礦用掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)典型故障機(jī)理分析與處理

李永安

(1.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006；2.中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

煤礦用MB670型掘錨機(jī)是為了加快巷道掘進(jìn)速度而設(shè)計的集掘進(jìn)、錨護(hù)及除塵一體化快速掘進(jìn)設(shè)備，具有截割、裝載、支護(hù)同步平行作業(yè)、一次成巷功能，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)不間斷采煤，具有安全性高、巷道成型質(zhì)量高的特點(diǎn)[1-4]。掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)控制回路及執(zhí)行元件多，部分元件結(jié)構(gòu)和原理復(fù)雜，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障現(xiàn)象多樣，原因各異，故障排查難度大。國內(nèi)，劉方振對ABM20型掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)的電磁閥和油液乳化等故障進(jìn)行排查[5]，王艷杰等對MB670型掘錨機(jī)多路閥中溢流閥在維修時彈簧安裝座裝配錯誤問題做了分析[6]。針對掘錨機(jī)在使用過程中液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的幾種典型故障，本文從關(guān)鍵元件的原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、技術(shù)工藝參數(shù)等角度出發(fā)，分析故障原因，提出故障解決或預(yù)防措施。

1 掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)主要功能及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)的組成

圖1為MB670型掘錨機(jī)(下文簡稱掘錨機(jī))掘進(jìn)工藝簡圖。掘錨機(jī)主要由截割部，裝載部，錨鉆系統(tǒng)，電控系統(tǒng)，底盤，水冷系統(tǒng)，轉(zhuǎn)載部，除塵系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)組成。其中液壓系統(tǒng)可分為泵站模塊，本機(jī)油缸控制模塊，行走、臨時支護(hù)和錨鉆供油控制模塊，頂錨、幫錨控制模塊以及增壓水泵、風(fēng)機(jī)驅(qū)動控制模塊等。油缸控制模塊主要由多路閥控制掏槽，輸送機(jī)升降與擺動，后機(jī)身支撐，截割滾筒的升降和擴(kuò)展，鏟板的升降與擴(kuò)展等執(zhí)行元件動作。行走、臨時支護(hù)和錨鉆供油控制模塊主要包括行走的驅(qū)動，制動與解制動，高低速切換，臨時支護(hù)機(jī)構(gòu)的控制，錨鉆系統(tǒng)供油流量、壓力以及頂錨和幫錨的邏輯閉鎖控制。增壓水泵、風(fēng)機(jī)控制回路主要用于控制水冷系統(tǒng)增壓水泵和除塵系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的啟停。

圖1 MB670型掘錨機(jī)掘進(jìn)工藝簡圖

1.2 掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

該系統(tǒng)為開式液壓系統(tǒng)，采用兩聯(lián)負(fù)載敏感和壓力切斷功能的A4V系列變量柱塞泵和雙聯(lián)葉片泵作為動力源，分別為行走、錨鉆模塊，油缸控制模塊，增壓水泵和風(fēng)機(jī)提供動力。系統(tǒng)采用負(fù)載敏感多路閥作為主控制閥[7]，電磁換向閥或比例方向閥作為先導(dǎo)控制閥，除錨鉆系統(tǒng)外，其余與液壓相關(guān)動作基本實(shí)現(xiàn)遙控操作。液壓系統(tǒng)流量約780L/min,額定壓力28MPa。系統(tǒng)執(zhí)行元件共有液壓馬達(dá)12件，油缸50件，使用膠管600余根，控制回路相對復(fù)雜。

2 典型故障現(xiàn)象原因分析及處理

2.1 開啟行走時液壓系統(tǒng)的壓力劇烈振蕩

圖2為油源控制模塊液壓原理圖，電機(jī)1驅(qū)動A4VSO變量柱塞泵2向系統(tǒng)供油，其中P1口去油缸控制回路，P2口去行走、臨時支護(hù)和錨鉆模塊，節(jié)流閥3和電磁閥4位于負(fù)載壓力反饋Ls回路，Ls1和Ls2分別取自油缸控制回路和行走、臨時支護(hù)和錨鉆模塊負(fù)載信號。

1—電機(jī)；2—A4VSO變量柱塞泵；3—節(jié)流閥；4—電磁閥圖2 油源控制模塊液壓原理

行走回路采用負(fù)載敏感變量泵-負(fù)載敏感比例多路閥-液壓馬達(dá)+減速器方案。開啟行走時，系統(tǒng)壓力出現(xiàn)持續(xù)劇烈振蕩。

原因分析，泵的變量機(jī)構(gòu)——Ls負(fù)載反饋閥-主閥壓力補(bǔ)償閥，節(jié)流口組成一個復(fù)雜的壓力流量控制系統(tǒng)，所以壓力振蕩問題的實(shí)質(zhì)就是系統(tǒng)穩(wěn)定性問題[8]，而系統(tǒng)的穩(wěn)定性和諸多環(huán)節(jié)參數(shù)有關(guān)，就現(xiàn)場可操作性而言，有油泵負(fù)載敏感閥的壓差值、主閥的閥口開度、反饋回路的阻尼大小等。本文通過適當(dāng)調(diào)節(jié)3單向節(jié)流閥減小節(jié)流口開度，加大Ls反饋油路的阻尼特性，消除壓力振蕩。

2.2 液壓系統(tǒng)的壓力無法正常建立

理論上，造成壓力無法正常建立這一現(xiàn)象的因素很多，如變量泵2(圖2)上的負(fù)載敏感閥和壓力切斷閥故障，電磁閥4故障，多路閥故障等。根據(jù)現(xiàn)場情況，至于負(fù)載敏感變量泵Ls反饋油路的電磁閥4故障，引起液壓系統(tǒng)的壓力無法正常建立的幾率較大。這是因?yàn)殡姶砰y4用于通斷反饋信號，在回路中起安全作用，防止誤操作控制閥組時引起機(jī)構(gòu)工作。所以當(dāng)電磁鐵故障或閥芯卡滯時，來自控制閥組的反饋Ls信號可能被卸荷，油泵始終處在待命狀態(tài)，系統(tǒng)壓力維持在2.5MPa左右。

2.3 由于負(fù)載敏感比例多路閥引起的故障

掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)的技術(shù)方案，主要采用“負(fù)載敏感變量柱塞泵-負(fù)載敏感比例多路閥-執(zhí)行元件”的控制方案，技術(shù)策略相對簡單。因此，限于篇幅，文中不再附出由負(fù)載敏感多路閥控制回路的液壓原理圖。然而，負(fù)載敏感比例多路閥是一個由多個不同功能的插裝元件組成相互耦合的具有特定壓力、流量調(diào)節(jié)特性的集成度高的復(fù)雜元件[9]，由于原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，現(xiàn)場很多故障現(xiàn)象都和負(fù)載敏感比例多路閥有關(guān)，所以重點(diǎn)討論研究負(fù)載敏感比例多路閥的故障現(xiàn)象、原因和處理措施。圖3為負(fù)載敏感比例多路閥主閥(一片)的結(jié)構(gòu)圖，主要構(gòu)成元件有限位螺釘、主閥芯、二次溢流閥和壓力補(bǔ)償器組成。限位螺釘用來限制主閥芯的行程，二次溢流閥通過限制負(fù)載反饋Ls的壓力，進(jìn)而控制本片閥的最大輸出壓力，該片閥是否能給負(fù)載提供足夠的壓力主要和它相關(guān)，壓力補(bǔ)償器用于消除負(fù)載變化對該片主閥輸出流量的影響，同時也可以保證多片主閥在控制不同大小負(fù)載時，可以多片同時輸出流量，各片之間互不影響。

圖3 負(fù)載敏感比例多路閥主閥結(jié)構(gòu)

2.3.1 負(fù)載敏感比例多路閥先導(dǎo)電磁閥的卡滯

滑閥，特別是電磁鐵驅(qū)動的滑閥，因固體顆粒物卡滯而失效的現(xiàn)象十分普遍[10-11]。早在1965年，美國的俄克拉荷馬州立大學(xué)的流體動力研究中心就對電磁換向閥的污染卡緊力與污染濃度之間的關(guān)系做了實(shí)際測量[12-13]。吳小霞也分析了固體顆粒物對換向閥性能的影響，研究表明固體顆粒會滯留于配合間隙，產(chǎn)生污染卡緊力，當(dāng)電磁鐵推力不能克服所有阻力時，就會使得換向速度變慢甚至完全不能換向[14]。

MB670型掘錨機(jī)中先導(dǎo)電磁閥的閥芯與閥體配合間隙較小，為0.002～0.008mm,系統(tǒng)使用過濾精度10μm的過濾器，明顯大于閥芯與閥體配合間隙，未被過濾的顆粒物造成閥芯易卡滯。另外，先導(dǎo)電磁閥的電磁鐵采用本質(zhì)安全型電路，電路功率較小，瞬間驅(qū)動功率約3W，保持功率為1.5W，此功率值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于市場上同等規(guī)格電磁閥的電磁鐵功率，所以電磁鐵提供的閥芯推力有限，造成閥對污染物敏感。圖4為出現(xiàn)卡滯的電磁閥閥芯，圖中I區(qū)域?yàn)榭廴疚锞奂帯，F(xiàn)場處理，可拆下電磁鐵，用煤油清洗閥芯和閥體，將清洗過的閥芯裝入閥體，推拉閥芯順暢、無卡滯感即可。其次，建議更換更高過濾精度的濾芯。

圖4 出現(xiàn)卡滯的電磁閥閥芯

2.3.2 負(fù)載敏感比例多路閥流量問題

掘錨機(jī)的行走控制回路和臨時支護(hù)回路都采用一片閥控制一個馬達(dá)或油缸，使用過程中有時會出現(xiàn)行走跑偏或臨時支護(hù)油缸兩邊不同步的問題。一般情況下，可通過調(diào)節(jié)圖3中的限位螺釘來調(diào)節(jié)主閥芯的閥口開度，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的輸出流量，進(jìn)而改變執(zhí)行元件的速度。如果上述方法不能滿足要求，也可以通過調(diào)節(jié)壓力補(bǔ)償器的螺桿，改變閥口前后壓差來改變閥的輸出流量。具體原理：

(1)

式中，Q為經(jīng)過閥口的流量；Cd為流量系數(shù)，定值；A為過流面積，與閥口開度有關(guān)；ΔP為閥口前后壓差；ρ為油液密度，定值。

在圖3中，調(diào)控壓力補(bǔ)償器閥的螺桿可以改變芯的預(yù)壓縮力，進(jìn)而改變了主閥節(jié)流口前后壓力差ΔP，由流量公式(1)可知，閥口前后壓差ΔP變化，導(dǎo)致主閥輸出流量的變化，以達(dá)到調(diào)節(jié)執(zhí)行元件運(yùn)行速度的目的。

3 幾點(diǎn)故障預(yù)防措施和建議

(1)污染預(yù)防，特別是預(yù)防在更換液壓元件時引起的系統(tǒng)二次污染。據(jù)統(tǒng)計，液壓系統(tǒng)故障75%以上是由于液壓介質(zhì)污染造成的[15]。由于煤礦井下潮濕，粉塵大，視野差，易造成液壓系統(tǒng)污染或二次污染。

(2)過濾器過濾精度的選擇應(yīng)考慮系統(tǒng)選用液壓元件工藝參數(shù)。建議將系統(tǒng)回油過濾器過濾精度提高到5μm,減小尺寸大于先導(dǎo)電磁閥閥芯閥體配合間隙的顆粒物卡滯進(jìn)入元件。

(3)液壓元件的選擇應(yīng)考慮工作環(huán)境的特殊性。如果有條件，可選用較大功率電磁鐵的先導(dǎo)電磁閥。通過提高電磁鐵的推力，提高先導(dǎo)閥的抗污染能力,增強(qiáng)其對井下多粉塵，液壓系統(tǒng)易被污染的惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。

4 結(jié) 論

(1)掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)相對復(fù)雜，故障現(xiàn)象和原因復(fù)雜多樣，系統(tǒng)故障原因分析應(yīng)考慮相關(guān)元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、原理、技術(shù)參數(shù)，甚至工藝參數(shù)。

(2)經(jīng)現(xiàn)場工程實(shí)踐，驗(yàn)證了故障原因分析的正確性，故障處理措施的有效性，提高了掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)故障排查效率，有益煤礦采掘效率的提升。

(3)液壓系統(tǒng)過濾器過濾精度的選擇應(yīng)考慮系統(tǒng)元件的工藝參數(shù)；元件的選擇應(yīng)考慮主機(jī)的工作環(huán)境。

[參考文獻(xiàn)]

[1]司志群，田軍先，岳官奚.掘錨一體化實(shí)現(xiàn)煤巷快速掘進(jìn)的幾點(diǎn)思考[J].煤礦開采，2006，11(4):22-24.

[2]楊小軍，韓 豐.MB670掘錨機(jī)在大柳塔煤礦的應(yīng)用實(shí)踐[J].煤礦現(xiàn)代化，2016，35(5):9-10.

[3]毋 凡.掘錨機(jī)在煤礦快速掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014(13)：49.

[4]肖 鵬，楊紅軍.MB670型掘錨機(jī)在煤巷快速掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2015(7)：166-167.

[5]劉方振.ABM20掘錨一體機(jī)液壓系統(tǒng)故障分析與處理[J].陜西煤炭，2011，30(2)：86-87.

[6]王艷杰,劉永會.掘錨機(jī)溢流閥故障分析[J].煤礦機(jī)械,2017，38(6)：146-147.

[7]毋 凡.負(fù)載敏感系統(tǒng)在掘錨機(jī)的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電，2017 (2)：53-55.

[8]李永安.再談負(fù)載敏感比例多路閥在使用中應(yīng)注意的若干問題[J].液壓氣動與密封，2017，37(11)：70-73.

[9]王 靜,李永安,王佃武.負(fù)載敏感比例多路閥在使用中應(yīng)注意的若干問題[J].液壓與氣動，2014(7)：76-79.

[10]龔烈航.液壓系統(tǒng)污染控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[11]趙春玲，劉新強(qiáng)，冀 宏，等.均壓槽對滑閥配合間隙內(nèi)固體顆粒分布的影響[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，2016，28(2)：92-96.

[12]Inoue R，Contaminant Lock in Spool Type Directional Control Valve-part：Experimental Exploration[J].The BFPR Journal,1980,(13)2:163-171.

[13]Izawa K.Proportional Control Valve-part：Contaminant Lock Sensitivity[J].The BFPR Journal，1982,(15) 4：485 -494.

[14]吳小霞.航空液壓閥污染敏感度測試系統(tǒng)研制[D].北京：北京化工大學(xué)，2007.

[15]林建亞，何存興.液壓元件[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.