張選奎
(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司雙柳煤礦, 山西 呂梁 033300)
采煤機(jī)作為煤礦綜采三機(jī)配套中最重要的設(shè)備之一,肩負(fù)著采煤和落煤的任務(wù),隨著煤炭開(kāi)采深度的不斷增加,煤炭開(kāi)采的難度不斷加大,大傾角的煤層不斷涌現(xiàn),當(dāng)采煤機(jī)在大傾角的巷道內(nèi)開(kāi)采時(shí)一旦其制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障,導(dǎo)致采煤機(jī)沿著傾斜的巷道下滑,輕則導(dǎo)致設(shè)備的損壞,重則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡事故,造成惡劣的社會(huì)影響[1],因此采煤機(jī)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)確保煤礦的安全生產(chǎn)具有十分重大的意義。采用AMESim仿真分析軟件對(duì)采煤機(jī)液壓系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行仿真分析,對(duì)影響液壓制動(dòng)系統(tǒng)的各參數(shù)進(jìn)行分析,對(duì)優(yōu)化采煤機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)具有十分重要的意義。
以某采煤機(jī)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)為分析對(duì)象,其液壓系統(tǒng)的組成如圖1所示。可知采煤機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)中,采煤機(jī)的制動(dòng)裝置設(shè)置在牽引電機(jī)軸的端部,采煤機(jī)在工作過(guò)程中如果遇到故障或者忽然停電等事故時(shí),控制系統(tǒng)會(huì)給電磁閥一個(gè)信號(hào),控制電磁閥斷電,使制動(dòng)裝置內(nèi)的液壓油和油箱連通,儲(chǔ)存在制動(dòng)裝置內(nèi)的高壓油液迅速流回油箱內(nèi),使制動(dòng)裝置在碟簧的作用下壓緊摩擦片,產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)的力矩,從而控制采煤機(jī)的下滑[2]。當(dāng)采煤機(jī)的故障排除后,啟動(dòng)液壓系統(tǒng),向制動(dòng)裝置的油箱內(nèi)供油,使制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)盤的碟簧壓縮,使摩擦片和采煤機(jī)脫離,控制采煤機(jī)向前運(yùn)行。
采煤機(jī)在大傾角巷道內(nèi)下滑時(shí)的受力如圖2所示。
由圖2可知,要制止采煤機(jī)的下滑,所需要的最小制動(dòng)力F可表示為:
圖1 采煤機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理圖
圖2 采煤機(jī)下滑時(shí)的受力簡(jiǎn)圖
式中:F為采煤機(jī)所需的制動(dòng)力;f1為采煤機(jī)的下滑力;f2為輸送機(jī)和采煤機(jī)間的摩擦力;μ為輸送機(jī)和采煤機(jī)間的摩擦系數(shù),取0.18;θ為巷道傾斜角,取30°。
該采煤機(jī)的質(zhì)量為110 t,計(jì)算可得,要制止其下滑,所需的最小制動(dòng)力需達(dá)到363.1 kN以上。
在制動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行制動(dòng)動(dòng)作時(shí),其制動(dòng)盤上的制動(dòng)扭矩Tz可表示為[3]:
式中:T1為制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)扭矩,900 N·m;i為傳動(dòng)比,250.29;φ為制動(dòng)時(shí)的傳動(dòng)效率,0.876.
液壓系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)的總的制動(dòng)力FZ可表示為:
式中:r為制動(dòng)輪半徑,260 mm。
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得FZ=1517.91 kN。
由此可得采煤機(jī)在制動(dòng)情況下的安全系數(shù)SZ為:
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得SZ=4.2。
假設(shè)采煤機(jī)在傾斜度為30°的傾斜巷道內(nèi)工作時(shí),由以上分析可知,采煤機(jī)在下滑時(shí)的制動(dòng)加速度a可表示為:
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得a=10.99 m/s2。
采煤機(jī)在下滑力作用下的加速的可表示為:
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得t2=0.3 s。
當(dāng)采煤機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí),采煤機(jī)的下滑時(shí)間可以表示為:
式中:V為制動(dòng)器油箱內(nèi)液壓油的體積,取120 mL;Q為制動(dòng)時(shí)的排液流量,取400 mL;
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得a1=3.45 m/s2。
在制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)器的排液時(shí)間t2可表示為:
式中:V0為采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)的最大速度,取0.83 m/s。
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得t1=0.17 s。
由此可計(jì)算出采煤機(jī)制動(dòng)時(shí)所需的時(shí)間t=t1+t2=0.2 s。
在建立液壓制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型時(shí),各液壓制動(dòng)系統(tǒng)元器件的參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)的仿真參數(shù)
利用AMESim仿真軟件建立采煤機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析模型,如圖3所示。
管路是連接液壓系統(tǒng)各組成元器件的通道,是供液壓油在系統(tǒng)中流動(dòng)的血管,不同的管路直徑在工作中對(duì)液壓油的液阻不一樣,因此為了研究管路的直徑對(duì)液壓系統(tǒng)工作特性的影響,利用AMESim仿真分析軟件,在保持其他仿真參數(shù)不變的情況下,分別對(duì)管路直徑為8 mm、15 mm、25 mm、35 mm時(shí)的液壓系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行仿真分析[4]。結(jié)果如圖4所示,當(dāng)管徑為15~35 mm時(shí),其在執(zhí)行制動(dòng)動(dòng)作時(shí),管路內(nèi)油液的壓力下降為0的時(shí)間隨著管徑的增加而增加,即液壓系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)間會(huì)隨著液壓系統(tǒng)中管路直徑的增加而增大,在管路直徑為8 mm時(shí)液壓系統(tǒng)壓降為0時(shí)的時(shí)間最長(zhǎng),這是因?yàn)樵诠苈分睆竭^(guò)小時(shí),其內(nèi)部油液在流動(dòng)過(guò)程中所受的液阻增加,導(dǎo)致油液流動(dòng)速度降低導(dǎo)致的,由此可知,管路直徑對(duì)液壓系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間有巨大的影響,為了確保系統(tǒng)具有較高的制動(dòng)響應(yīng)速度,需要合理的選擇管路的直徑。
圖3 采煤機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型
圖4 不同管路直徑下液壓缸制動(dòng)壓力曲線
為了驗(yàn)證管路的長(zhǎng)度對(duì)液壓系統(tǒng)工作特性的影響,利用AMESim仿真分析軟件,在保持其他仿真參數(shù)不變的情況下,分別對(duì)管路長(zhǎng)度為1 m、2 m、4 m、8 m時(shí)的液壓系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真分析[5]。結(jié)果如圖5所示,隨著管路連接長(zhǎng)度的增加,液壓制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)所需要的時(shí)間就越長(zhǎng),特別是當(dāng)管路長(zhǎng)度為4 m時(shí),其制動(dòng)時(shí)間約為0.29 s,當(dāng)管路長(zhǎng)度為8 m時(shí),其制動(dòng)時(shí)間為0.5 s,已經(jīng)超過(guò)了煤礦安全規(guī)程規(guī)定的0.3 s的極限,因此該液壓制動(dòng)系統(tǒng)在選擇管路長(zhǎng)度是需要確保管路長(zhǎng)度在4 m以內(nèi),由此可知,管路長(zhǎng)度對(duì)液壓系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間有巨大的影響,為了確保系統(tǒng)具有較高的制動(dòng)響應(yīng)速度,需要合理的選擇管路的長(zhǎng)度。
圖5 不同管路長(zhǎng)度下液壓缸活塞桿位移曲線
采煤機(jī)液壓系統(tǒng)的管路長(zhǎng)度和直徑對(duì)采煤機(jī)液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和制動(dòng)時(shí)的響應(yīng)速度具有重要的影響,合理地選擇管路的直徑和長(zhǎng)度能夠極大地提高液壓制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性,對(duì)確保采煤機(jī)的正常工作具有十分重要的意義。