大功率智能化采煤機(jī)液壓調(diào)高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

朱信平

(天地科技股份有限公司上海分公司，上海 200030)

隨著我國煤礦向智能開采轉(zhuǎn)型升級，特厚煤層一次采全高工藝的需求增加，采煤機(jī)的研究開發(fā)在往大采高、大功率、智能化方向發(fā)展。采煤機(jī)由早期的液壓牽引轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃衿占暗碾姞恳?，截割、牽引和控制都是電力?qū)動，而調(diào)高系統(tǒng)仍須采用液壓驅(qū)動。由于采煤機(jī)工作條件極為惡劣，液壓系統(tǒng)可靠性往往較差，而其本身具有控制效率低、延時(shí)長的缺點(diǎn)，因此液壓系統(tǒng)的控制成為了采煤機(jī)智能化進(jìn)程的難點(diǎn)。

現(xiàn)有采煤機(jī)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用成熟，但很難滿足采煤機(jī)記憶截割過程的靈活控制和調(diào)高精度要求，隨著采煤機(jī)的功率和采高的加大，其缺點(diǎn)進(jìn)一步放大，因此急需開發(fā)一套新型的能適應(yīng)大功率、智能化采煤機(jī)的液壓調(diào)高系統(tǒng)。

1 新型液壓調(diào)高系統(tǒng)方案的制定

根據(jù)大功率、智能化采煤機(jī)的要求制定了新型液壓調(diào)高系統(tǒng)方案，液壓調(diào)高系統(tǒng)原理如圖1所示，液壓系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，由泵電機(jī)帶動齒輪泵，齒輪泵為液壓系統(tǒng)主油路提供動力，采用負(fù)載敏感比例多路換向閥控制系統(tǒng)。

比例閥系統(tǒng)設(shè)置定差溢流閥、減壓閥、定差減壓閥、梭閥和三位四通比例換向閥，負(fù)載敏感性能指能夠?qū)崿F(xiàn)與負(fù)載無關(guān)地控制執(zhí)行元件的流量，定差減壓閥作為負(fù)載敏感機(jī)構(gòu)，閥芯一端受負(fù)載壓力和彈簧力作用，另外一端受出口壓力作用，相當(dāng)于出口壓力等于負(fù)載壓力與彈簧力之和，即在比例閥節(jié)流邊上壓差ΔP為一個(gè)定值，由于流量為壓差ΔP和開口面積的乘積，因此三位四通換向閥的流量同其開口大小直接相關(guān)，只需要通過輸入一定大小的電流信號調(diào)節(jié)比例換向閥的開口大小，即可通過相應(yīng)大小的流量，多余流量通過定差溢流閥回油箱。

圖1 液壓調(diào)高系統(tǒng)原理圖

在所有油缸不工作時(shí)，齒輪泵輸出的油液推動定差溢流閥閥芯至直通位置，直接以一定的壓力通過定差溢流閥回油池，該壓力為定差減壓閥和定差溢流閥彈簧的壓力之和，系統(tǒng)處于怠速狀態(tài)，三通減壓閥提供系統(tǒng)控制油壓。

當(dāng)需要某個(gè)或某幾個(gè)油缸升降工作時(shí)，只要按動相應(yīng)的無線電遙控器按鈕或手動操作閥桿，此時(shí)，控制相應(yīng)油缸的三位四通電磁閥動作，其根據(jù)輸入線號的大小相應(yīng)打開一定的開度，通過梭閥的作用，最大的負(fù)載敏感信號LS油壓作用于定差溢流閥，閥芯移動至高壓工作位置，主油路一定流量的油液通過三位四通閥進(jìn)入某個(gè)或某幾個(gè)油缸，帶動搖臂、破碎機(jī)或頂護(hù)板以一定速度升降，齒輪泵提供的多余流量通過定差溢流閥以當(dāng)前壓力溢流回油箱。

2 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算

采煤機(jī)的采高和功率加大會帶來搖臂和滾筒重量的大幅增加，進(jìn)而需要重新確定采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的工作壓力。對采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模如圖2所示，根據(jù)采煤機(jī)總體設(shè)計(jì)方案確定的搖臂和滾筒參數(shù)計(jì)算調(diào)高油缸的最大受力F，考慮到極限狀態(tài)，因此：F=(G2×L+G1×L1)/H。

F—油缸活塞桿受力；G1—搖臂重力；G2—滾筒重力；L—搖臂長度；L1—搖臂重心最大力臂；H—油缸最大力臂；?—滾筒直徑圖2 采煤機(jī)油缸上置式調(diào)高系統(tǒng)建模

調(diào)高油缸能提供的軸向力范圍應(yīng)為(1.3～1.5)F，可以根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊以及采煤機(jī)允許的空間尺寸，設(shè)計(jì)活塞、活塞桿、缸體、油缸大小腔壓力等，并確定其工作壓力。根據(jù)所需要的油缸升降時(shí)間計(jì)算泵的排量V，進(jìn)一步計(jì)算電機(jī)功率P、油箱容積、閥組流量Q等。對定量泵、比例閥、吸油過濾器、高壓過濾器、油箱等選型和設(shè)計(jì)。

1)油缸受力計(jì)算：

采煤機(jī)總體參數(shù)：G2=150000N、G1=300000N、L=5m、L1=2.5m、H=1m。

按1.5倍系數(shù)計(jì)算：F=2250000N。

2)系統(tǒng)工作壓力計(jì)算：

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊，選取活塞桿直徑240mm，油缸內(nèi)徑480mm，油缸行程設(shè)計(jì)為1m。

計(jì)算得到小腔壓力約為17MPa，按0.8的管損計(jì)算實(shí)際工作壓力約為20MPa，因此系統(tǒng)工作壓力設(shè)計(jì)為25MPa。

3)泵的排量計(jì)算：

下降時(shí)間設(shè)計(jì)為85s、電機(jī)轉(zhuǎn)速約為1500r/min。

計(jì)算泵有效排量約為85mL/r，泵的容積效率取0.9，因此選取泵的排量為95mL/r。

4)實(shí)際泵電機(jī)功率計(jì)算：

P=V·ω·T/54000

式中，P為理論泵電機(jī)功率，kW；V為理論排量，mL/r；ω為工作轉(zhuǎn)速，r/min；T為工作壓力，MPa。

經(jīng)計(jì)算：P=66kW。按0.9的效率計(jì)算實(shí)際需要的最大泵電機(jī)功率為73kW，選取75kW的泵電機(jī)。系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 液壓系統(tǒng)參數(shù)表

3 結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1)油缸采用上置式，相比常規(guī)的油缸下置式結(jié)構(gòu)形式(如圖3所示)，調(diào)高搖臂時(shí)油缸小腔受力，因此需要更大的油缸外徑。為了保證調(diào)高油缸的升降速度，泵的排量需要相應(yīng)增大。油缸上置式結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)在于防護(hù)全面可靠，調(diào)高油缸外側(cè)可設(shè)計(jì)伸縮式護(hù)罩，能有效避免煤和矸石進(jìn)入調(diào)高油缸下部，排除了因煤或矸石堆積造成調(diào)高油缸憋卡損壞和活塞桿被刮傷的可能性，而上置式調(diào)高油缸無法有效防護(hù)。

圖3 油缸下置式示意圖

2)采用雙泵站對稱結(jié)構(gòu)形式：左、右泵站相互獨(dú)立，結(jié)構(gòu)相同，也使左右牽引箱可設(shè)計(jì)為對稱結(jié)構(gòu)，既保證了空間布置均衡，也具有通用互換性，左泵站控制左調(diào)高油缸和破碎機(jī)油缸，右泵站控制右調(diào)高油缸和頂護(hù)板油缸，液壓系統(tǒng)左右泵站結(jié)構(gòu)三維模型如圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)左右泵站結(jié)構(gòu)三維模型

3.2 功能特點(diǎn)

3.2.1 調(diào)高速度可調(diào)節(jié)控制

對于自動化工作面，記憶截割的控制精度同搖臂的升降速度直接相關(guān)，泵的排量增大會使常規(guī)閥組調(diào)高的精度大幅降低，因此搖臂升降速度可調(diào)節(jié)的功能是實(shí)現(xiàn)自動化工作面的必要條件。

比例閥可通過輸入電流信號來控制開口大小，從而控制調(diào)高速度。閥芯開口與控制電流的關(guān)系如圖5所示，實(shí)測比例閥流量隨輸入電流信號的變化曲線如圖6所示。從圖6中可看出閥芯開啟量與控制電流呈線性關(guān)系，而流量受泄漏和信號延時(shí)等影響具有一定的滯后，呈近線性關(guān)系。

圖5 閥芯開口與控制電流的關(guān)系

圖6 實(shí)測比例閥流量隨輸入電流信號的變化曲線

3.2.2 實(shí)現(xiàn)所有油缸同時(shí)升降的功能

現(xiàn)有采煤機(jī)液壓調(diào)高系統(tǒng)通常僅設(shè)置一個(gè)泵站集中控制所有油缸的升降，閥組采用換向閥閥片的拼接、每個(gè)換向閥由一個(gè)電磁閥控制的結(jié)構(gòu)，需要某個(gè)油缸動作時(shí)，控制相應(yīng)的電磁閥，繼而控制換向閥動作。由于每片閥塊控制的油缸壓力不同，若同時(shí)打開多個(gè)閥塊，油液會更多的流向負(fù)載壓力較低的油缸，導(dǎo)致負(fù)載壓力較高的油缸很難動作，無法實(shí)現(xiàn)多個(gè)油缸同時(shí)操作的功能，實(shí)際使用中往往設(shè)置最多只能一個(gè)閥塊動作。采用比例閥在功能上可實(shí)現(xiàn)所有油缸同時(shí)升降，但由于泵的排量受到采煤機(jī)空間布置等約束，大功率采煤機(jī)搖臂調(diào)高油缸具有直徑大的特點(diǎn)，同時(shí)升降需要較高的流量，所以單泵站的結(jié)構(gòu)形式很難保證足夠的升降速度。而采用比例閥的同時(shí)，按照左右泵站的布置方式，把左右搖臂調(diào)高油缸控制閥分別布置在左右泵站，由于破碎機(jī)和頂護(hù)板油缸相對調(diào)高油缸很小，因此既可以實(shí)現(xiàn)所有油缸的同時(shí)升降，又能保證升降速度。

4 系統(tǒng)性能的提高

新型大功率自動化調(diào)高系統(tǒng)相比傳統(tǒng)型液壓系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面的性能有顯著提高：

1)可靠性。首先，系統(tǒng)配置了高壓過濾器，使油質(zhì)處于高度清潔的狀態(tài)，為系統(tǒng)所有液壓件提供良好的運(yùn)行環(huán)境；其次，系統(tǒng)采用了比例閥組，降低了系統(tǒng)沖擊，同時(shí)采用了螺紋式管路接頭，提高了系統(tǒng)抗沖擊的能力；另，系統(tǒng)雙泵站的結(jié)構(gòu)形式，一方面為泵箱設(shè)計(jì)有較大余量提供了條件，提高了液壓系統(tǒng)的散熱性能，另一方面，若一側(cè)的泵站出現(xiàn)故障，可把該側(cè)的調(diào)高油缸接入另一側(cè)的頂護(hù)板或破碎機(jī)油缸閥塊，保證采煤機(jī)搖臂可正常升降避免因液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致停機(jī)停產(chǎn)的情況，即起到了相互備用的作用。上述一系列方法從根本上顯著提高了采煤機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性，保證采煤機(jī)的良好運(yùn)行。

2)操控性能。所有油缸同時(shí)升降的功能使得在采煤機(jī)運(yùn)行操控上可根據(jù)需要控制升降任一油缸，不再受限于單個(gè)油缸控制的弊端，由于比例調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可對升降速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。極大的提高了采煤機(jī)運(yùn)行的操控性能，為井下一線工人提供了便利。

3)記憶截割調(diào)高精度。采煤機(jī)搖臂升降速度可調(diào)功能體現(xiàn)在調(diào)高策略上，在采煤機(jī)記憶割煤狀態(tài)下，從定量調(diào)節(jié)搖臂升降轉(zhuǎn)變?yōu)樽兞空{(diào)節(jié)方式。定量調(diào)節(jié)的方式指在液壓系統(tǒng)流量恒定的條件下調(diào)節(jié)搖臂升降，記憶截割的策略一般是以固定的速度先朝著目標(biāo)高度調(diào)節(jié)搖臂滾筒，同時(shí)持續(xù)檢測滾筒高度，當(dāng)檢測到達(dá)目標(biāo)高度時(shí)停止液壓系統(tǒng)的調(diào)高動作，但由于液壓系統(tǒng)的滯后性，搖臂滾筒仍然會有一定的慣性升降量，稱為調(diào)高誤差。而變量調(diào)節(jié)方式可在將近達(dá)到目標(biāo)高度時(shí)，通過降低調(diào)高速度的方法來縮小慣性升降量，很大程度上消除了搖臂慣性導(dǎo)致的調(diào)高精度誤差，提高了采煤機(jī)記憶截割的調(diào)高精度，為綜采工作面自動化割煤提供了更大的自由度。

5 結(jié) 語

應(yīng)大功率智能化采煤機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用需求，本文對采煤機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出并設(shè)計(jì)了一套適用于大功率智能化采煤機(jī)的液壓調(diào)高系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)參數(shù)，闡述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，并歸納了新型系統(tǒng)的性能優(yōu)勢，為自動化工作面采煤機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了思路和方法，良好的工業(yè)試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用效果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性、適應(yīng)性和先進(jìn)性。