液壓沖擊截齒沖擊煤巖的液壓及電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉陽(yáng) 郭京波 劉曉潔 張?jiān)?/p>

(河北北方學(xué)院理學(xué)院，河北 張家口 050043)

0 引 言

滾筒式采煤機(jī)是集機(jī)械、液壓、電氣為一體的現(xiàn)代化采煤裝備.其具有功率大、質(zhì)量重、產(chǎn)量高等特點(diǎn)，成為我國(guó)煤炭開(kāi)采的主要設(shè)備[1].滾筒是采煤機(jī)的關(guān)鍵部件，其切割性能極為重要[2].由于采煤機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境極其惡劣，滾筒截割對(duì)象的物理機(jī)械特性具有較大不確定性，并且采煤機(jī)在開(kāi)采煤層時(shí)，截割對(duì)象已不是單純的煤，而是煤與巖石的混合體.這會(huì)導(dǎo)致截齒截割沖擊載荷較大，使得截齒、滾筒受損嚴(yán)重，甚至引起整個(gè)搖臂損壞，導(dǎo)致停產(chǎn)[3].針對(duì)以上問(wèn)題，本文主要立足于預(yù)先改變煤巖特性，對(duì)采煤機(jī)滾筒性能進(jìn)行改造，在采煤機(jī)滾筒上應(yīng)用液壓沖擊截齒技術(shù).此技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)煤巖體進(jìn)行沖擊預(yù)裂，降低煤巖體對(duì)截齒的沖擊載荷和摩擦阻力，提高采煤機(jī)滾筒的機(jī)械效率和壽命.

為使液壓沖擊截齒達(dá)到防裂和耐磨的效果，其缸體材料采用20CrMo，并進(jìn)行滲碳處理[4].活塞直徑和釬桿相同，保證精確傳遞沖擊力，提高工作效率.液壓沖擊截齒安裝結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.以MG300/700-WDK采煤機(jī)為假設(shè)改造對(duì)象.在采煤機(jī)滾筒的不同斷面上均勻安裝4個(gè)截齒安裝座，并與滾筒葉片焊接.將液壓沖擊截齒安裝在截齒安裝座上.在采煤機(jī)滾筒上安裝回轉(zhuǎn)接頭，主要為液壓沖擊截齒供油及為采煤機(jī)供水.在采煤機(jī)工作過(guò)程中，滾筒不斷旋轉(zhuǎn)切割煤巖，其不同斷面上的新型液壓截齒會(huì)獨(dú)立、快速?zèng)_擊與它接觸的煤巖，造成煤巖破碎或產(chǎn)生裂隙，降低煤巖體對(duì)截齒和葉片的擠壓和摩擦阻力，達(dá)到增加截齒切削壽命、提高截割效率.此液壓沖擊截齒具有沖擊速度快，沖擊能量大，可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).

圖1 液壓沖擊截齒安裝結(jié)構(gòu)圖

1 液壓沖擊截齒工作原理

如圖2所示，液壓油經(jīng)進(jìn)油口流入，通過(guò)控制油路1來(lái)控制液控?fù)Q向閥3左位接通，液壓油通過(guò)液控?fù)Q向閥3的左位、沖擊截齒A口進(jìn)入液壓截齒工作缸前腔，壓縮活塞桿向右運(yùn)動(dòng)，氮?dú)馐抑械牡獨(dú)獗粔嚎s，處于高壓狀態(tài).當(dāng)液壓油推動(dòng)前腔活塞到達(dá)B口位置處，液壓油經(jīng)控制油路2控制液控?fù)Q向閥3右位接通，高壓氮?dú)馔苿?dòng)活塞桿向左運(yùn)動(dòng)，工作缸前腔液壓油經(jīng)液壓換向閥3右位流回到油箱，液壓沖擊截齒完成一個(gè)工作循環(huán)，如圖3、4所示.然后液壓油經(jīng)控制油路1，將液控?fù)Q向閥3左位接通，液壓油再次進(jìn)入沖擊截齒工作缸前腔，重復(fù)如圖2、圖3、圖4所示的工作流程，循環(huán)工作，達(dá)到液壓沖擊截齒沖擊煤巖的目的.

2 沖擊截齒液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沖擊截齒液壓系統(tǒng)是由液壓泵站、閥組、管路及4個(gè)液壓沖擊截齒組成.液壓沖擊截齒均勻分布在采煤機(jī)滾筒上，通過(guò)高壓油驅(qū)動(dòng)截齒循環(huán)敲擊煤層，使煤層表面產(chǎn)生裂紋，減少切刀的磨損，提高采煤效率.工作原理圖及設(shè)計(jì)參數(shù)如圖5和表1所示.

表1 液壓沖擊截齒工作參數(shù)

本文采用開(kāi)式液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)沖擊截齒，其最大工作壓力為100bar.工作原理如圖5所示.啟動(dòng)恒壓變量泵3，比例電磁球閥6右位接通，液壓油經(jīng)過(guò)液壓泵3、管路過(guò)濾器4、比例電磁球閥6、齒輪流量分配器7、雙向平衡閥8、蓄能器9進(jìn)入液壓沖擊截齒10的工作前腔，驅(qū)動(dòng)液壓沖擊截齒10工作.液壓油經(jīng)過(guò)液壓沖擊截齒出油口流出，通過(guò)雙向平衡閥8、風(fēng)冷卻器10和管路濾器11流回到油箱1.安全閥4的作用限制液壓系統(tǒng)的最高工作壓力，若高于系統(tǒng)最大壓力，則安全閥4接通，將多余液壓油溢流回油箱1.液壓沖擊截齒沖擊煤巖體過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)比例電磁球閥6控制液壓系統(tǒng)流量，調(diào)節(jié)沖擊截齒的沖擊頻率.由于4根液壓截齒在沖擊煤巖時(shí)受到的載荷不均，導(dǎo)致4根液壓沖擊截齒沖擊煤巖的速度不同，受到負(fù)載較小的截齒沖擊速度快，受到負(fù)載較大的截齒沖擊速度慢或者不沖擊.為避免此問(wèn)題的發(fā)生，沖擊截齒液壓系統(tǒng)采用了齒輪流量分配器7，其可將液壓油平均分給4根液壓沖擊截齒，即使當(dāng)4根截齒受到不同的載荷時(shí)，它們?nèi)阅芤韵嗤臎_擊速度沖擊煤巖.雙向平衡閥8、蓄能器9可調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止空穴現(xiàn)象的產(chǎn)生，避免液壓管路振動(dòng).整個(gè)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅縮小了安裝空間，同時(shí)也提高了液壓系統(tǒng)的可靠性，簡(jiǎn)化了操作流程.

1-油箱；2-電機(jī)；3-柱塞泵；4-壓力管路過(guò)濾器；5-溢流閥；6-比例電磁球閥；7-齒輪流量分配器；8-雙向平衡閥；9-蓄能器；10-液壓沖擊截齒；11-風(fēng)冷卻器

液壓沖擊截齒沖擊頻率不需要太快，所以為了節(jié)約成本以及考慮系統(tǒng)油量泄露，確定液壓沖擊截齒的驅(qū)動(dòng)油量為25L/min.考慮液壓系統(tǒng)壓力損失及系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性，初步確定液壓截齒的驅(qū)動(dòng)油壓要高于規(guī)定油壓的30%，所以本系統(tǒng)的工作壓力取130bar.

4根液壓錘在同時(shí)工作時(shí)，所需最大流量Qmax為

Qmax=Q1×n=25×4=100L/min

式中，Q1為單根破碎錘錘所需要的流量；n為破碎錘的個(gè)數(shù)；

液壓泵的額定排量Qp為

Qp≥K(∑Qmax)=1.1×100=110L/min

(1)

式中，K為系統(tǒng)泄露系數(shù)，取1.1.

(2)

式中，nE為4級(jí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，取1500r/min；ηv為容積效率，取0.95.

泵的額定功率ηp為

(3)

式中，P1為液壓系統(tǒng)的工作壓力，取130bar.

電機(jī)的額定功率為

(4)

式中，ηm為泵的機(jī)械效率，取0.95.

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓沖擊截齒電氣原理圖如圖6所示.主電路為油泵和風(fēng)冷卻器電機(jī)M1、M2供電.QS1為主電路總空氣開(kāi)關(guān)，控制主電路電流通斷，同時(shí)避免電路過(guò)載、欠壓.QS2、QS3分別為主泵、冷卻泵電動(dòng)機(jī)的支路空氣開(kāi)關(guān)，防止某支路短路造成總空開(kāi)QS1跳閘，導(dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)斷電.KM1、KM2、KM3為主泵電動(dòng)機(jī)的接觸器，主泵電動(dòng)機(jī)采用星三角方式啟動(dòng)，KM4為補(bǔ)油泵電動(dòng)機(jī)的接觸器.FR1、FR2分別為主油泵、風(fēng)冷卻器電機(jī)的熱保護(hù)器，保護(hù)兩電機(jī)安全工作.啟動(dòng)電氣系統(tǒng)前，先閉合空開(kāi)QS1、QS2、QS3，觀察電壓表示數(shù)是否正常.待檢查電路供電正常后，閉合開(kāi)關(guān)SB2，電機(jī)M1進(jìn)行星三角啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)液壓泵站工作；閉合SB3，啟動(dòng)電機(jī)M2，冷卻泵開(kāi)始啟動(dòng)工作.斷開(kāi)SB1、SB4，主油泵和風(fēng)冷卻電機(jī)斷電，停止工作.

圖6 電氣系統(tǒng)原理圖

4 結(jié) 論

液壓沖擊截齒沖擊煤巖裝置，采用了開(kāi)式液壓系統(tǒng)，通過(guò)電位器控制比例電磁球閥的閥芯開(kāi)度來(lái)控制液壓系統(tǒng)流量，調(diào)節(jié)液壓沖擊截齒的沖擊頻率.整個(gè)液壓和電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好，增強(qiáng)了液壓沖擊截齒的沖擊性能，在提高截割效率、增加截齒切削壽命方面有較大的改善，具有一定實(shí)踐指導(dǎo)意義.