采煤機(jī)截割液壓系統(tǒng)的仿真與改進(jìn)設(shè)計(jì)

程衛(wèi)綱

（山西焦煤西山煤電杜兒坪煤礦機(jī)電科， 山西 太原 030022）

引言

采煤機(jī)作為綜采工作面的核心機(jī)電液壓設(shè)備，其生產(chǎn)效率和安全性直接決定綜采工作面的產(chǎn)量及安全性。截割部作為采煤機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，該部件的性能直接決定采煤機(jī)的整機(jī)性能[1]。本文將著重對(duì)采煤機(jī)截割液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，并針對(duì)其所存在的問題對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 采煤機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的概述

采煤機(jī)的截割部共包括有四個(gè)截割滾筒，每個(gè)滾筒均是由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)完成的，且每?jī)蓚€(gè)截割滾筒安裝于滾筒的機(jī)架上[2]。液壓系統(tǒng)作為采煤機(jī)截割部的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，在其選型過程中需重點(diǎn)考慮截割的流量、安裝控件以及散熱性能等。

采煤機(jī)截割液壓系統(tǒng)分為閉式液壓系統(tǒng)和開式液壓系統(tǒng)，兩種液壓系統(tǒng)的對(duì)比如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)截割部液壓系統(tǒng)對(duì)比

經(jīng)分析，閉式液壓系統(tǒng)幾乎不存在油液泄露且系統(tǒng)效率及節(jié)能效果好，但系統(tǒng)散熱性能較差；開式液壓系統(tǒng)需要大油箱為其提供保障，該系統(tǒng)雖然擁有較好的散熱性能，但是其效率較低。經(jīng)對(duì)比閉式液壓系統(tǒng)和開式液壓系統(tǒng)的優(yōu)劣性，結(jié)合采煤機(jī)的工作環(huán)境及工況，其截割部一般選擇節(jié)能效果好、效率較高的閉式液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)滾筒的動(dòng)力[3]。為解決閉式液壓系統(tǒng)散熱性能的弊端，提出采用半閉式截割液壓系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)截割部的滾筒。

2 采煤機(jī)截割液壓系統(tǒng)現(xiàn)狀的分析

本文所研究采煤機(jī)截割部的控制方式為恒功率控制，在實(shí)際工作中根據(jù)實(shí)時(shí)工作壓力對(duì)軸向柱塞泵的排量進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)分析可知，半閉式液壓系統(tǒng)的節(jié)能性能及油箱容積等方面均優(yōu)于開式液壓系統(tǒng)；半閉式液壓系統(tǒng)的散熱性能優(yōu)于閉式液壓系統(tǒng)[4]。因此，本文所提出的半閉式液壓系統(tǒng)滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。為具體得出采煤機(jī)截割液壓系統(tǒng)所存在的問題，本文對(duì)其液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。

2.1 仿真設(shè)置

設(shè)定本次仿真的時(shí)長(zhǎng)為100 s，其中0～70 s 為采煤機(jī)截割滾筒的啟動(dòng)時(shí)間，70～100 s 為采煤機(jī)截割滾筒的恒功率控制時(shí)間。要求在啟動(dòng)階段，采煤機(jī)截割滾筒的轉(zhuǎn)速增至32 r/min；在恒功率控制階段，控制功率為125 kW。

2.2 仿真結(jié)果的分析

2.2.1 壓力動(dòng)態(tài)特性

如圖2 所示，當(dāng)截割部在空載啟動(dòng)階段時(shí)，截割部所承受的外部壓力幾乎為零；當(dāng)截割部接入負(fù)載時(shí)，截割部所承受的最大壓力沖擊約為51.3 MPa。本文所研究采煤機(jī)截割部的半閉式液壓系統(tǒng)中所選型的變量泵的最大壓力值為40 MPa，截割馬達(dá)的最大壓力值為45 MPa。鑒于截割液壓系統(tǒng)所受到的最大壓力沖擊均大于該系統(tǒng)中元器件的最大承載量。故，需對(duì)截割液壓系統(tǒng)采取相應(yīng)措施以降低外部載荷對(duì)系統(tǒng)所造成的沖擊。

圖2 采煤機(jī)截割液壓系統(tǒng)的壓力動(dòng)態(tài)特性

2.2.2 速度動(dòng)態(tài)特性

截割液壓系統(tǒng)的速度動(dòng)態(tài)特性結(jié)果如圖3 所示。

圖3 采煤機(jī)截割液壓系統(tǒng)的速度動(dòng)態(tài)特性

如圖3 所示，采煤機(jī)截割部在空載狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速在經(jīng)歷一段時(shí)間的振蕩后，逐漸穩(wěn)定在32 r/min。當(dāng)采煤機(jī)截割部接入外界負(fù)載時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速發(fā)生了較大的波動(dòng)，也就是所謂的滾筒失速，甚至在82 s 左右滾筒停止運(yùn)轉(zhuǎn)。為確保采煤機(jī)截割部滾筒在外界負(fù)載接入后依然能夠保持其運(yùn)轉(zhuǎn)在21～42 r/min 之間，需對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

綜上所述，采煤機(jī)截割部當(dāng)有外界載荷接入時(shí)，其液壓系統(tǒng)存在壓力沖擊、滾筒失速的問題。壓力沖擊和滾筒失速在一定程度上影響采煤機(jī)的截割效率，降低截割部截齒的使用壽命。因此，需從上述兩個(gè)方面對(duì)截割液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 液壓系統(tǒng)壓力沖擊及滾筒失速原因的分析

造成壓力沖擊的原因：在實(shí)際生產(chǎn)中，采煤機(jī)截割部所面對(duì)煤體或者巖體的硬度是不斷變化的，也就是說其負(fù)載力矩是不斷變化的?；诎腴]式液壓系統(tǒng)的控制原理，截割部的負(fù)載直接決定了液壓系統(tǒng)的壓力[5]。當(dāng)采煤機(jī)截割部在較軟煤層和較硬巖層中間來回切換運(yùn)行時(shí)，其負(fù)載不斷變化，進(jìn)而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的壓力不斷變化，從而引起了壓力沖擊。鑒于工作面地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，僅能通過抑制壓力沖擊的發(fā)生來解決液壓系統(tǒng)壓力沖擊的問題。

滾筒失速的原因：當(dāng)采煤機(jī)截割部進(jìn)入截割模式后，截割液壓系統(tǒng)的控制器也隨之切換為恒功率控制器。基于恒功率的控制原理，當(dāng)系統(tǒng)的壓力增大時(shí)，為確保壓力與流量的乘積為定值，系統(tǒng)的流量勢(shì)必減少。也就是說，當(dāng)外界負(fù)載壓力增大到一定程度時(shí)，其輸出流量降低至無窮小，從而導(dǎo)致滾筒的失速，甚至降為零。因此，造成滾筒失速的原因與其恒功率控制器和系統(tǒng)的壓力波動(dòng)相關(guān)。

4 截割液壓系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

為解決液壓系統(tǒng)的壓力沖擊和滾筒的失速問題，本文特將阻尼可變蓄能器、峰值力矩限制器、轉(zhuǎn)速控制器等元器件加入截割部的液壓系統(tǒng)中。改進(jìn)后截割部液壓系統(tǒng)的原理如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)后采煤機(jī)截割部液壓系統(tǒng)原理圖

如圖4 所示，蓄能器的主要功能是對(duì)液壓系統(tǒng)所承受的壓力沖擊進(jìn)行緩沖。當(dāng)采用蓄能器后液壓系統(tǒng)的壓力仍在增大時(shí)，可通過峰值力矩限制器對(duì)其壓力值進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)壓力值超出限值時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，此時(shí)采煤機(jī)的大臂油缸和小臂油缸均會(huì)停止運(yùn)行，避免由于壓力的持續(xù)上升對(duì)系統(tǒng)的元器件造成沖擊。

轉(zhuǎn)速控制器會(huì)對(duì)采煤機(jī)截割部滾筒的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)滾筒的轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界值時(shí)，該控制器會(huì)臨時(shí)取代恒功率控制器對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制；并由轉(zhuǎn)速控制器發(fā)出的報(bào)警信號(hào)對(duì)采煤機(jī)的大臂油缸和小臂油缸進(jìn)行控制，進(jìn)而減小滾筒的牽引速度，從而確保了采煤機(jī)滾筒的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語

采煤機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵機(jī)電液壓設(shè)備，其主要承擔(dān)工作面煤層的開采。將可變蓄能器、峰值力矩限制器以及轉(zhuǎn)速控制器引入傳統(tǒng)截割液壓系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力沖擊的緩沖，替代恒功率控制器等，為采煤機(jī)截割部的穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。