采煤機(jī)變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

尹少波

（陽煤寺家莊有限責(zé)任公司綜采一隊(duì)， 山西 晉中 045300）

引言

煤礦企業(yè)的節(jié)能生產(chǎn)同樣是備受關(guān)注的話題。對于液壓牽引采煤機(jī)而言，由于其采用節(jié)流調(diào)速泵存節(jié)流損失和溢流的問題，導(dǎo)致其在節(jié)能方面無法滿足降耗的要求。因此，需對傳統(tǒng)液壓牽引采煤機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造，本文提出將變轉(zhuǎn)速技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)液壓牽引采煤機(jī)中，從而大幅度提升液壓系統(tǒng)的節(jié)能率，從而降低液壓牽引采煤機(jī)的能耗。

1 采煤機(jī)變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)采煤機(jī)液壓牽引系統(tǒng)中的核心部件為主泵，當(dāng)前所選用的主流主泵的類型為變量柱塞泵。盡管變量柱塞泵在實(shí)際應(yīng)用不存在溢流損失，但是該泵的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對乳化液泵站所提供乳化液的要求較高。因此，在日常生產(chǎn)中為了確保變量柱塞泵的使用壽命，需定期對其進(jìn)行檢修，無形中增加了設(shè)備的維修費(fèi)用，降低了采煤機(jī)的生產(chǎn)效率[2]。此外，基于變量柱塞泵的液壓牽引系統(tǒng)的自動(dòng)化水平較低，無法與當(dāng)前高自動(dòng)化水平的綜采能力相匹配。為此，將變轉(zhuǎn)速技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)采煤機(jī)的液壓牽引系統(tǒng)中，液壓原理圖如圖1 所示。

如圖1 所示，變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)由檢測控制單元（1）、變頻器（2）、主泵電機(jī)（3）、定量泵（4）、壓力傳感器（5）、高壓安全閥（6）、背壓閥（7）、冷卻器（8）、單向閥（9）、電液比例方向閥（10）、牽引馬達(dá)（11）、液壓制動(dòng)器（12）、二位三通電磁換向閥（13）、精過濾器（14）、補(bǔ)油泵（15）、補(bǔ)油電機(jī)（16）、溢流閥（17）、粗過濾器（18）以及油箱（19）組成。

基于變轉(zhuǎn)速技術(shù)所設(shè)計(jì)的液壓牽引系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：

1）本系統(tǒng)通過變頻器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而大大降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)；

圖1 采煤機(jī)變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)原理圖

2）電液比例閥的應(yīng)用大大提升了系統(tǒng)的控制精度；

3）基于變轉(zhuǎn)速技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)電機(jī)以較低的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而降低了系統(tǒng)的損耗；

4）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的液壓元器件的種類及數(shù)量較少，大大提升了系統(tǒng)的可靠性[3]。

2 液壓牽引系統(tǒng)元器件的選型

本文所研究采煤機(jī)的型號為MG300-W，將其傳統(tǒng)的液壓牽引系統(tǒng)改造為變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)后需對改造后牽引系統(tǒng)中的變頻器、電機(jī)、壓力傳感器等元器件進(jìn)行重新選型設(shè)計(jì)。

經(jīng)查閱MG300-W 采煤機(jī)的相關(guān)參數(shù)可得：液壓牽引系統(tǒng)中主油路的最高工作壓力為16 MPa，液壓牽引系統(tǒng)中最大流量為270 L/min，采煤機(jī)電機(jī)功率為90 kW[4]。

結(jié)合各元器件的選型原則及選型依據(jù)、計(jì)算公式等完成了改造后變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)中關(guān)鍵元器件的選型，選型結(jié)果如下頁表1 所示。

3 變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)性能的驗(yàn)證

3.1 液壓牽引系統(tǒng)的仿真對比

為驗(yàn)證不同液壓牽引系統(tǒng)的性能，分別對變量柱塞泵液壓牽引系統(tǒng)、負(fù)載敏感液壓牽引系統(tǒng)以及變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)在階躍負(fù)載信號下，采煤機(jī)牽引系統(tǒng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的變化情況[5]。

階躍負(fù)載信號：階躍負(fù)載由0 階躍為500 N·m，并持續(xù)1 s 時(shí)長；在1 s 時(shí)刻階躍負(fù)載由500 N·m 階躍為800 N·m。仿真結(jié)果如圖2 所示。

如圖2 所示，變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)的響應(yīng)速度最快，其次為傳統(tǒng)變量液壓牽引系統(tǒng)，負(fù)載敏感液壓牽引系統(tǒng)響應(yīng)速度最慢。此外，當(dāng)系統(tǒng)受到載荷突變時(shí)，變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)的超調(diào)量小，即速度剛性好。

表1 變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)關(guān)鍵元器件選型

圖2 階躍負(fù)載下不同液壓牽引系統(tǒng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速對比圖

3.2 不同工況下的仿真分析

本節(jié)對比采煤機(jī)分別在重載工況、輕載工況下的性能。

3.2.1 輕載工況下的仿真

當(dāng)液壓牽引系統(tǒng)的流量為240 L/min 時(shí)，對比采煤機(jī)在輕載工況下泵的出口壓力與采煤機(jī)電機(jī)功率兩項(xiàng)指標(biāo)。仿真結(jié)果如圖3 所示。

如圖3 所示，在流量一定的前提下，泵出口壓力從小到大依次為變量柱塞泵液壓牽引系統(tǒng)、變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)、負(fù)載敏感液壓牽引系統(tǒng)。造成上述情況的原因在于：負(fù)載敏感液壓牽引系統(tǒng)在調(diào)速閥和電磁換向閥的共同作用下形成了兩次壓力損失，而變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)僅由于電液比例方向閥而造成的一次壓力損失；傳統(tǒng)變量柱塞泵液壓牽引系統(tǒng)不存在壓力損失。電機(jī)功耗與泵出口壓力的情況相似。

圖3 輕載工況下性能對比

3.2.2 重載工況下的仿真

當(dāng)液壓牽引系統(tǒng)的流量為240 L/min 時(shí)，對比采煤機(jī)在重載載工況下泵的出口壓力與采煤機(jī)電機(jī)功率兩項(xiàng)指標(biāo)。仿真結(jié)果如圖4 所示。

分析圖4 可知，在出口壓力未達(dá)到16 MPa（牽引系統(tǒng)的最大工作壓力為16 MPa）時(shí)，三種牽引系統(tǒng)泵的出口壓力和電機(jī)功率的變化與輕載工況下的相似。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到最大工作壓力時(shí)，變量柱塞泵液壓牽引系統(tǒng)泵的出口壓力最大，而變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)泵的出口壓力瞬間被卸荷；對于電機(jī)功率，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到最大工作壓力時(shí)，采煤機(jī)電機(jī)的功率以最快的速度將為至最低，而其余兩種液壓牽引系統(tǒng)的下降速度較小。

4 結(jié)語

圖4 重載工況下性能對比

目前，液壓牽引采煤機(jī)仍然應(yīng)用于薄煤層的開采中，其在實(shí)際生產(chǎn)過程中存在可靠性低、能耗大等問題。變轉(zhuǎn)速技術(shù)在液壓牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用不僅降低了液壓牽引系統(tǒng)元器件的復(fù)雜程度，提升液壓系統(tǒng)的可靠性，而且變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)在載荷突變工況下的響應(yīng)速度最快，超調(diào)量最小，為采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。此外，變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)在重載工況下的節(jié)能效果最佳。因此，可將變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。