煤礦工作面反沖洗回液過濾系統(tǒng)設(shè)計與分析

(山東科技大學 機械電子工程學院， 山東 青島 266590)

引言

隨著煤礦開采效率的提升,煤礦對液壓系統(tǒng)使用乳化液的精度要求不斷提高[1]。乳化液在煤礦工作面液壓系統(tǒng)工作，將會不可避免地被污染物污染，乳化液中的污染物會顯著降低液壓系統(tǒng)的可靠性，損害元件壽命。乳化液中所混雜的顆粒污染物，會致使閥芯卡死、液壓件磨損、節(jié)流縫隙和各種小截面油道堵塞等事故[2]。在煤礦井下工作面液壓系統(tǒng)中，乳化液不能達到所需精度要求，是導致液壓系統(tǒng)發(fā)生各種故障的重要原因，也是多年來困擾綜采工作面難以實現(xiàn)高產(chǎn)高效的技術(shù)問題[3]。因此，在綜采設(shè)備的液壓系統(tǒng)中必須保證乳化液有足夠的清潔度，從工作面流回的乳化液必須經(jīng)過過濾才可返回泵站油箱。

1 過濾站液壓系統(tǒng)與本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該產(chǎn)品主要用于煤礦井下液壓系統(tǒng)，對工作面回液進行過濾，來保證流回泵站的乳化液的清潔度。設(shè)定系統(tǒng)的公稱流量為3000 L/min，額定壓力為25 MPa，過濾精度25 μm。對自動反沖洗回液過濾站的設(shè)計首先是設(shè)計其液壓系統(tǒng)，包括設(shè)計液壓系統(tǒng)圖、設(shè)計濾芯及過濾器、各類液壓閥的選型設(shè)計和管路集成設(shè)計[4]。由于所設(shè)計的過濾系統(tǒng)需滿足工作面回液需求，因此設(shè)計的通流量較大，所以采用3組完全相同的單元體來實現(xiàn)降低通流要求的目的[5]。每個單元體相對獨立且結(jié)構(gòu)完全一致，其通流量為1000 L/min。

現(xiàn)如今市面上主流反沖洗過濾站的設(shè)計通常采用將過濾后的乳化液作為反沖洗液，來對濾芯及過濾器進行反沖洗，但由于煤礦工作面液壓系統(tǒng)的回液壓力較小，回液過濾站通過改變自身液路實現(xiàn)反沖洗的效果并不好，因此將過濾后的工作液作為反沖洗液的實現(xiàn)思路在本回液過濾系統(tǒng)并不可行[6]。故本液壓系統(tǒng)通過引入高壓純凈水作為反沖洗液，通過控制主閥流向來實現(xiàn)正常過濾和反沖洗兩種需求[7]。

反沖洗回液過濾系統(tǒng)主要由插裝主閥、排污閥、溢流閥以及過濾器組等組成。系統(tǒng)設(shè)計采用一用一備方案，即1個過濾器組用于工作，另1個過濾器組處于備用狀態(tài)。如圖1所示為單組過濾系統(tǒng)原理圖，圖2所示為總過濾系統(tǒng)原理圖。其中流入A口的為待過濾的工作液，過濾后的工作液由B口流回液箱，流入C口的為用于反沖洗的高壓純水。系統(tǒng)的工作原理是：在過濾站正常過濾即電磁控制閥處于左位，此時2個液控主閥2、4上位接通，工作液從A口進入過濾站后流經(jīng)液控主閥2后到達濾芯進行過濾，過濾后的液體由B口流出。此時，下路過濾器組處于備用狀態(tài)，各閥組及管路通道處于關(guān)閉狀態(tài)。當電磁先導閥收到反沖洗信號后，此時控制2個液控主閥下位接通，反沖洗液從C口流入，流經(jīng)液控主閥后反向沖洗濾芯，清洗濾芯后的液體隨即通過排污閥流出。在反沖洗的過程中備用過濾器組進行過濾工作。此時過濾系統(tǒng)則具備正常過濾和反向沖洗兩項功能[8]。

圖1 單組液壓系統(tǒng)原理圖

圖2 總液壓系統(tǒng)原理圖

本研究所設(shè)計的反沖洗回液過濾系統(tǒng)組成部分主要包括濾筒濾芯、各類液壓閥、進出液和反沖洗液管口以及各類管路。核心建模主要是對濾筒濾芯以及主閥的建模，其他組件可根據(jù)核心部件的接口進行配套設(shè)計建模[9]。本研究利用ProE三維模型開發(fā)軟件，建立了過濾系統(tǒng)的總裝及各組件模型。前面已經(jīng)提及，設(shè)計采用3組完全相同的單元體來實現(xiàn)降低通流要求的目的，其中一組單元體剖面圖如圖3所示，其中1.1為工作液進口、1.4為工作液出口；1.2為反沖洗液入口、1.6為反沖洗液出口、1.5為與反沖洗液出口相連的排污閥；1.9為液控主閥，1.8為工作液進入濾芯的管路，而1.7為過濾后的工作液流出的管路。

圖3 單組單元體三維結(jié)構(gòu)剖面圖

單組單元體如圖3所示，而系統(tǒng)是由3組完全相同的單元體組成，系統(tǒng)的總裝ProE三維模型如圖4所示。與一組單元體的結(jié)構(gòu)組成同理，其中2.1和2.4分別為工作液的進出口，2.2和2.8為反沖洗液的進出口，2.3為主閥，2.5為反沖洗液開關(guān)閥，2.6為溢流閥，防止濾芯堵塞造成內(nèi)部壓力較大而無法釋放，2.7為壓力表用于顯示工作液通過濾芯前后壓力。

圖4 總過濾系統(tǒng)ProE三維模型圖

2 系統(tǒng)動態(tài)特性AMESim建模及仿真分析

因電磁先導閥、過濾器、電機、馬達、水箱等液壓元件不作為主要研究對象，直接調(diào)用機械庫、HYD庫等庫中的已有模型。插裝主閥是本過濾站核心元件，為了便于研究主閥的動態(tài)性能，應(yīng)用HCD庫中的閥部件進行組裝建模。過濾站主閥基于AMESim的仿真模型如圖5所示，反沖洗回液過濾站液壓系統(tǒng)基于AMESim的仿真模型如圖6所示。

圖5 主閥AMESim仿真模型圖

進行仿真之前需要對模型中的元件進行參數(shù)設(shè)置。根據(jù)過濾站設(shè)計要求設(shè)置額定流量為1000 L/min，反沖洗壓力為25 MPa。在仿真過程中，設(shè)置液壓馬達為1000 r/min，液壓泵為1 L/r，此時即可提供額定流量1000 L/min。溢流閥壓力設(shè)置為20 MPa。設(shè)定仿真步長為0.01 s，仿真時間為10 s。開始時進行正向過濾，每隔2 s輸入一次反沖洗信號，使得正向過濾和反向沖洗輪流進行，主要部件及系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7，圖8所示。

圖6 液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型圖

圖7 主閥閥芯位移曲線

圖8 不同閥口流量曲線

圖7是主閥閥芯在正常過濾和反沖洗兩種過程中的位移曲線，從圖中可以看出開啟時間約為0.13 s，而關(guān)閉時間約為0.09 s，閥芯啟閉響應(yīng)迅速。圖8為過濾閥口和反沖洗閥口的流量曲線圖，可以看出在正常過濾和反沖洗兩個過程中，各自的閥口單獨運行互不干涉，響應(yīng)速度快且密封性能好。關(guān)于主閥的仿真分析結(jié)果可以得出設(shè)計的主閥能夠滿足工作面大流量高壓的場合，閥芯的啟閉響應(yīng)迅速，閥口流量平穩(wěn)，密封性較好且閥口壓力損失小。

系統(tǒng)設(shè)定在0～2 s、4～6 s以及8～10 s電磁閥不通電，過濾系統(tǒng)處于正向過濾狀態(tài)；在2～4 s和6～8 s時電磁先導閥通電，過濾系統(tǒng)進入反沖洗狀態(tài)。圖9所示為過濾系統(tǒng)中對應(yīng)1個過濾器的2個插裝主閥的流量特性曲線，從圖中可以看出：當正常過濾時通過主閥的流量為1000 L/min，而反沖洗時通過主閥的流量約為1350 L/min，正向過濾時乳化液由左側(cè)插裝主閥經(jīng)過濾器過濾后流向右側(cè)插裝主閥，反沖洗時液體由右側(cè)主閥流向左側(cè)，在此過程中流量變化平衡，波動較小。

圖9 主閥出口流量曲線

圖10表示2個過濾器的通流量，從圖中可以看出，工作的過濾器組在正常過濾時流量為1000 L/min，反沖洗時流量為1350 L/min。在過濾初期備用過濾器在壓力作用下有輕微波動，但很快趨于平穩(wěn)。在上側(cè)過濾器進行反沖洗的時候下側(cè)過濾器從備用狀態(tài)轉(zhuǎn)為過濾狀態(tài)。圖11所示為過濾器承受壓力曲線圖，從仿真結(jié)果可以得出：系統(tǒng)運行時過濾裝置的流量平穩(wěn)，壓力在短暫的較小波動后也趨于穩(wěn)定且基本保持不變，達到設(shè)計要求。說明該反沖洗過濾系統(tǒng)能夠過濾的同時進行反沖洗，而反沖洗過程不影響系統(tǒng)正常過濾操作。該系統(tǒng)在現(xiàn)場中配合蓄能器等液壓輔助元件使用，可將工作時系統(tǒng)的流量、壓力損失降到最低，使得過濾系統(tǒng)的流量、壓力變化更加平穩(wěn)。

圖10 過濾器通流量曲線

圖11 過濾器承受壓力曲線

3 反沖洗回液過濾系統(tǒng)試驗研究

上部分是從理論層面上對過濾系統(tǒng)進行了分析研究，與完整工業(yè)性產(chǎn)品還具有一定差距[10]。本章在前面所述理論研究的基礎(chǔ)上對過濾系統(tǒng)的樣機進行實驗室現(xiàn)場應(yīng)用和性能試驗，對該過濾系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進行試驗[11]。

煤礦工作面反沖洗回液過濾站試驗系統(tǒng)主要由反沖洗回液過濾系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、泵站供液系統(tǒng)、模擬信號、測壓組件等組成[12]。試驗主要包括密封與耐壓試驗、流量壓降試驗和反沖洗控制試驗3方面的研究。圖12為本研究所設(shè)計的自動反沖洗回液過濾系統(tǒng)樣機。圖13為試驗所需的泵站供液系統(tǒng)。圖14為試驗所需的電控系統(tǒng)及測壓組件。

圖12 反沖洗回液過濾系統(tǒng)樣機

圖13 泵站供液系統(tǒng)

1) 密封與耐壓試驗

將工作介質(zhì)通入被測試過濾系統(tǒng)，封住過濾系統(tǒng)的過濾出口和反沖洗出口，在額定流量下向進液口分別通入2 MPa和25 MPa的壓力。在達到壓力之后，斷開電源保壓120 s并觀察系統(tǒng)密封情況。耐壓試驗的試驗方法與密封試驗基本一致，此時通入的供液壓力為公稱壓力25 MPa的1.5倍，即37.5 MPa，觀察過濾系統(tǒng)有無損壞。

圖15為密封與耐壓試驗的壓力曲線圖，從圖中可以看出20 s斷開電源后系統(tǒng)壓力有輕微下降，但在實驗室環(huán)境下觀測到在高、低壓下密封良好，無滲漏現(xiàn)象，耐壓試驗下過濾裝置無損壞變形。

圖15 密封與耐壓試驗曲線

2) 流量壓降試驗

在過濾系統(tǒng)的額定流量范圍內(nèi)調(diào)節(jié)泵站輸出流量，測量過濾系統(tǒng)的壓力損失。圖16為過濾系統(tǒng)流量壓降特性曲線，從圖中可以看出隨著流量的增大，過濾系統(tǒng)的壓力損失不斷增大，當?shù)竭_額定流量后，壓力損失約為0.27 MPa，滿足過濾系統(tǒng)的使用要求。

3) 反沖洗控制試驗

對控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定，啟動過濾系統(tǒng)依次進行正常過濾和反沖洗，觀測過濾時間、沖洗時間、各階段持續(xù)時間、壓力變化是否與理論模擬一致。

圖16 過濾系統(tǒng)流量壓降特性曲線

圖17為過濾系統(tǒng)時間壓力特性曲線，過濾狀態(tài)與反沖洗狀態(tài)各持續(xù)10 s。從圖中可以看出在開啟過濾和反沖洗后，由于乳化液需先充滿濾筒，因此短暫時間后壓力才到達峰值，并在短暫震蕩后趨于平穩(wěn)，由于濾筒制造工藝及裝配方法的不同，使得正向過濾和反沖洗時測得的壓力值與理論仿真分析比較有輕微下降，但實驗室環(huán)境下觀測到在系統(tǒng)運行過程中密封良好，無滲漏現(xiàn)象。

圖17 過濾系統(tǒng)時間壓力特性曲線

4 結(jié)論

(1) AMESim仿真結(jié)果表明插裝主閥及整個液壓系統(tǒng)具有良好啟閉特性且壓損小，能夠在反沖洗的同時正常進行過濾，所采用的“一用一備”設(shè)計思路可實現(xiàn)正向過濾和反向沖洗同步在線工作；

(2) 從樣機試驗結(jié)果來看，密封與耐壓性能表現(xiàn)良好，額定流量下滿足壓降要求，可滿足正向過濾和反向沖洗兩個過程同步運行的工況需求。

本研究設(shè)計的過濾系統(tǒng)，作為保證系統(tǒng)清潔度的重要組成部分，能夠連續(xù)正常工作，具有正向過濾和反向沖洗兩項功能，有效保證工作面液壓系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，從而提高了液壓系統(tǒng)可靠性。為提高過濾效率、進一步優(yōu)化煤礦工作面過濾方式提供了新思路。