液壓過載安全回路在煤礦掘采設(shè)備上的應(yīng)用

蘭輝敏

（中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原 030006）

0 引言

成套掘采設(shè)備包括連續(xù)采煤機(jī)、連運(yùn)系統(tǒng)或梭車、錨桿鉆車、行走支架、給料破碎機(jī)和多功能防爆鏟車等裝備[1]，為掘采工作面創(chuàng)造獨(dú)特的采煤裝備。目前，掘采設(shè)備在陜、蒙交界礦區(qū)大面積成功用于掘進(jìn)和開采；隨著國產(chǎn)成套掘采裝備日漸成熟，使得設(shè)備投入大幅下降，加之掘進(jìn)開采工藝工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的豐富積累，掘采設(shè)備勢必成為在陜、蒙礦區(qū)之外逐步廣泛成功使用前景的裝備[2-3]。

掘采設(shè)備作用的對象是礦巖，復(fù)雜的地質(zhì)條件使得載荷變化較大，有時會遇到極限異常載荷[4-7]；液壓系統(tǒng)是掘采設(shè)備的重要組成部分，決定掘采設(shè)備工作機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行；因此，保證掘采設(shè)備液壓系統(tǒng)及元件在異常載荷下的安全，最終保證裝備開機(jī)率及其重要。為此，對于會受到極限異常載荷的執(zhí)行元件處必須設(shè)置液壓過載安全回路。

介紹液壓過載安全回路在掘采設(shè)備上的應(yīng)用情況及適用條件，以及液壓回路參數(shù)設(shè)計和元件設(shè)置方法，為掘采設(shè)備過載安全回路的設(shè)計、調(diào)試和維護(hù)提供參考。

1 掘采設(shè)備常用的過載安全回路

1.1 舉升機(jī)構(gòu)的過載安全回路

1.1.1 截割舉升機(jī)構(gòu)的過載安全回路

連續(xù)采煤機(jī)截割舉升機(jī)構(gòu)的兩種過載安全回路如圖1 所示。掘進(jìn)和開采的工藝決定連續(xù)采煤機(jī)必須在4～15 m 的空頂下進(jìn)行作業(yè)，未支護(hù)的頂板可能會突然垮落砸到截割部引發(fā)舉升油缸活塞桿強(qiáng)制被壓回的現(xiàn)象；此外，連續(xù)采煤機(jī)調(diào)機(jī)時，從“上山”到“下山”的過程中，極易出現(xiàn)截割頭砸向巷道底板出現(xiàn)舉升油缸“拔缸”現(xiàn)象。對截割舉升過載安全回路的常規(guī)要求如下：活塞桿受壓時，過載安全回路能快速卸荷，使截割臂落地[4-5]，同時保證密封件安全；活塞桿受拉時，過載安全回路能消除壓力峰值，同時保證密封件安全。

圖1 連續(xù)采煤機(jī)截割舉升機(jī)構(gòu)的過載安全回路

連續(xù)采煤機(jī)在空頂區(qū)域掘進(jìn)時，換向閥位于工作位，垮落的頂板使活塞桿受壓，無桿腔急劇增加的壓力通過安全閥卸入大氣中，有桿腔的真空或從油箱補(bǔ)油或從高壓油源補(bǔ)充消除。換向閥位于中位時，垮落的頂板使活塞桿受壓，無桿腔壓力瞬間急劇增加，有桿腔勢必產(chǎn)生真空，此時安全閥和平衡閥幾乎同時打開。對于Y型中位機(jī)能換向閥的回路，無桿腔的一部分高壓油液通過安全閥卸入大氣中，另一部分油液通過平衡閥卸掉，進(jìn)一步地進(jìn)入有桿腔消除真空；對于H型中位機(jī)能換向閥的回路，無桿腔的高壓油全部通過安全閥卸到大氣，有桿腔的真空通過抗沖擊補(bǔ)油閥從油箱補(bǔ)油消除。

連續(xù)采煤機(jī)調(diào)機(jī)過程中，換向閥位于中位，截割部的“栽頭”使活塞桿受拉，有桿腔壓力急劇增加，無桿腔勢必產(chǎn)生真空。對于Y型中位機(jī)能換向閥的回路，有桿腔的高壓油直接卸入無桿腔消除一部分真空，另外一部分真空通過油箱補(bǔ)油消除；對于H型中位機(jī)能換向閥的回路，有桿腔的高壓油通過抗沖擊補(bǔ)油閥卸回油箱，無桿腔的真空通過補(bǔ)油閥從油箱補(bǔ)油消除。

其他工作在長距離空頂區(qū)域，且以雙作用油缸為執(zhí)行元件的舉升工作機(jī)構(gòu)也可使用以上兩種過載安全回路，如履帶式行走液壓支架的立柱舉升工作機(jī)構(gòu)。

1.1.2 卸料舉升機(jī)構(gòu)的過載安全回路

卸料舉升機(jī)構(gòu)的過載安全回路如圖2 所示，適用于連續(xù)采煤機(jī)和梭車。通常卸料舉升機(jī)構(gòu)工作時的高度是固定的，也即換向閥處于中位。裝備在“上山”和“下山”過程中，會出現(xiàn)卸料機(jī)尾磕碰巷道頂板或底板情況，由于機(jī)重大，卸料舉升油缸活塞桿受到異常的拉力或壓力載荷。活塞桿受異常壓力回縮時，對于Y型中位機(jī)能的回路，無桿腔的高壓油一部分通過安全閥卸入大氣中，一部分高壓油通過平衡閥卸入油箱中；對于H型中位機(jī)能換向閥的回路，無桿腔的高壓油全部通過安全閥卸入大氣中?；钊麠U受異常拉力拔出時，無桿腔產(chǎn)生真空，對于Y型中位機(jī)能換向閥的回路，消除真空的油液依次通過換向閥、平衡閥中的單向閥，最終進(jìn)入油缸；對于H型中位機(jī)能換向閥的回路，補(bǔ)油依靠單向節(jié)流閥中的單向閥完成。

圖2 卸料舉升機(jī)構(gòu)的過載安全回路

1.1.3 鏟斗舉升和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的過載安全回路

鏟斗舉升和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的過載安全回路如圖3 所示。防爆鏟車由于桿系干涉原因，換向閥4 位于中位，鏟斗下翻時舉升鏟斗，鏟斗油缸活塞桿受拉；鏟斗上翻時下降鏟斗，鏟斗油缸活塞桿受壓。此外，大石塊或其他重物突然砸落動鏟斗上，換向閥位于中位，勢必使鏟斗油缸和舉升油缸受壓。當(dāng)油缸無桿腔受壓時，無桿腔超壓的油液通過安全閥3-1 卸掉，有桿腔負(fù)壓打開補(bǔ)油閥2-2 從油箱補(bǔ)油；當(dāng)轉(zhuǎn)向油缸有桿腔受壓時，有桿腔超壓的通過安全閥3-2 卸掉，無桿腔的真空通過補(bǔ)油閥3-1 補(bǔ)油消除。

圖3 鏟斗舉升和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的過載安全回路

1.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的過載安全回路

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的過載安全回路如圖4 所示，適用于梭車和多功能防爆鏟車。由于井下巷道狹窄，坡多、彎多，路面條件很差，需要頻繁轉(zhuǎn)彎，對梭車或多功能防爆鏟車的轉(zhuǎn)向時間有特定要求，換向閥4 的頻繁開關(guān)換向會對油缸產(chǎn)生沖擊，安全閥3 用于限制回路最高壓力。當(dāng)轉(zhuǎn)向油缸無桿腔受壓時，無桿腔超壓的壓力油補(bǔ)充有桿腔的真空還有剩余，多余的油液通過安全閥3 卸壓；當(dāng)轉(zhuǎn)向油缸有桿腔受壓時，有桿腔超壓的油液不足以完全消除無桿腔的真空，由此產(chǎn)生的負(fù)壓打開補(bǔ)油閥2 從油箱吸油以填補(bǔ)多余真空。

圖4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的過載安全回路

1.3 行走馬達(dá)的過載安全回路

行走馬達(dá)的過載安全回路如圖5 所示，適用于錨桿鉆車、給料破碎機(jī)和履帶式行走液壓支架的行走機(jī)構(gòu)。錨桿鉆車的行走機(jī)構(gòu)不僅慣性負(fù)載大，還需頻繁起制動、加減速，加之巷道底板起伏，要求液壓行走驅(qū)動回路必須有過載安全功能以保護(hù)元件的安全。這種工況下，換向閥處于中位，但錨桿鉆車由于巨大慣量帶動行走馬達(dá)繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動，因制動器作用馬達(dá)一腔必然超壓，另一腔產(chǎn)生真空；尤其錨桿鉆車“下山”時驟停，超壓峰值可達(dá)50～60 MPa。假設(shè)上圖行走馬達(dá)上腔超壓，超壓的油液通過安全閥3-1 卸壓，進(jìn)一步地通過補(bǔ)油閥2-2 進(jìn)入馬達(dá)下腔消除真空，從而有效保護(hù)的行走馬達(dá)的安全。圖5 的過載安全回路也可應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)截割部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

圖5 行走馬達(dá)的過載安全回路

2 過載安全回路參數(shù)選取方法

只是在回路中加裝安全閥和補(bǔ)油閥，而不考慮整個回路參數(shù)的選取，并不能真正起到過載安全作用；只有充分考慮安全閥、補(bǔ)油閥等元件的參數(shù)，以及整個回路的參數(shù)設(shè)計，過載安全回路才能充分發(fā)揮消除壓力峰值和消除真空的作用。

2.1 過載功能對參數(shù)的要求

圖1 和圖2 中安全閥既要在油缸正常工作時保持閉合，又要在油缸受沖擊時卸壓，故此安全閥的設(shè)定壓力要比平衡閥設(shè)定壓力高50%～60%。此外，安全閥的額定流量至少等于換向閥的額定流量，才能保證異常載荷時，工作機(jī)構(gòu)快速落地。

圖1 中抗沖擊補(bǔ)油閥，圖3、圖4 和圖5 中的安全閥是在執(zhí)行元件兩腔封閉時瞬間開啟，通流量相對較小，故此這些安全閥的額定流量為換向閥額定流量的20%～30%。圖1 的抗沖擊補(bǔ)油閥設(shè)定壓力為平衡閥關(guān)閉壓力的50%～60%；圖3 中安全閥3-1進(jìn)口連接油缸無桿腔，其設(shè)定壓力比系統(tǒng)主安全閥高20%～30%，安全閥3-2 連接油缸的有桿腔，其設(shè)定壓力應(yīng)不大于安全閥3-2 設(shè)定壓力與油缸速比之積；圖4 和圖5 中的安全閥進(jìn)口連接的執(zhí)行元件容腔大小一樣，其設(shè)定壓力相同，均為系統(tǒng)主安全閥的1.2～1.3 倍。

2.2 補(bǔ)油功能對參數(shù)的要求

一般而言，真空容腔產(chǎn)生的負(fù)壓值越小，越能充分補(bǔ)油，但是負(fù)壓值過小容易發(fā)生汽蝕，負(fù)壓值過大導(dǎo)致執(zhí)行元件密封損壞，回路設(shè)計計算時選取容腔負(fù)壓值為-0.05～-0.04 MPa；綜合考慮吸油能力，那么真空容腔與油箱之間的理想液阻值應(yīng)為0.03～0.04 MPa?；诖?，①回油管路應(yīng)盡可能短粗直，必須單獨(dú)接回油箱，禁止通過回油過濾器或者與其他回油管路合并；②圖3、圖4 和圖5 中的補(bǔ)油管路上只有補(bǔ)油單向閥，選型時只需確保其開啟壓力小于0.3 MPa 即可；③圖1a）和圖2a）的補(bǔ)油管路上有換向閥和平衡閥，那么平衡閥的單向開啟壓力盡可能的小，換向閥在保證油缸正常供油的前提下額定流量應(yīng)盡可能的大；④圖1b）和圖2b）的補(bǔ)油管路上有平衡閥和補(bǔ)油閥，那么平衡閥和補(bǔ)油閥的單向開啟壓力之和不得大于0.03 MPa。

3 結(jié)語

（1）掘采設(shè)備作用的對象是礦巖，極易受到意外的極限載荷，消除或減弱液壓沖擊對液壓元件和工作機(jī)構(gòu)的危害，必須在工作機(jī)構(gòu)處使用液壓過載安全回路。

（2）成套掘采設(shè)備包含的設(shè)備種類多，工作機(jī)構(gòu)的功能也多樣化，對過載安全回路要求也不盡相同：過載安全回路液壓元件配置必須與工作機(jī)構(gòu)的功能以及外界的極限異常載荷相匹配。

（3）過載安全回路對元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的保護(hù)性能是系統(tǒng)性問題。必須合理選取元件參數(shù)，合理設(shè)計回路參數(shù)。