工作面液壓系統(tǒng)流量補(bǔ)償技術(shù)研究

趙叔吉

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013）

0 引言

提高煤炭產(chǎn)能、實(shí)現(xiàn)煤炭資源高效開采是煤礦智能化開采的核心任務(wù)之一[1-4]。隨著工作面長(zhǎng)度不斷增加，工作面液壓系統(tǒng)的供液能力受到挑戰(zhàn)[5]。為了保障工作面的快速跟機(jī)移架和采煤機(jī)快速高效截割，提高工作面采煤效率，對(duì)工作面現(xiàn)有液壓系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析、改進(jìn)和優(yōu)化勢(shì)在必行。

目前工作面液壓系統(tǒng)的優(yōu)化主要集中于關(guān)鍵液壓元器件[6-7]、供液網(wǎng)絡(luò)[8]和控制系統(tǒng)[9-10]3個(gè)方面。如：在關(guān)鍵液壓元器件優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[6]以最短移架時(shí)間和最低成本為目標(biāo)，給出了不同泵站流量、工作面巷道管路直徑及管路布置方式等多種組合的優(yōu)化設(shè)計(jì)；在供液網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[8]建立了工作面液壓系統(tǒng)仿真模型，分析了不同元器件參數(shù)對(duì)液壓支架動(dòng)作速度的影響；在控制系統(tǒng)優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[9]基于液壓系統(tǒng)進(jìn)液壓力預(yù)測(cè)拉架時(shí)間，提高了自動(dòng)跟機(jī)的準(zhǔn)確性。此外，為了滿足超長(zhǎng)工作面的供液需求，提高液壓系統(tǒng)供液能力，許多學(xué)者從開發(fā)新的控制算法[11-12]、控制硬件和液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件[13]、新的供液模式和供液系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[14]等方面展開研究與實(shí)踐。

目前的研究工作大多著眼于泵站和其他液壓系統(tǒng)元器件參數(shù)為基礎(chǔ)的工作面液壓系統(tǒng)控制技術(shù)，而相關(guān)軟硬件的開發(fā)和維護(hù)會(huì)帶來較高的時(shí)間和人力成本。另外，對(duì)連續(xù)推進(jìn)過程中液壓系統(tǒng)壓力流量特性的分析較少，針對(duì)液壓系統(tǒng)壓力流量波動(dòng)問題缺乏簡(jiǎn)單有效的解決方案。

本文基于陜煤集團(tuán)張家峁礦業(yè)有限公司（簡(jiǎn)稱張家峁煤礦）2-2煤層新建大采高工作面的液壓系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，利用AMEsim軟件建立液壓支架仿真模型，研究液壓支架連續(xù)動(dòng)作時(shí)液壓系統(tǒng)的壓力流量特性，指出移架過慢的原因是瞬時(shí)增大的流量需求。開發(fā)了基于蓄能器的流量補(bǔ)償技術(shù)，仿真分析了蓄能器作用下液壓支架移速和液壓系統(tǒng)壓力流量特性變化，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了流量補(bǔ)償技術(shù)的有效性，為液壓系統(tǒng)的改進(jìn)提供了方向。

1 工程背景

張家峁煤礦是國家發(fā)展改革委在神府南區(qū)總體規(guī)劃建設(shè)的4對(duì)大型礦井之一。礦井井田東西寬約9.5 km，南北長(zhǎng)約19.5 km，主采煤層為低灰分、低硫、低磷、高熱值、高揮發(fā)分的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤[15]。

張家峁煤礦2-2煤層埋深為21.47～134.55 m，平均埋深為130 m左右。松散層平均厚度約為40 m，基巖層平均厚度約為90 m，基巖巖性以砂巖為主。煤層自然厚度（含夾矸）為5.26～10.07 m，平均厚度為8.38 m。直接頂初次垮落步距為18.6 m，屬3類穩(wěn)定頂板，采用全部垮落法開采。

煤礦新建大采高工作面長(zhǎng)度為320 m，配套設(shè)備平均采高為7.6 m，配套液壓支架型號(hào)為ZY21000/37/80D，采煤機(jī)裝機(jī)總功率為3 050 kW，帶式輸送機(jī)帶寬為1 600 mm。以掩護(hù)式中部液壓支架為例，部分參數(shù)見表1。

表1 張家峁煤礦2-2煤層新建工作面中部液壓支架部分參數(shù)Table 1 Part parameters of hydraulic support in the middle of new working face of Zhangjiamao Coal Mine 2-2 coal seam

2 單臺(tái)液壓支架仿真建模

根據(jù)液壓支架液壓系統(tǒng)圖及其使用說明書，液壓支架仿真建模時(shí)所用結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。本文主要研究液壓支架移架和推溜動(dòng)作下的液壓系統(tǒng)特性，因此忽略側(cè)護(hù)板千斤頂、底調(diào)千斤頂、頂梁噴霧等液壓系統(tǒng)零部件的動(dòng)作及漏液等情況。

表2 液壓支架立柱和千斤頂結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of hydraulic support columns and jacksmm

參照液壓系統(tǒng)圖，根據(jù)液壓支架移架和推溜動(dòng)作控制時(shí)序，對(duì)同一動(dòng)作的成組千斤頂建立相應(yīng)子模型，并配合時(shí)序控制器來控制每組千斤頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)順序和時(shí)間。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，省略各子模型中的泄壓閥等元器件。液壓管路選用可綜合考慮摩擦力和液體體積模量影響的C-R模型[16]，其長(zhǎng)度和半徑均按照實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸設(shè)置。乳化液密度、體積模量和動(dòng)力黏度分別設(shè)置為1 000 kg/m3，2.0 GPa，1.49×10-3Pa·s[17-18]。電液控?fù)Q向閥型號(hào)為FHD500/31.5Z，標(biāo)稱流量為500 L/min，對(duì)應(yīng)流阻為6 MPa[19]；立柱外缸進(jìn)液口與快速供液閥相連，根據(jù)說明書可知快速供液閥公稱流量為1 000 L/min，對(duì)應(yīng)流阻為6 MPa，每個(gè)立柱由2個(gè)快速供液閥供液；推移千斤頂無桿腔由2個(gè)電液控?fù)Q向閥共同供液，其余各腔由單臺(tái)電液控?fù)Q向閥單獨(dú)供液。各子模型如圖1、圖2所示。其中標(biāo)號(hào)為1的接口均為回液口，標(biāo)號(hào)為2的接口均為進(jìn)液口；抬底千斤頂和立柱處標(biāo)號(hào)為4的接口相互連接，以便升立柱時(shí)聯(lián)動(dòng)抬底千斤頂收縮；推移千斤頂和伸縮千斤頂處標(biāo)號(hào)為4的接口相互連接，以便移架時(shí)打開伸縮千斤頂?shù)碾p向鎖。

圖1 支架液壓系統(tǒng)子模型Fig.1 Submodels of support hydraulic system

圖2 立柱子模型Fig.2 Submodel of columns

按照管路連接邏輯，建立單臺(tái)液壓支架仿真模型，如圖3所示。

圖3 單臺(tái)液壓支架仿真模型Fig.3 Simulation model of single hydraulic support

參考液壓支架自動(dòng)化跟機(jī)移架工藝流程[20]，結(jié)合工作面實(shí)際參數(shù)和單架仿真結(jié)果，對(duì)工作面中部單臺(tái)液壓支架各千斤頂推溜移架時(shí)的動(dòng)作時(shí)序安排如圖4所示。本文主要研究循環(huán)移架過程中液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的變化，忽略伸縮、平衡和護(hù)幫等千斤頂?shù)膭?dòng)作，以及頂?shù)装迩闆r對(duì)移架過程的影響。

圖4 仿真模型中各千斤頂動(dòng)作時(shí)序Fig.4 Each jack action timing of simulate model

3 成組液壓支架仿真建模

搭建完單臺(tái)液壓支架仿真模型后，根據(jù)工作面液壓系統(tǒng)圖，建立工作面液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示，其中L1～L7為各段管路長(zhǎng)度，?為對(duì)應(yīng)管路公稱直徑。受算力限制，并考慮采煤機(jī)截割速度、液壓支架移架速度、液壓支架等因素，在仿真模型中放入4臺(tái)液壓支架。工作面進(jìn)回液采用三進(jìn)三回形式，進(jìn)回液管規(guī)格分別為DN51G和DN63D，整個(gè)工作面長(zhǎng)度為320 m，機(jī)頭距泵站所在列車長(zhǎng)度L0=250 m。單臺(tái)乳化液泵額定流量為1 250 L/min，2臺(tái)并用。

圖5 液壓系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of hydraulic system

按照千斤頂動(dòng)作時(shí)序，仿真1～4臺(tái)液壓支架循環(huán)移架推溜過程中液壓系統(tǒng)壓力流量情況，共進(jìn)行5個(gè)循環(huán)。對(duì)應(yīng)的推移千斤頂、立柱行程隨時(shí)間變化曲線如圖6、圖7所示?？煽闯?～2臺(tái)液壓支架進(jìn)行循環(huán)移架推溜動(dòng)作時(shí)，推移千斤頂能完成完整的行程（0.80 m），與工作面采掘規(guī)劃相符；3～4臺(tái)液壓支架循環(huán)動(dòng)作時(shí)，由于瞬時(shí)供液量不足，推移千斤頂最大位移分別為0.70，0.53 m；1～4臺(tái)液壓支架動(dòng)作時(shí)，立柱的最大收縮量分別為0.12，0.10，0.09，0.08 m，基本滿足移架要求，但4臺(tái)液壓支架同時(shí)動(dòng)作時(shí)，升柱位移小于降柱位移，立柱高度逐步下降，表明升柱時(shí)泵站供液量不足。

圖6 推移千斤頂行程隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Displacement change curves of push jack over time

圖7 立柱行程隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Displacement change curves of columns over time

1～4臺(tái)液壓支架動(dòng)作時(shí)，泵站的輸出壓力如圖8所示。可看出在立柱伸出和推移千斤頂運(yùn)動(dòng)過程中，泵站最大輸出流量不足，輸出壓力明顯下降，最低至額定壓力（31.5 MPa）的14.5%；在循環(huán)移架過程中，存在泵站輸出壓力為額定壓力的時(shí)間段，表明泵站流量高于需液量，溢流閥溢流。如何將多余的流量存儲(chǔ)并補(bǔ)償?shù)焦┮毫坎蛔愕臅r(shí)間段，成為解決快速成組移架中泵站最大流量不足的關(guān)鍵。

圖8 泵站的輸出壓力Fig.8 Output pressure of pump station

4 基于蓄能器的流量補(bǔ)償技術(shù)

為了解決快速成組移架過程中某些時(shí)刻最大流量不足、某些時(shí)刻供液能力浪費(fèi)的問題，在工作面的每個(gè)進(jìn)液管處安裝氣囊式蓄能器。

整個(gè)移架過程中，由立柱和各千斤頂?shù)闹睆郊靶谐炭捎?jì)算出單臺(tái)液壓支架移架過程所需的總?cè)榛后w積V0=107.2L。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，設(shè)立柱降柱和升柱位移為0.1 m，其余千斤頂走完全部行程。

為保證在蓄能器儲(chǔ)存的乳化液耗盡前液壓系統(tǒng)能維持在較高的壓力水平上，蓄能器預(yù)充壓力應(yīng)盡可能高。根據(jù)蓄能器制造工藝，確定氣囊預(yù)充壓力Pa=18MPa。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，所需蓄能器體積Va近似滿足：

式中：V1為液壓系統(tǒng)額定壓力下蓄能器可儲(chǔ)存的乳化液體積；P0為液壓系統(tǒng)額定壓力，P0=31.5 MPa。

由式（1）可得Va>988.1L。

綜合考慮目前蓄能器的制造水平并留出一定余量，在每個(gè)進(jìn)液管處安裝3臺(tái)氣囊式蓄能器，每臺(tái)蓄能器的體積為125 L，即每個(gè)進(jìn)液管安裝的蓄能器體積為375 L，3個(gè)進(jìn)液管安裝蓄能器總體積為1 125 L，預(yù)充壓力為18 MPa。安裝蓄能器后的液壓系統(tǒng)仿真模型如圖9所示。

圖9 安裝蓄能器后的液壓系統(tǒng)仿真模型Fig.9 Simulation model of hydraulic system with accumulators

在安裝蓄能器情況下，仿真1～4臺(tái)液壓支架循環(huán)移架推溜過程中液壓系統(tǒng)的壓力流量狀況，共進(jìn)行5個(gè)循環(huán)。推移千斤頂、立柱行程隨時(shí)間變化曲線分別如圖10、圖11所示。

圖11 安裝蓄能器后立柱行程隨時(shí)間變化曲線Fig.11 Displacement change curves of columns overtime with accumulators

由圖10、圖11可看出，安裝蓄能器后，推移千斤頂完成完整行程的時(shí)間明顯縮短或最大位移明顯增加，表明在液壓系統(tǒng)中安裝蓄能器可有效增加成組移架時(shí)的移架速度，補(bǔ)償瞬時(shí)大流量需求；安裝蓄能器前后立柱下降的速度差別不大，原因是降柱過程中，高壓乳化液進(jìn)入立柱外缸內(nèi)徑（?=530 mm）和中缸外徑（?=500 mm）圍成的有桿腔中，與升柱過程中高壓乳化液進(jìn)入立柱外缸圍成的無桿腔相比，需液量較小，泵站流量充足。

從圖10可看出，當(dāng)4臺(tái)液壓支架同時(shí)循環(huán)進(jìn)行移架推溜動(dòng)作時(shí)，推移千斤頂仍無法完成完整行程。以1號(hào)蓄能器壓力隨時(shí)間變化曲線（圖12）為例，4臺(tái)液壓支架同時(shí)動(dòng)作時(shí)，蓄能器處在不斷充放乳化液過程中，且一直未達(dá)到液壓系統(tǒng)額定壓力（31.5 MPa）。這表明即使增加儲(chǔ)能裝置，泵站的穩(wěn)壓能力也不足以支撐4臺(tái)液壓支架同時(shí)移架，需增加液壓支架移架動(dòng)作的時(shí)間或增大泵站的輸出流量。但安裝蓄能器使得工作面液壓系統(tǒng)輸出的最小壓力為額定壓力的76.2%（4臺(tái)液壓支架同時(shí)動(dòng)作時(shí)），是未安裝蓄能器時(shí)的5倍，有效抑制了液壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)。安裝蓄能器后泵站輸出壓力曲線如圖13所示，可看出泵站輸出壓力波動(dòng)與蓄能器壓力波動(dòng)相差不大，原因是泵站出口和蓄能器液口之間通過長(zhǎng)250 m、規(guī)格為DN51G的管路相連，阻力較小。

圖12 蓄能器壓力曲線Fig.12 Pressure curve of accumulator

圖13 安裝蓄能器后泵站輸出壓力曲線Fig.13 Output pressure curve of pump station with accumulators

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證流量補(bǔ)償技術(shù)的有效性，在目標(biāo)工作面安裝蓄能器站，利用研發(fā)的壓力監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)蓄能器站接入工作面液壓系統(tǒng)前后系統(tǒng)壓力波動(dòng)情況（100架處），如圖14所示。

圖14 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果Fig.14 Field experiment and its result

由于目前工作面推進(jìn)仍以人工干預(yù)為主，移架工序等不確定，推溜移架速度受到影響，所以無法按照實(shí)際移架工藝來仿真推溜移架情況，或按照仿真中的移架工藝來操作液壓支架運(yùn)動(dòng)。本文截取采煤過程中液壓支架連續(xù)移架時(shí)的壓力進(jìn)行比較。由圖14（c）可看出，接入蓄能器后，液壓系統(tǒng)平均壓力由21.32 MPa升至28.86 MPa，平均壓降由10.18 MPa降至2.64 MPa（約為1/4），壓力波動(dòng)受到明顯抑制，表明基于蓄能器的流量補(bǔ)償技術(shù)可滿足液壓系統(tǒng)間歇性大流量需求，為快速移架提供保障。

6 結(jié)論

1） 基于AMEsim建立了工作面液壓系統(tǒng)仿真模型，模擬了1～4臺(tái)液壓支架同時(shí)進(jìn)行移架推溜動(dòng)作時(shí)液壓系統(tǒng)壓力流量情況。結(jié)果表明液壓支架成組動(dòng)作過程中推移速度不足的主要原因是瞬時(shí)需液量超過泵站最大流量，同時(shí)在液壓支架成組運(yùn)動(dòng)整個(gè)過程中存在瞬時(shí)需液量不足和部分時(shí)刻泵站供液能力過剩的矛盾。

2） 提出了基于蓄能器的流量補(bǔ)償技術(shù)，將蓄能器安裝于工作面進(jìn)液口。仿真結(jié)果表明，安裝蓄能器后液壓系統(tǒng)的壓力波動(dòng)被明顯抑制，各千斤頂運(yùn)動(dòng)速度明顯加快。

3） 通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了采用流量補(bǔ)償技術(shù)后，液壓系統(tǒng)壓降降幅為74.1%，為采煤工作面液壓支架快速移架指明了液壓系統(tǒng)改進(jìn)方向。