王新軍

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 古交 030203）

引言

采煤機是廣泛應(yīng)用于煤炭綜采面的用于割煤和落煤的集機、電、液于一體的大型機械化設(shè)備，在確保煤礦生產(chǎn)企業(yè)的綜采效率和生產(chǎn)安全中均扮演著極其重要的作用。隨著煤炭綜采技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的大傾角煤層開始不斷投入開采，因井下地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道傾角大，造成采煤機在綜采過程中極易發(fā)生下滑等事故，不但嚴重影響了綜采面的生產(chǎn)效率而且嚴重威脅著巷道內(nèi)作業(yè)的工作人員的人身安全，特別是在對采煤機進行制動時，采煤機因制動系統(tǒng)動作滯后造成的短時制動失效引起的采煤機下滑更是頻繁出現(xiàn)在井下綜采區(qū)域[1]。

采煤機的制動，主要是依靠液壓系統(tǒng)對制動器發(fā)出制動信號，利用液壓泵站提供的高壓油液配合機械制動結(jié)構(gòu)完成對采煤機的制動，因此液壓系統(tǒng)對制動發(fā)出信號的及時性和高壓油液到達機械制動機構(gòu)的時間就直接關(guān)系到了采煤機制動的及時性。因此本文提出了一種新的液壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，首次將蓄能器應(yīng)用于采煤機的液壓制動系統(tǒng)，用于為液壓制動系統(tǒng)的改造提供一定的理論依據(jù)，提高采煤機制動的靈敏性及可靠性。

1 采煤機液壓系統(tǒng)的組成及工作原理

新型的采煤機液壓制動系統(tǒng)如圖1所示。采煤機的制動器位于牽引電機輸出軸的端部，在工作中當(dāng)出現(xiàn)停電或者其他故障導(dǎo)致采煤機下滑時，液壓系統(tǒng)的電磁換向閥得到換向信號，控制蓄能器與制動器的管路相連通，蓄能器內(nèi)的高壓油液通過管路進入到制動器內(nèi)，推動制動器閉合，使制動器的摩擦機構(gòu)和制動機構(gòu)產(chǎn)生擠壓摩擦，對制動片產(chǎn)生一個摩擦力，使采煤機逐漸實現(xiàn)可靠制動[2]。當(dāng)采煤機需要移動時，液壓系統(tǒng)控制電磁換向閥打開，使制動器內(nèi)的高壓油液流回油箱內(nèi)，同時通過管路為蓄能器補充高壓油液，為下次制動做好準備。

圖1 液壓制動系統(tǒng)液壓原理圖

2 蓄能器數(shù)學(xué)模型的建立

該液壓系統(tǒng)所采用的蓄能器為囊式蓄能器，其數(shù)學(xué)模型可表示為[3]：

式中：Pi為蓄能器進油腔內(nèi)的壓力；P0為蓄能器的預(yù)充氣壓力；ce為預(yù)充氣體的阻尼系數(shù)；A0為蓄能器的截面積；ke為預(yù)充氣體的剛度系數(shù)；V0為蓄能器的充氣體積。

假設(shè)油液彈性模量為零，則蓄能器在進油腔處的受力方程可以表示為[4]：

式中：Be為油液的等效黏性系數(shù)；P1為蓄能器進口閥芯處的壓力；me為進入蓄能器的油液的等效質(zhì)量；An為蓄能器進油口閥芯處的截面積。

聯(lián)立（1）、（2）可得：

3 采煤機液壓制動系統(tǒng)的仿真分析

利用AMESim仿真分析軟件建立采煤機液壓制動系統(tǒng)的仿真分析模型[5]，如圖2所示。

圖2 液壓制動系統(tǒng)液仿真分析模型

因在系統(tǒng)內(nèi)加入了蓄能器，將蓄能器作為控制制動器進行制動的動力源，用于確保在收到制動信號后的最短時間內(nèi)完成系統(tǒng)制動，確保采煤機制動的可靠性。當(dāng)蓄能器在執(zhí)行制動工作時內(nèi)部的壓力會迅速降低，為確保制動時能對制動器形成足夠的制動壓力，需確保制動器接觸到制動盤后仍需要在蓄能器內(nèi)保持一定的高壓油液，因此需對蓄能器的預(yù)充氣壓力進行合理的設(shè)置，根據(jù)系統(tǒng)所使用的制動器結(jié)構(gòu)，計算出若完全制動所需的液壓油應(yīng)為45 000 mL，因此在實際使用中，蓄能器選擇應(yīng)大于45 000 mL。

利用AMEsim流體仿真分析軟件，對蓄能器在不同預(yù)充氣壓力下的液壓制動系統(tǒng)的制動情況進行仿真分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由仿真分析可知，當(dāng)蓄能器中的預(yù)充氣壓力為7 MPa（70 bar）的情況下，制動器制動盤的運行速度及油腔內(nèi)的壓力沖擊瞬間就降低到了零狀態(tài)，這是由于蓄能器的預(yù)充氣壓力和額定工作壓力的壓差較小，導(dǎo)致充入蓄能器內(nèi)的油液極少，油液量難以滿足制動時制動盤內(nèi)油缸的需求。

當(dāng)蓄能器的預(yù)充氣壓由6 MPa（60 bar）逐漸降低到3 MPa（30 bar）時，制動機構(gòu)的制動速度會隨著壓力的降低逐漸地減緩，當(dāng)蓄能器預(yù)充氣壓力為3 MPa（30 bar）時，其制動時間已經(jīng)超過了 0.5 s，無法滿足快速制動的要求，蓄能器在4 MPa（40 bar）情況下的制動時間約為0.487 s，在5 MPa（50 bar）情況下的制動時間約為0.474 s，在6 MPa（60 bar）情況下的制動時間約為0.464 s。但由圖4可知，液壓制動系統(tǒng)制動時制動機構(gòu)的沖擊振動會隨著蓄能器預(yù)充氣壓力的升高而逐漸降低，當(dāng)蓄能器預(yù)充氣壓力為6 MPa（60 bar）時的沖擊振動特性最小，因此可知當(dāng)蓄能器的預(yù)充氣壓力設(shè)置為6 MPa（60 bar）時既能滿足采煤機快速制動的要求，又能降低在制動時系統(tǒng)的振動、沖擊，能大幅提高采煤機制動系統(tǒng)的使用壽命。

圖3 蓄能器預(yù)充氣壓力不同時制動盤的速度曲線

圖4 蓄能器預(yù)充氣壓力不同時制動油缸的壓力曲線

4 結(jié)論

本文提出的這種新的采煤機液壓制動系統(tǒng)，以蓄能器作為主要的制動動力源，能夠大幅提高采煤機制動時的響應(yīng)速度，當(dāng)蓄能器的預(yù)充氣壓力設(shè)置為6 MPa（60 bar）時既能滿足采煤機快速制動的要求，又能降低在制動時系統(tǒng)的振動、沖擊，能大幅提高采煤機制動系統(tǒng)的使用壽命。