻尼板。當(dāng)皮帶因斷裂下滑或逆轉(zhuǎn)時(shí)，因上托輥不可逆轉(zhuǎn)，利用托輥對(duì)上層皮帶的滑動(dòng)摩擦阻力，使上皮帶不能長(zhǎng)距離下滑；下層皮帶因松弛與阻尼板接觸，因摩擦而制動(dòng)。為了防止下層皮帶的下滑要在皮帶下面安放大量的阻尼板。這種方法需要將大多數(shù)或全部托輥更換為單向托輥，而單向托輥是非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，價(jià)格較高，使用壽命短，一次性改造工程量大，且長(zhǎng)期投資也較大。
第二類(lèi)采用抓捕原理的方法又可分為兩種。其一，主要是在膠帶上、下側(cè)設(shè)置抓捕裝置，并配上傳感裝置、清煤裝置和抓捕裝置等組成抓捕器，當(dāng)膠帶斷帶時(shí)，膠帶上、下側(cè)的抓捕裝置動(dòng)作，把下滑皮帶緊緊抓住。一般選用電機(jī)、液壓執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)，在井下各種電器設(shè)備還要考慮防爆等問(wèn)題，因此該設(shè)備造價(jià)昂貴，投資較大，工程量大，維護(hù)煩瑣，很少在煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用，而且常常發(fā)生誤動(dòng)作，比如，在井下惡劣的環(huán)境下，傳感器常常失效，若在正常的情況下傳感器給出斷帶信號(hào)，則產(chǎn)生誤動(dòng)作，影響生產(chǎn)；一旦事故發(fā)生，沒(méi)有檢測(cè)到，抓捕將失敗。其二，是利用皮帶斷帶后下滑或逆轉(zhuǎn)來(lái)觸發(fā)相應(yīng)的抓捕機(jī)構(gòu)制動(dòng)下滑的皮帶。利用這種原理的設(shè)計(jì)方案僅國(guó)內(nèi)就公布了十余項(xiàng)專(zhuān)利，但是實(shí)施起來(lái)均有很大的困難。
1.4本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容
本設(shè)計(jì)對(duì)帶式輸送機(jī)的斷帶進(jìn)行了分析，結(jié)合現(xiàn)有帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)裝置，設(shè)計(jì)了偏心輪夾緊機(jī)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)由偏心輪機(jī)構(gòu)、液壓泵站、單片機(jī)檢測(cè)控制系統(tǒng)組成。應(yīng)用速度傳感器與單片機(jī)對(duì)帶式輸送機(jī)斷帶進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)控制，從而通過(guò)設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)控制偏心輪夾緊機(jī)構(gòu)，盡可能有效及時(shí)地進(jìn)行斷帶保護(hù)。
2 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.1斷帶的原因
從目前大量的帶式輸送機(jī)斷帶事故分析可知，帶式輸送機(jī)斷帶原因大概有以下幾種。
(1) 齒輪減速器損壞，液力耦合器噴液或電動(dòng)機(jī)逆轉(zhuǎn)。
(2) 輸送帶接頭質(zhì)量問(wèn)題。輸送帶接頭分為機(jī)械接頭和硫化接頭，機(jī)械接頭的質(zhì)量遠(yuǎn)不如硫化接頭，所以現(xiàn)在已很少采用。就硫化接頭而言，如果未按要求控制硫化溫度和硫化壓力，溫度和壓力在硫化板上分布不均，溫度和壓力的保持時(shí)間設(shè)定不合理，采用不合理的材料等對(duì)硫化工藝均有影響。
(3) 運(yùn)輸中因其它東西卷入而引起運(yùn)輸載荷突然增加。比如大塊矸石或其它質(zhì)量特別大的物體突然混在正在運(yùn)輸?shù)拿褐小?
(4) 啟動(dòng)和停車(chē)時(shí)應(yīng)力變化大。帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)和停車(chē)也會(huì)造成輸送帶斷裂，一般最好在空載下啟動(dòng)輸送機(jī)。
(5) 輸送帶自身質(zhì)量不過(guò)關(guān)，輸送帶服務(wù)年限過(guò)長(zhǎng)，輸送帶長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)輸，日常維護(hù)不到位。
(6) 物料分配不均，輸送帶跑偏。帶式輸送機(jī)有空載段和超載段，使輸送帶受力不均。
為了防止由這些原因引起的斷帶事故，除了進(jìn)行人為的檢修和維護(hù)外，在輸送機(jī)沿線上布置斷帶保護(hù)裝置尤為重要。因?yàn)樗梢员苊馔话l(fā)事故，隨時(shí)處于待命狀態(tài)。在輸送帶正常工作時(shí)，它不影響物料運(yùn)輸，當(dāng)斷帶事故發(fā)生時(shí)，布置的斷帶保護(hù)裝置便馬上動(dòng)作，迅速抓住斷裂下滑的輸送帶，減少事故損失。
2.2斷帶抓捕器的性能要求
了解現(xiàn)場(chǎng)對(duì)斷帶捕捉器的性能要求是正確設(shè)計(jì)斷帶捕捉器的關(guān)鍵。斷帶捕捉器應(yīng)有如下性能：
(1) 在斷帶或逆轉(zhuǎn)時(shí)均起作用；
(2) 非斷帶或無(wú)逆轉(zhuǎn)時(shí)不能誤動(dòng)作；
(3) 捕捉力應(yīng)有足夠的作用帶寬，最好整個(gè)帶寬捕捉。以使輸送帶在承壓許可范圍內(nèi)。提高單臺(tái)捕捉器的捕捉力；
(4) 在捕捉力施加時(shí)，應(yīng)清除大部分物料；
(5) 捕捉力緩施。以便輸送帶的制動(dòng)減速度不致過(guò)大。避免過(guò)大慣性力。造成二次斷帶；
(6) 結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單。
2.3夾緊機(jī)構(gòu)的組成部分及工作原理
夾緊機(jī)構(gòu)采用偏心輪實(shí)現(xiàn)夾緊，整個(gè)機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)作執(zhí)行元件、單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)組成。主要執(zhí)行動(dòng)作元件是偏心輪和液壓缸。安裝時(shí)整個(gè)偏心輪夾緊機(jī)構(gòu)安裝在帶式輸送機(jī)兩邊對(duì)稱(chēng)的機(jī)架上，安裝保證偏心輪的兩端面與膠帶上表面垂直；膠帶兩邊緣部分由偏心輪下方通過(guò)；偏心輪的中心線與托輥中心線重合。
工作原理：當(dāng)帶式輸送機(jī)出現(xiàn)斷帶故障時(shí)，通過(guò)安裝在上運(yùn)皮帶下面的速度傳感器檢測(cè)出斷帶信號(hào)，由A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)判斷處理后發(fā)出動(dòng)作指令，驅(qū)動(dòng)滾筒電動(dòng)機(jī)斷電，同時(shí)液壓系統(tǒng)中的電磁換向閥換向?qū)?，?qū)動(dòng)液壓缸活塞桿伸出帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，直至夾緊皮帶。整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)原理圖如下圖2.1：
圖 2.1 系統(tǒng)原理圖
1—速度傳感器；2—單片機(jī)控制系統(tǒng)；3—液壓系統(tǒng)；
4—偏心輪夾緊機(jī)構(gòu)；5—驅(qū)動(dòng)滾筒電機(jī)
2.4夾緊機(jī)構(gòu)所需理論夾緊力的計(jì)算
設(shè)計(jì)所選帶式輸送機(jī)的特征參數(shù)：
帶寬：1000 mm ；安裝時(shí)最大傾角：20°；最大運(yùn)輸能力：630 t/h；輸送長(zhǎng)度：90 m；運(yùn)輸物料：原煤；帶速：1.9 m/s。
輸送帶特征參數(shù)：
型號(hào)：鋼絲繩芯膠帶 GX-1000 mm；鋼絲繩直徑：4.5 mm；帶厚：16 mm；膠帶每米質(zhì)量：24.63 kg/m。
根據(jù)帶帶式輸送機(jī)最大運(yùn)輸能力計(jì)算公式，可計(jì)算出輸送帶上物料的最大橫斷面積。
(t/h) （2.1）
式中 A—輸送帶上物料的最大橫斷面積 m；
—輸送帶的運(yùn)行速度 ；
—物料的松散密度 kg/m，原煤 =700 kg/m；
k—輸送機(jī)的傾斜系數(shù)，k=0.91；
由公式（1）求得輸送帶上物料的最大橫斷面積：
0.145 m
帶式輸送機(jī)運(yùn)送長(zhǎng)度為90米，整個(gè)輸送機(jī)每隔30米安裝一套夾緊機(jī)構(gòu)，物料與膠帶每30米的總重量：
37 kN （2.2）
由總重量和輸送機(jī)的傾角，由下圖2.1膠帶的受力分析，可計(jì)算出物料與膠帶每30米總重量在沿斜面、垂直斜面方向上的分力。
圖 2.2 膠帶的受力分析
沿斜面分力：sin20°=37×sin20°=12.65 （2.3）
垂直斜面分力: cos20°=37×cos20°=34.8 kN （2.4）
由以上計(jì)算可知；偏心輪有效的實(shí)現(xiàn)夾緊膠帶，必須產(chǎn)生的夾緊力為12.65 kN，夾緊力是依靠偏心輪與膠帶間的摩擦產(chǎn)生的，查手冊(cè)取膠帶與偏心輪之間的摩擦系數(shù) =0.3，則所需偏心輪產(chǎn)生的正壓力為：
=42.12 kN （2.5）
為了能安全有效地制動(dòng)膠帶，取安全系數(shù) =2 將正壓力擴(kuò)大2倍，此時(shí)偏心輪產(chǎn)生的正壓力與夾緊力為：
正壓力：=2×42.12=84.24 kN （2.6）
夾緊力：=0.3×84.24=25.27 kN （2.7）
帶式輸送機(jī)斷帶時(shí)所需的夾緊力為12.65 kN，設(shè)計(jì)偏心輪夾緊所產(chǎn)生的夾緊力為25.27 kN，滿(mǎn)足斷帶夾緊要求。
2.5偏心輪夾緊旋轉(zhuǎn)角度與活塞桿行程的確定
2.5.1偏心輪夾緊旋轉(zhuǎn)角度的確定
夾緊機(jī)構(gòu)安裝時(shí)，取偏心輪與膠帶之間的距離為10 mm；膠帶受壓壓縮變形為6 mm；偏心輪的直徑=200 mm；偏心距=60 mm；結(jié)構(gòu)尺寸如圖2.3可知偏心輪的位移：
（2.8）
由公式（8）可計(jì)算出偏心輪夾緊膠帶所旋轉(zhuǎn)的角度：
（2.9）
可求得：=42.8°，設(shè)計(jì)取偏心輪夾緊膠帶所旋轉(zhuǎn)的角度=45°。
圖 2.3 偏心輪夾緊位移圖
2.5.2活塞桿行程的確定
根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)，由偏心輪夾緊位移圖，可知： AC=280 mm ；AB=200 mm 則活塞桿的行程：
mm （2.10）
2.6偏心輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
材料：偏心輪采用45鋼，偏心輪外圓面滾粗花；
尺寸：偏心輪的直徑=200 mm、偏心距=60 mm、偏心輪外圓柱面的寬度=40 mm。
與軸的連接結(jié)構(gòu)：采用鍵連接。
偏心輪夾緊機(jī)構(gòu)安裝簡(jiǎn)圖如下圖2.4：
(a) 夾緊機(jī)構(gòu)安裝橫截面視圖 (b) 夾緊機(jī)構(gòu)A-A截面視圖
圖2.4 偏心輪夾緊機(jī)構(gòu)安裝簡(jiǎn)圖
1—夾緊液壓缸；2—偏心輪；3—膠帶；4—托輥
3液壓泵站的計(jì)算與設(shè)計(jì)
3.1液壓系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)
液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為液壓主機(jī)設(shè)計(jì)的重要組成部分，設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足工作需要的全部技術(shù)要求，且靜動(dòng)態(tài)性能好、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作安全可靠、壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性好、使用維護(hù)方便。
1.確定回路方式
選用開(kāi)式回路，即執(zhí)行元件的排油回油箱，油液經(jīng)過(guò)沉淀、冷卻后再進(jìn)入液壓泵的進(jìn)口。
2.選用液壓油液
設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)選用礦油型液壓油作為工作介質(zhì)
3.確定液壓泵類(lèi)型及調(diào)速方式
選用變量液壓泵調(diào)速，選用蓄能器，補(bǔ)償液壓系統(tǒng)泄露，保持系統(tǒng)的壓力恒定。
4.選用執(zhí)行元件
根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)作要求，選用單活塞桿液壓缸，設(shè)計(jì)選型的帶式輸送機(jī)安裝3套夾緊機(jī)構(gòu)，故設(shè)計(jì)需要6個(gè)雙作用液壓缸。
5.換向回路的選擇
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用：三位四通電動(dòng)換向閥的換向回路，一個(gè)換向閥同時(shí)控制同一位置的兩個(gè)液壓缸。此時(shí)各執(zhí)行元件的順序、互鎖、聯(lián)動(dòng)等要求由電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
6.執(zhí)行元件同步動(dòng)作設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中3套夾緊機(jī)構(gòu)，6個(gè)液壓缸，為保證同一位置的2個(gè)液壓缸能同時(shí)動(dòng)作，設(shè)計(jì)選用：分流閥，基本上能達(dá)到2個(gè)液壓缸同步運(yùn)行。
7.液壓系統(tǒng)的原理圖
本設(shè)計(jì)液壓泵站系統(tǒng)原理如圖3.1所示。當(dāng)輸送機(jī)正常工作時(shí)，電磁換向閥無(wú)電關(guān)閉，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵工作，此時(shí)溢流閥調(diào)定壓力為31.5 MPa。
圖 3.1 液壓系統(tǒng)的原理圖
1—電磁溢流閥；2—液控單向閥；3—電磁換向閥；4—蓄能器；5—壓力繼電器；6—壓力表；7—電動(dòng)機(jī)；8—液壓泵；9—過(guò)濾器；10—油箱
壓力繼電器接點(diǎn)與液壓站電動(dòng)機(jī)的控制開(kāi)關(guān)的接線原理如圖3.2所示。
圖 3.2 控制開(kāi)關(guān)的接線原理
壓力繼電器高壓接點(diǎn)為1—2，高壓調(diào)定壓力為31 MPa，當(dāng)壓力小于31 MPa時(shí)，1—2接通，當(dāng)壓力大于31 MPa時(shí)，1—2關(guān)斷；低壓接點(diǎn)為4—5，低壓調(diào)定壓力為6.3 MPa，當(dāng)壓力小于6.3 MPa時(shí)，4—5接通，大于6.3 MPa時(shí)，4—5關(guān)斷。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到31MPa時(shí)，1—2關(guān)斷(此時(shí)4—5已斷)，液壓站電動(dòng)機(jī)停電，此時(shí)靠系統(tǒng)蓄能器和單向閥保壓，當(dāng)系統(tǒng)壓力降至6.3 MPa時(shí)，4—5接通(此時(shí)1—2已接通，為自保作了準(zhǔn)備)，電動(dòng)機(jī)重新起動(dòng)，液壓系統(tǒng)又升高至31MPa停止。
當(dāng)出現(xiàn)斷帶時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)使電磁換向閥動(dòng)作，使夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作。此時(shí)蓄能器保證系統(tǒng)的初壓力為6.3 MPa，系統(tǒng)壓力降低使電動(dòng)機(jī)強(qiáng)迫起動(dòng)，向蓄能器及油缸供液。由于蓄能器容量較大，故充液至31 MPa的時(shí)間就是夾緊機(jī)構(gòu)夾緊力緩施的時(shí)間。
3.2液壓缸參數(shù)的計(jì)算
3.2.1液壓缸工作壓力及主要結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算
1.初選液壓缸的工作壓力
液壓缸工作壓力主要根據(jù)液壓設(shè)備的類(lèi)型來(lái)確定的，對(duì)于不同用途的液壓缸，由于工作條件不同，通常采用的壓力范圍也不同。參考同類(lèi)設(shè)計(jì)，初定液壓缸的工作壓力為=6 MPa。
2.確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸
本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用單作用、液壓缸固定的單桿式液壓缸。設(shè)計(jì)取無(wú)桿腔有效面積等于有桿腔有效面積的兩倍，即=2。取液壓缸回油腔背壓為=0.4MPa。
當(dāng)壓力油進(jìn)入無(wú)桿腔時(shí)，對(duì)活塞產(chǎn)生的推力：
（3.1）
= （3.2）
式中 —工作過(guò)程中最大的外負(fù)載，即活塞桿伸出時(shí)最大的推力；
—液壓缸密封處的摩擦力它的精確值不易求得，常用液壓缸的機(jī)械效率來(lái)進(jìn)行估算；
—液壓缸的機(jī)械效率，一般=0.9～0.97，設(shè)計(jì)取 =0.95；
將各數(shù)值代入公式（3.1）、（3.2），可計(jì)算液壓缸無(wú)桿腔的有效面積：
=
=21.4 cm (3.3)
則液壓缸的直徑：
===5.22 cm=52.2 mm (3.4)
由=2，可求活塞桿的直徑：
=0.707=0.707mm （3.5）
設(shè)計(jì)考慮實(shí)際工作條件，設(shè)計(jì)取液壓缸缸體內(nèi)徑=90 mm、活塞桿直徑=45 mm。
3．活塞桿彎曲穩(wěn)定性的驗(yàn)算
活塞桿完全伸出時(shí)需考慮活塞桿彎曲穩(wěn)定性，設(shè)定受力完全作用在活塞桿軸線上，主要驗(yàn)算：
(3.6)
N (3.7)
圓截面： m (3.8)式中 MPa
—活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界的壓縮力，N；
—安全系數(shù)，設(shè)計(jì)取=4；
—實(shí)際彈性模數(shù)；
—材料組織缺陷系數(shù)，鋼材一般??；
—活塞桿截面不均勻系數(shù)，一般??；
—材料的彈性模數(shù)，MPa,鋼材 =；
—液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，根據(jù)實(shí)際安裝取 =2；
—活塞桿橫截面慣性矩，m；
—液壓缸的支承長(zhǎng)度，根據(jù)設(shè)計(jì) =320 mm
將各數(shù)據(jù)上述公式，可求得：
N
N =80 kN=11.8 kN (3.9)
∴ 活塞桿彎曲穩(wěn)定性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
4.液壓缸的工作壓力的確定
根據(jù)設(shè)計(jì)選取缸徑和活塞桿的直徑，計(jì)算無(wú)桿腔有效面積=63.6 cm
有桿腔有效面積=47.7 cm。由公式3.1，計(jì)算出活塞桿伸出時(shí)所需液壓油的壓力：
=4.37 MPa (3.10)
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)取液壓缸的工作壓力 =4.4 MPa。
3.2.2液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算
1.液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算
液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。
液壓缸的壁厚一般是指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可知，承受壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律因壁厚不同而各異。一般設(shè)計(jì)可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。
液壓缸的內(nèi)徑與其壁厚的比值的圓筒稱(chēng)為薄壁圓筒。工程機(jī)械的液壓缸一般用無(wú)縫鋼管材料，大多數(shù)屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算：
(3.11)
式中 —液壓缸的壁厚，m；
—液壓缸的內(nèi)徑，m；
—試驗(yàn)壓力，MPa ,一般取最大工作壓力的（1.25～1.5）倍，設(shè)計(jì)取 MPa；
[]—缸筒的材料的許用應(yīng)力, MPa, 缸筒的材料選用無(wú)縫鋼[]=100～110 MPa,設(shè)計(jì)取 []=110 MPa。
將各數(shù)據(jù)代入上式(3.11)，計(jì)算出液壓缸的壁厚為：
0.012 m
設(shè)計(jì)取 =15 mm。則液壓缸缸體的外徑：
mm (3.12)
2.液壓缸壁厚的驗(yàn)算
液壓缸壁厚的驗(yàn)算應(yīng)包括以下四個(gè)方面：
（1）額定工作壓力應(yīng)低于一定的極限值，以保證工作安全：
MPa (3.13)
式中 —額定工作壓力，MPa；
—缸筒材料的屈服強(qiáng)度，MPa，設(shè)計(jì)選用缸筒材料為：45鋼，則[]=335 MPa。
—液壓缸缸體的外徑；
—液壓缸缸體的內(nèi)徑；
將各已知數(shù)據(jù)代入上式(3.13)，得：
=31.1 MPa ﹥=4.4 MPa
計(jì)算知：額定工作壓力遠(yuǎn)小于一定的極限值。
（2）額定壓力也應(yīng)與完全塑性變形壓力有一定的比例范圍，以避免塑性變形的發(fā)生：
（0.35～0.42） (3.14)
MPa (3.15)
（0.35～0.42）=（0.35～0.42）
=（18.1～21.7）MPa ﹥=4.4 MPa (3.16)
式中 —缸筒發(fā)生完全塑性變形的壓力，MPa；
（3）驗(yàn)算缸筒徑向變形應(yīng)處在允許的范圍內(nèi)：
= (3.17)
式中 —缸筒耐壓試驗(yàn)壓力，MPa，設(shè)計(jì)取 =6.16 MPa；
—缸筒材料的彈性模數(shù)，MPa，設(shè)計(jì)取 MPa；
—缸筒材料的泊松比，鋼材：=0.3；
將已知各數(shù)據(jù)代入上式(3.17)，求得：
=0.0121 mm
查手冊(cè)，變形量沒(méi)有超出密封圈的允許范圍。
（4）驗(yàn)算缸筒的爆裂壓力是否遠(yuǎn)大于耐壓試驗(yàn)壓力：
=2.36 (3.18)
=93.9 MPa﹥﹥=6.16 MPa
式中 —缸筒的爆裂壓力；
—缸筒材料的抗拉強(qiáng)度，MPa，設(shè)計(jì)取 =610 MPa；
通過(guò)以上四方面的計(jì)算知：液壓缸壁厚滿(mǎn)足要求。
3.2.3液壓缸缸蓋厚度的確定
液壓缸多為平底缸蓋，其有效厚度按強(qiáng)度要求進(jìn)行近似計(jì)算：
無(wú)孔時(shí)： (3.19)
有孔時(shí)： (3.20)
式中 —缸蓋的有效厚度，m；
—缸蓋止口內(nèi)徑，m；
—缸蓋孔的直徑，m；
—試驗(yàn)壓力，MPa ,設(shè)計(jì)取 =6.16 MPa；
則液壓缸無(wú)孔后缸蓋的厚度：
=11.4 mm (3.21)
液壓缸前缸蓋的厚度：
=16.5 mm (3.22)
將計(jì)算的數(shù)據(jù)圓整設(shè)計(jì)取值：后缸蓋的厚度=15 mm；前缸蓋的厚度=20 mm。
3.2.4液壓缸缸體長(zhǎng)度的確定
液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)大于活塞的行程、缸蓋滑動(dòng)支承面的長(zhǎng)度與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還要考慮端蓋的厚度。
活塞的行程等于活塞桿的行程為：80 mm；
缸蓋滑動(dòng)支承面的長(zhǎng)度：設(shè)計(jì)取 =22 mm；
活塞的寬度：參考設(shè)計(jì)，=32 mm。
則液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度：
mm (3.23)
考慮實(shí)際，取液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度=172 mm，則缸體外形長(zhǎng)度=192 mm，具體結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)設(shè)計(jì)圖紙。
3.3液壓缸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
液壓缸與液壓馬達(dá)一樣，也是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，同為執(zhí)行元件。與液壓馬達(dá)不同，液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)的機(jī)械能。
液壓缸的分類(lèi)：
（1）按結(jié)構(gòu)形式分：活塞缸、柱塞缸、擺動(dòng)缸。
（2）按作用方式分：?jiǎn)巫饔靡簤焊?，即一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)依靠液壓作用力實(shí)現(xiàn)，另一個(gè)方向依靠彈簧力、重力等實(shí)現(xiàn)；雙作用液壓缸，即兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)都依靠液壓作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)；復(fù)合式缸，即活塞缸與活塞缸的組合、活塞缸與柱塞缸的組合、活塞缸與機(jī)械結(jié)構(gòu)的組合等。
液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：
圖 3.3 液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1—活塞桿；2—法蘭蓋；3—缸蓋；4、7—密封圈；
5—活塞；6—缸體；8—連接螺栓
3.3.1缸體與缸蓋的連接形式
缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關(guān)。
設(shè)計(jì)選用缸體與缸蓋的連接形式：法蘭連接，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖如圖3.4：
圖 3.4 法蘭連接結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖
法蘭連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于加工、便于裝拆、強(qiáng)度較大、能承受高壓。
3.3.2活塞桿與活塞的連接形式
活塞桿與活塞的連接形式分：整體式結(jié)構(gòu)和組合式結(jié)構(gòu)；組合式結(jié)構(gòu) 又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷(xiāo)連接。
設(shè)計(jì)選用：螺紋連接形式。其特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在振動(dòng)的工作條件下容易松動(dòng)，必須用鎖緊裝置、應(yīng)用較多。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3.5：
圖 3.5 螺紋連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.3.3活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)
活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)采用：端蓋整體式直接導(dǎo)向。其特點(diǎn)：端蓋與活塞桿直接接觸導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但磨損后只能更換整個(gè)端蓋。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3.6：
圖 3.6 端蓋整體式直接導(dǎo)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.3.4活塞及活塞桿處密封圈的選用
活塞及活塞桿處的密封圈的選用，應(yīng)根據(jù)密封的部位、使用壓力、溫度、運(yùn)動(dòng)速度的范圍不同而選擇不同類(lèi)型的密封圈。
選用密封圈密封的優(yōu)點(diǎn)：
（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，成本低；
（2）能自動(dòng)補(bǔ)償磨損；
（3）密封性能可隨壓力加大而提高，密封可靠；
（4）被密封的部位，表面不直接接觸，所以加 工精度可以放低
（5）既可用于固定件，也可用于運(yùn)動(dòng)件。
設(shè)計(jì)選用：O 型密封圈，其截面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3.7：
圖 3.7 O 型密封圈截面簡(jiǎn)圖
3.3.5液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)
液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)包括液壓缸的安裝結(jié)構(gòu)、液壓缸進(jìn)出油口的連接等。
1.液壓缸的安裝形式
根據(jù)設(shè)計(jì)的工作要求和安裝位置，選用：尾部后耳環(huán)的安裝形式。即缸體固定，活塞桿運(yùn)動(dòng)。其安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖3.8：
圖 3.8 尾部后耳環(huán)的安裝形式簡(jiǎn)圖
2.液壓缸進(jìn)、出油口形式及大小的確定
液壓缸進(jìn)、出油口設(shè)計(jì)布置在缸體上，液壓缸設(shè)計(jì)無(wú)專(zhuān)用的排氣裝置，進(jìn)、出油口設(shè)在液壓缸的最處，以便空氣能首先從液壓缸排出。
進(jìn)、出油口的形式選用：螺孔連接，安裝尺寸：M18×1.5。
3.3.6液壓缸主要零件的材料和技術(shù)要求
液壓缸主要零件如缸體、活塞、活塞桿、缸蓋的材料和技術(shù)要求如下：
1.缸體
材料：QT600-02；
主要表面粗糙度：液壓缸內(nèi)圓柱表面粗糙度為Ra=0.2～0.4；
技術(shù)要求：（1）內(nèi)徑用H9的配合；（2）內(nèi)徑圓度、圓柱度不大于直徑公差之半；（3）缸體與端蓋采用螺紋連接時(shí)，螺紋采用H6級(jí)精度；（4）為防止腐蝕和提高壽命，內(nèi)徑表面可以鍍0.03～0.04 mm厚的硬鉻，再進(jìn)行拋光，缸體外涂耐腐蝕油漆。簡(jiǎn)圖如圖3.9：
圖 3.9 缸體簡(jiǎn)圖
2.活塞
材料：HT200；
主要表面粗糙度：活塞外圓柱表面粗糙度為Ra=0.8～1.6；
技術(shù)要求：（1）外徑D的圓度、圓柱度不大于外徑公差之半；（2）活塞外徑用橡膠密封圈密封時(shí)可取f7～f9配合，內(nèi)徑與活塞桿的配合可取H8。其簡(jiǎn)圖如圖3.10：
圖 3.10 活塞簡(jiǎn)圖
3.活塞桿
材料：45；
主要表面粗糙度：桿外圓柱表面粗糙度為Ra=0.4～0.8；
技術(shù)要求：（1）材料熱處理：調(diào)質(zhì)20～25HRC；（2）外徑表面直線度在500mm長(zhǎng)度不大于0.03mm；（3）與活塞的連接可采用H8/h8配合。其簡(jiǎn)圖如圖3.11：
圖 3.11 活塞桿簡(jiǎn)圖
4.缸蓋
材料：HT200；
主要表面粗糙度：配合表面粗糙度為Ra=0.8～1.6；
技術(shù)要求：（1）配合表面的圓度、圓柱度不大于直徑公差之半；（2）端面A、B對(duì)孔軸線的垂直度在直徑1000 mm上不大于0.04 mm；（3）對(duì)D的同軸度不大于0.03 mm；其簡(jiǎn)圖如下圖3.12：
圖 3.12 缸蓋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.4液壓泵參數(shù)的計(jì)算與選型
液壓泵是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件，將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能輸出，為執(zhí)行元件提供壓力油。液壓泵的性能好壞直接影響到液壓系統(tǒng)的工作性能和可靠性。選擇液壓泵主要根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力與最大流量。
1.液壓泵最高工作壓力的計(jì)算
設(shè)計(jì)系統(tǒng)中單液壓缸的工作壓力為=4.4 MPa，取進(jìn)油路總壓力損失=0.5 MPa，壓力繼電器可靠動(dòng)作壓力差取0.5 MPa，則液壓泵最高工作壓力：
=6++0.5=27.4 MPa (3.24)
因此，液壓泵的額定壓力可?。篜r1.1×27.4=30.1 MPa
2. 液壓泵最大流量的計(jì)算
設(shè)計(jì)取液壓缸活塞桿的運(yùn)行速度為0.1 m/s。
活塞桿伸出時(shí)所需流量：
=0.1×63.6×10=6.36×10 m/s=19.05 L/min (3.25)
活塞桿縮回時(shí)所需流量：
=0.1×47.7×10=4.77×10m/s=14.3 L/min (3.26)
比較，活塞桿伸出時(shí)所需流量最大，因此，液壓泵的額定流量：
6×38.1=114 L/min
根據(jù)上面計(jì)算所需的液壓泵的最高壓力和最大流量，查手冊(cè)產(chǎn)品樣本，選用：160SCY14-1B型斜盤(pán)式軸向柱塞泵，其額定轉(zhuǎn)速為1000 r/min，額定壓力為32 MPa。
斜盤(pán)式軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)圖如圖3.13 ，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
（1）三對(duì)磨擦副：柱塞與缸體孔，缸體與配流盤(pán)，滑履與斜盤(pán)。容積效率較高，額定壓力可達(dá)31.5 MPa。
（2）泵體上有泄漏油口。
（3）傳動(dòng)軸是懸臂梁，缸體外有大軸承支承。
（4）為減小瞬時(shí)理論流量的脈動(dòng)性，取柱塞數(shù)為奇數(shù)：5、7、9。
（5）為防止密閉容積在吸、壓油轉(zhuǎn)換時(shí)因壓力突變引起的壓力沖擊，在配流盤(pán)的配流窗口前端開(kāi)有減振槽或減振孔。
圖 3.13 軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)圖
3.5電動(dòng)機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選型
液壓系統(tǒng)采用變量泵供油，所需泵的流量為114 L/min。下面分別計(jì)算活塞桿伸出與縮回時(shí)所需電動(dòng)機(jī)的功率。
1、活塞桿伸出時(shí)
泵的出口壓力為27.4 MPa，所需流量為1.9×10 m/s，取總效率為0.9。
電動(dòng)機(jī)的功率：
===57.8 kW (3.27)
2、活塞桿縮回時(shí)
泵的出口壓力為7.3 MPa，所需流量為1.43×10m/s，取總效率為0.9。
電動(dòng)機(jī)的功率：
===43.5 kW (3.28)
比較，活塞桿伸出時(shí)所需電動(dòng)機(jī)的功率最大。據(jù)此查樣本選用：Y315S-6型異步電動(dòng)機(jī)，額定功率為75 kW，額定轉(zhuǎn)速為980 r/min
3.6液壓控制閥的選擇
液壓控制閥在液壓系統(tǒng)中被用來(lái)控制液流的壓力、流量和方向，保證執(zhí)行元件按照要求進(jìn)行工作。屬控制元件。
液壓閥基本工作原理：利用閥芯在閥體內(nèi)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制閥口的通斷及閥口的大小，實(shí)現(xiàn)壓力、流量和方向的控制。流經(jīng)閥口的流量q與閥口前后壓力差Δp和閥口面積 A 有關(guān)，始終滿(mǎn)足壓力流量方程；作用在閥芯上的力是否平衡則根據(jù)結(jié)構(gòu)形式需要具體分析。
根據(jù)用途不同分類(lèi)：
（1）壓力控制閥：用來(lái)控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)液流壓力的閥類(lèi)，如溢流閥、減壓閥、順序閥等。
（2）流量控制閥：用來(lái)控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)液流流量的閥類(lèi)，如節(jié)流閥、調(diào)速閥、分流集流閥、比例流量閥等。
（3）方向控制閥：用來(lái)控制和改變液壓系統(tǒng)液流方向的閥類(lèi)，如單向閥、液控單向閥、換向閥等。
液壓閥的性能參數(shù)：
（1）公稱(chēng)通徑：代表閥的通流能力的大小，對(duì)應(yīng)于閥的額定流量。與閥的進(jìn)出油口連接的油管應(yīng)與閥的通徑相一致。閥工作時(shí)的實(shí)際流量應(yīng)小于或等于它的額定流量，最大不得大于額定流量的1.1倍。
（2）額定壓力：閥長(zhǎng)期工作所允許的最高壓力。對(duì)壓力控制閥，實(shí)際最高壓力有時(shí)還與閥的調(diào)壓范圍有關(guān)；對(duì)換向閥，實(shí)際最高壓力還可能受它的功率極限的限制。
選擇液壓閥的基本要求：
（1）動(dòng)作靈敏，使用可靠，工作時(shí)沖擊和振動(dòng)要小。
（2）閥口全開(kāi)時(shí)，液流壓力損失要??；閥口關(guān)閉時(shí)，密封性能要好。
（3）所控制的參數(shù)（壓力或流量）要穩(wěn)定，受外干擾時(shí)變化量要小。
（4）結(jié)構(gòu)緊湊，安裝、調(diào)試、維護(hù)方便，通用性要好。
根據(jù)液壓閥在系統(tǒng)中的最高工作壓力與通過(guò)該閥的最大流量，可選出液壓閥的型號(hào)及規(guī)格。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)所有液壓閥的額定壓力為31.5 MPa，額定流量定為114 L/min。查手冊(cè)，選取各閥的型號(hào)如下：
（1） 單向閥：SVPA2-30型液控單向閥；最大工作壓力：31.5 MPa；最大流量：114 L/min。
（2） 換向閥：DSG-03-3C2-A50型電磁換向閥；最高工作壓力：31.5 MPa；最大流量：120 L/min。
（3） 溢流閥：YDF3-20B電磁溢流閥；通徑：20 mm；額定流量：120 L/min。
（4） 分流閥： FL-B15H型分流閥；通徑：15 mm；額定流量：63 L/min。
（5） 壓力繼電器：SG-02-K-20型壓力繼電器；是一種將液壓系統(tǒng)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的元件。其作用是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的順序控制或安全保護(hù)。
根據(jù)選擇的各閥設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需要的閥組如圖3.14所示
圖3.14 各控制閥的安裝簡(jiǎn)圖
1—電磁溢流閥；2—液控單向閥；3—電磁換向閥；
4—壓力繼電器；5—分流閥
3.7液壓輔件的選擇
液壓輔件是系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它包括蓄能器、過(guò)濾器、油箱、熱交換器、管件、密封裝置、壓力表裝置等。液壓輔件的合理設(shè)計(jì)和選用在很大程度上影響液壓系統(tǒng)的效率、噪聲、溫升、工作可靠性等技術(shù)性能。
3.7.1蓄能器的計(jì)算與選型
蓄能器是液壓系統(tǒng)中儲(chǔ)存和釋放油液壓力能的裝置。其功用可分為：
1、作輔助動(dòng)力源或緊急動(dòng)力源
在工作循環(huán)不同階段需要的流量變化很大時(shí)，常采用蓄能器和一個(gè)流量較小的泵組成油源。另外當(dāng)驅(qū)動(dòng)泵的原動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，蓄能器可作緊急動(dòng)力源。
2、保壓和補(bǔ)充泄漏
需要較長(zhǎng)時(shí)間保壓而泵卸載時(shí)，可利用蓄能器釋放儲(chǔ)存的壓力油，補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏，保持系統(tǒng)壓力。
3、吸收沖擊和消除壓力脈動(dòng)
在壓力沖擊處和泵的出口安裝蓄能器可吸收壓力沖擊峰值和壓力脈動(dòng)，提高系統(tǒng)工作的平穩(wěn)性
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用蓄能器補(bǔ)充泄漏功能、穩(wěn)定系統(tǒng)的工作壓力。其有效容積的計(jì)算：
(3.29)
式中 —蓄能器的充氣壓力，MPa，系統(tǒng)設(shè)計(jì)取值 =27.4 MPa；
—蓄能器的最低工作壓力，MPa，系統(tǒng)設(shè)計(jì)取值 =27.4 MPa；
—蓄能器的最高工作壓力，MPa，==37.8 MPa
—液壓油的動(dòng)力粘度 ，Pa·s,設(shè)計(jì)選用46號(hào)液壓油，其動(dòng)力粘度=0.0405 Pa·s；
—一定時(shí)間內(nèi)機(jī)組不動(dòng)作的時(shí)間間隔，s，設(shè)計(jì)取=10 s；
—系統(tǒng)各個(gè)元件的泄漏系數(shù)，m,設(shè)計(jì)取值=4.0 m；
將以上數(shù)值代入公式(3.29)，可計(jì)算出蓄能器的有效容積：
=48.75 L
查設(shè)計(jì)手冊(cè)，選用：NXQ1-L25/10-L-H型氣囊式蓄能器兩個(gè)，總?cè)莘e為50 L。氣囊式蓄能器尺寸小、重量輕、反應(yīng)靈敏、充氣方便、最高工作壓力高。
蓄能器的安裝:
（1）氣囊式蓄能器應(yīng)垂直安裝，油口向下，以保證氣囊的正常收縮。
（2）蓄能器與管路之間應(yīng)安裝截止閥，以便充氣檢修；蓄能器與泵之間應(yīng)安裝單向閥，防止泵停車(chē)或卸載時(shí)，蓄能器的壓力油倒流向泵。
（3）安裝在管路上的蓄能器必須用支架固定。
（4）吸收沖擊和脈動(dòng)的蓄能器應(yīng)盡可能安裝在振源附近。
3.7.2過(guò)濾器的選型
過(guò)濾器的功用：濾去油中雜質(zhì)，維護(hù)油液清潔，防止油液污染，保證系統(tǒng)正常工作。
過(guò)濾器的選用要求：
?。?）過(guò)濾精度應(yīng)滿(mǎn)足系統(tǒng)要求：過(guò)濾精度以濾去雜質(zhì)顆粒的大小來(lái)衡量。不同液壓系統(tǒng)對(duì)過(guò)濾器的過(guò)濾精度要求見(jiàn)推薦表。0.1mm為粗濾器； 0.01mm為普通濾器；0.005mm為精濾器；0.001mm為特精濾器。
?。?）要有足夠的通油能力：通流能力指在一定壓力降下允許通過(guò)過(guò)濾器的最大流量，應(yīng)結(jié)合過(guò)濾器在系統(tǒng)中的安裝位置選取。
（3）要有一定的機(jī)械強(qiáng)度，不因液壓力而破壞。
（4）要考慮一些特殊要求，如抗腐蝕、磁性、發(fā)訊、不停機(jī)更換濾芯等。
（5）要清洗更換方便。
根據(jù)設(shè)計(jì)所需要的流量選用：TF-160100L-S型箱外自封式吸油過(guò)濾器。這類(lèi)過(guò)濾器可直接安裝在油箱側(cè)邊底部或上部，設(shè)有自密封閥、旁通閥、壓差發(fā)信器。當(dāng)壓差超過(guò)0.032 MPa時(shí)，旁通閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。更換或清洗濾芯時(shí)，自封閥關(guān)閉，切斷油箱油路。
（6）要清洗更換方便。
過(guò)濾器的安裝：
（1）安裝在泵的吸油口：用于保護(hù)泵，可選擇粗濾器，但要求有較大的通流能力，防止產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。
（2）安裝在泵的出口：須選擇精濾器，以保護(hù)泵以外的元件。要求能承受油路上的工作壓力和壓力沖擊。
（3）安裝在系統(tǒng)的回油路上：濾去系統(tǒng)生成的污物，可采用濾芯強(qiáng)度低的過(guò)濾器。為防止過(guò)濾器阻塞，一般要并聯(lián)安全閥或安裝發(fā)訊裝置。
（4）安裝在系統(tǒng)的支路上