閆 晶

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

掘進(jìn)機(jī)是一種廣泛用于煤礦巷道掘進(jìn)的短壁設(shè)備，由切割機(jī)構(gòu)、裝載機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、噴霧冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)切割、裝載、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)載煤巖，并可調(diào)動(dòng)行走、噴霧除塵的聯(lián)合機(jī)組。掘進(jìn)機(jī)的所有動(dòng)作均由液壓系統(tǒng)完成，如支撐和調(diào)動(dòng)整機(jī)，驅(qū)動(dòng)裝載部和刮板運(yùn)輸機(jī)，張緊履帶鏈和刮板鏈，截割部升降和回轉(zhuǎn)。掘進(jìn)機(jī)一般用作煤礦巷道的 “開路先鋒”，所處工作面復(fù)雜、惡劣、多變，需要面對(duì)沖擊載荷、粉塵彌漫、局部透水、煤巖掉落、瓦斯突出等種種危害，極易導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)過載高溫，液壓元件砸傷、擠傷，液壓油泄漏污染，噪聲污染。不僅影響正常生產(chǎn)，而且會(huì)出現(xiàn)液壓系統(tǒng)效率降低，密封件和液壓油加速老化，各類故障頻發(fā)，工人身心受損等問題。因此，掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)非常重要。

1 液壓系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，從可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性的角度看，應(yīng)該優(yōu)先考慮節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)，突出其重要性。要求能滿足整機(jī)技術(shù)性能、人機(jī)工程學(xué)，在空間上實(shí)現(xiàn)合理布局，同時(shí)又要兼顧經(jīng)濟(jì)成本，合理匹配液壓元件，最終使得液壓系統(tǒng)在性能達(dá)到最優(yōu)。如此，能使液壓系統(tǒng)效率高、能耗低、故障少、更加安全可靠，真正實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全效益雙豐收。節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為：

1.1 節(jié)能設(shè)計(jì)

一般情況下，液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源電機(jī)輸出功率為定值，泵的輸出功率為變值。節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何降低系統(tǒng)發(fā)熱帶來的功率損耗[1]。可以從以下三個(gè)方面考慮：

（1）對(duì)于定量液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)壓力不斷變化，而進(jìn)入系統(tǒng)的流量始終為定值，并有大量液壓油溢流回油箱，使得功率損耗大、效率低。在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)之初，選用額定壓力高的液壓元件和輔件，盡量提高系統(tǒng)壓力；在滿足執(zhí)行元件速度要求的前提下，盡量降低系統(tǒng)流量。

（2）對(duì)于變量液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)的壓力和流量都在變化，但兩者的乘積——功率可以為一個(gè)定值，這樣就有機(jī)會(huì)降低系統(tǒng)流量，提高系統(tǒng)效率。因此，應(yīng)該盡量選擇泵控變量系統(tǒng)，采用變量泵、帶LS 負(fù)載反饋的比例閥等液壓元件，最終實(shí)現(xiàn)壓力與流量的合理匹配。

（3）對(duì)于壓力損失帶來的功率損耗，盡量減少管路連接選用板式集成閥，縮短膠管長(zhǎng)度，增大膠管管徑和采用壓力、流量補(bǔ)償液壓技術(shù)等方法加以解決。

1.2 環(huán)保設(shè)計(jì)

污染是液壓系統(tǒng)的重要危害之一，包含了液壓油污染和噪聲污染。液壓油污染又可分為兩部分： 一是處理故障或更換液壓元件時(shí)，雜質(zhì)進(jìn)入液壓系統(tǒng)后，使液壓元件磨損加劇，內(nèi)泄量增大，發(fā)熱嚴(yán)重，效率降低，進(jìn)而壽命下降，更換頻繁，最后進(jìn)入一個(gè)惡性循環(huán)，使生產(chǎn)成本大大增加。二是液壓油對(duì)掘進(jìn)機(jī)周邊人員和設(shè)備造成的污染。液壓油具有一定的可燃性和腐蝕性，泄漏到系統(tǒng)外后，會(huì)對(duì)井下造成安全隱患，對(duì)工人的健康形成威脅，不利于井下作業(yè)的開展。噪聲污染在掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)最為嚴(yán)重，液壓元件的選用不正確或質(zhì)量不合格，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不合理，組裝質(zhì)量的不過關(guān)，極易產(chǎn)生約110～120 分貝的噪聲。這種噪聲在這種井下狹窄的工作面里聚集、放大，會(huì)對(duì)工人的耳膜、心臟等器官造成嚴(yán)重的生理傷害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工人在110～120 分貝的噪聲下工作30 分鐘就會(huì)產(chǎn)生間歇性聽覺障礙、惡心嘔吐、頭暈?zāi)X脹的生理現(xiàn)象，久而久之會(huì)對(duì)身體造成器質(zhì)性損傷和心理問題[2]。既然液壓系統(tǒng)污染難以避免，環(huán)保設(shè)計(jì)就是為了將污染控制在規(guī)定的、合理的范圍?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面考慮：

（1）液壓系統(tǒng)環(huán)保設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮液壓元件的選用。能選板式連接的閥組就不選管式連接的，盡量多選擇插裝閥、模塊式閥，不僅便于安裝調(diào)試，而且也便于更換，可降低工作介質(zhì)的污染。

（2）盡量選擇多年從事液壓元件生產(chǎn)的供應(yīng)商，因這些供應(yīng)商的設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、加工工藝優(yōu)良，體積小，易于操控，最重要的是質(zhì)量有保障。

（3）為了能夠及時(shí)、有效清除液壓系統(tǒng)中的雜質(zhì)，盡量多設(shè)置各級(jí)精度的過濾器，如此必然會(huì)增加濾芯的損耗，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)，能夠保護(hù)成本相對(duì)昂貴的泵、閥、馬達(dá)等關(guān)鍵液壓元件，對(duì)降低維護(hù)成本有很重要的作用。

（4）對(duì)于如閥塊等外委加工件，要從實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)、安裝空間方面考慮原材料材質(zhì)、尺寸，可以有效降低發(fā)熱帶來的液壓油變質(zhì)。更要考慮加工工藝，使毛刺、鐵屑易于清理。

（5）在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件、覆蓋件時(shí)，既要滿足足夠的強(qiáng)度、美觀，又要考慮必要的液壓膠管保護(hù)措施，以免執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)造成膠管的異常磨損。

（6）在降低噪聲污染方面，液壓系統(tǒng)的主要噪聲來源于高速旋轉(zhuǎn)的泵和傳動(dòng)連接件，在設(shè)計(jì)泵站時(shí)要加裝減震墊，并使用彈性聯(lián)軸節(jié)傳動(dòng)、可以有效減震、降噪。

2 節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)在掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的應(yīng)用[3]

2.1 節(jié)能設(shè)計(jì)在掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）部分掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)屬于定量系統(tǒng)，即由定量泵、普通直動(dòng)閥組等液壓元件組成，具有油箱體積大、結(jié)構(gòu)不緊湊、發(fā)熱量大的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)這種液壓系統(tǒng)時(shí)，假使要求輸出功率為定值，那么就要盡量選用額定壓力高的液壓元件和輔件，最大程度提高系統(tǒng)壓力，這樣輸出流量就會(huì)降低，溢流流量也就會(huì)降低，發(fā)熱量就會(huì)減少；假使要求輸出流量為定值，那么可以提高系統(tǒng)的額定壓力，使液壓系統(tǒng)的輸出功率增大，從而提高系統(tǒng)的效率。

（2）部分掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)采用泵控變量系統(tǒng)，選用具有恒功率控制、壓力切斷控制、負(fù)載敏感控制等多種控制模塊的變量泵作為動(dòng)力源，具有LS 負(fù)載敏感反饋的比例閥作為控制元件，壓力和流量可根據(jù)負(fù)載變化做出最佳調(diào)整，會(huì)使發(fā)熱量降到最低，泄漏、溢流損失降到最少，效率達(dá)到最高。如，掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，隨著液壓系統(tǒng)壓力的增大，變量泵的排量會(huì)降低，供向執(zhí)行元件的流量也會(huì)降低，發(fā)熱量就會(huì)顯著降低；甚至達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的最大壓力時(shí)，泵幾乎不向執(zhí)行元件提供流量，僅有很小的流量?jī)?nèi)泄，此時(shí)的功率損耗最小，見圖1。

圖1 具有恒功率控制、壓力切斷控制和負(fù)載敏感控制的變量泵[3]Fig.1 With the constant power control,cut off pressure variable pump control and load sensing control[3]

2.2 環(huán)保設(shè)計(jì)在掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了能夠有效治理掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)所帶來的污染，環(huán)保設(shè)計(jì)應(yīng)采取 “預(yù)防為前、治理在后、防治結(jié)合” 的思路。即在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初、元件閥塊加工、成品采購檢驗(yàn)、裝配過程質(zhì)量控制等方面采取有效的預(yù)防措施，一旦出現(xiàn)雜質(zhì)進(jìn)入液壓系統(tǒng)、液壓油流入環(huán)境、噪聲等問題，再輔以適當(dāng)?shù)闹卫聿呗院头椒右越鉀Q。

環(huán)保設(shè)計(jì)在控制液壓油污染方面。設(shè)計(jì)時(shí)，在泵與油箱之間設(shè)置精度為20μm 的粗過濾器，保證泵能夠充分吸油的同時(shí)，過濾較大的雜質(zhì)。在泵與控制閥前之間設(shè)置5～10μm 的精過濾器，阻止細(xì)小的雜質(zhì)顆粒損壞執(zhí)行元件。選擇通過顏色變化直觀反映濾芯狀態(tài)的發(fā)訊器為佳，如圖2 所示。

圖2 設(shè)計(jì)之初，過濾器的設(shè)置[3]Fig.2 At the beginning of design, the filter settings[3]

加工閥組、閥塊時(shí)，嚴(yán)控密封件安裝處倒角加工質(zhì)量，可有效防止損壞密封件；清理干凈孔道中毛刺，以免鐵屑帶入液壓系統(tǒng)。

液壓系統(tǒng)組裝之前，每個(gè)液壓元件和輔件都經(jīng)過了外觀檢驗(yàn)、清洗、加灌液壓油，并及時(shí)消除毛刺、纖維、油污等異物，特別注意利用壓縮空氣將膠管中的雜物吹干凈。在組裝過程中，液壓元件的外露接口及時(shí)用金屬堵頭密封或用塑料袋蓋好并扎緊。組裝完成后，調(diào)試前，液壓油通過專門的濾油小車進(jìn)行加注。

液壓系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，通過負(fù)載的變化，仔細(xì)觀察是否漏油、過濾器發(fā)訊器顏色是否變紅、泵的聲音，并記錄溫度變化，保證設(shè)備出廠前的液壓系統(tǒng)無污染。液壓系統(tǒng)調(diào)試過程中如發(fā)現(xiàn)工作介質(zhì)變質(zhì)，打開油箱底部的放油塞，將臟油放掉，補(bǔ)充新油。

在井下使用掘進(jìn)機(jī)時(shí)，由于故障等原因致使大量液壓油泄漏到周邊環(huán)境，對(duì)于廢油，用合適的容器收集起來后，集中處理；對(duì)于加注的新油，必須與系統(tǒng)中的原油型號(hào)一致。

2.3 環(huán)保設(shè)計(jì)在控制液壓系統(tǒng)噪聲方面

液壓系統(tǒng)的噪聲有兩種： 機(jī)械噪聲和流體噪聲。

（1）對(duì)于機(jī)械噪聲。掘進(jìn)機(jī)泵站電機(jī)和變量泵之間采用彈性聯(lián)軸節(jié)進(jìn)行軟連接，既能滿足煤礦防爆要求，又能有效降低噪聲。泵站電機(jī)和泵的轉(zhuǎn)速都較高，電機(jī)存在低頻電流聲、泵能產(chǎn)生80 分貝以上的高頻聲響，在護(hù)板內(nèi)側(cè)加裝玻璃絲材質(zhì)的降噪片，便可有效降低噪聲。掘進(jìn)機(jī)經(jīng)常承受變化的負(fù)載，在泵站電機(jī)和操作臺(tái)的底部加裝減震墊，可以有效的吸收震動(dòng)、降低噪聲，見圖3 和圖4。

圖3 泵站處的環(huán)保設(shè)計(jì)[3]Fig.3 Environmental protection design of pump station[3]

（2）對(duì)于流體噪聲。這種噪聲主要是由于壓力和流速的快速變化產(chǎn)生的。以泵為例，吸油和壓油過程中，周期性的壓力和流量變化會(huì)形成壓力脈動(dòng)，在系統(tǒng)中會(huì)引起液壓振動(dòng)，并經(jīng)出油口傳播至整個(gè)液壓系統(tǒng)，同時(shí)，閥、馬 達(dá)，油 缸、管路等液壓元件反射一部分液壓脈動(dòng)，如此反復(fù)交織便產(chǎn)生波動(dòng)，與泵發(fā)生共振，產(chǎn)生噪聲。因此，掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)動(dòng)力源采用進(jìn)口柱塞變量泵，能使壓力脈動(dòng)降至最低；選擇既能滿足流量要求、又能便于合理布置的管徑較粗的膠管，能吸收設(shè)備工作時(shí)的機(jī)械震動(dòng)和液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)。泵的吸油口設(shè)置距油箱底部200～400mm 處，能有效防止泵吸入空氣或箱底雜質(zhì)。

圖4 操作臺(tái)處的環(huán)保設(shè)計(jì)[3]Fig.4 Environmental protection design of operation platform[3]

3 結(jié)束語

綜上所述，節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)在掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)中已得到較為廣泛、深入的應(yīng)用。節(jié)能和環(huán)保是相輔相成的，相互促進(jìn)的。在節(jié)能設(shè)計(jì)方面，提升掘進(jìn)機(jī)整機(jī)性能同時(shí)，液壓系統(tǒng)的效率也得到大幅提高，這種變量系統(tǒng)較之定量系統(tǒng)，效率提高近30%。而且，元件有著很強(qiáng)的抗污染能力、低噪聲輸出能力。在環(huán)保設(shè)計(jì)方面，液壓系統(tǒng)的維護(hù)工作量和噪聲危害顯著降低，關(guān)鍵液壓元件和輔件的更換率降低了約50%，液壓油消耗降低了約40%，噪聲能夠控制在80 分貝以下，有效降低了對(duì)井下工人身心健康的危害。這種低損耗、低污染的節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)，取得了突出的經(jīng)濟(jì)效益，預(yù)計(jì)每年能夠節(jié)約生產(chǎn)成本約25%，而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益提高了約20%。

[1] 雷天覺.液壓工程手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990

[2] 何存興，張鐵華.液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)[M].武昌：華中科技大學(xué)出版社，2000.

[3] 張成剛.綠色環(huán)保設(shè)計(jì)原則在掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].黑龍江：煤礦機(jī)械，2011，2.