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(1. 江蘇師范大學機電工程學院, 江蘇徐州 221116； 2. 中國礦業(yè)大學機電工程學院, 江蘇徐州 221008)

引言

煤倉安裝于煤礦井下，是原煤采出后臨時儲藏和轉(zhuǎn)運的重要裝置。然而，由于受煤炭開采工藝的影響，原煤采出后自身會攜帶一定含量的水分，隨著含水原煤對煤倉的不斷輸入與輸出，會使得原煤在煤倉壁上形成一層粘結(jié)物，稱之為粘煤。粘煤的積累會使煤倉壁表面粗糙不平，并使原煤在煤倉中的運輸嚴重受限。這種缺陷制約了井下原煤的運輸，使生產(chǎn)效率嚴重降低。為保證生產(chǎn)過程的不間斷，需要經(jīng)常性地對煤倉進行清理[1-2]。

由于機械化和自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的人工清理煤倉方式顯然難以滿足大型煤礦的生產(chǎn)需要。

近年來，隨著液壓技術(shù)在煤礦產(chǎn)業(yè)中的運用，人們對于液壓設(shè)備工作的可靠性也愈發(fā)認同。因此，本研究設(shè)計了一種中心回轉(zhuǎn)式全液壓清倉機，并對其液壓系統(tǒng)進行了仿真分析與研究，旨在實現(xiàn)礦用清倉設(shè)備的智能化和自動化，為礦井安全建設(shè)的進一步發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

1 中心回轉(zhuǎn)式清倉機結(jié)構(gòu)原理

本研究旨在解決直徑為5 m、高度為40 m的立筒式煤倉積煤清理的問題。通過對井下設(shè)備布置情況、巷道設(shè)置情況的考察，發(fā)現(xiàn)煤倉口位置的空間較為局促，不利于大型設(shè)備的安裝，因此擬采用結(jié)構(gòu)相對緊湊的液壓驅(qū)動作為動力源。

針對割煤的問題，本研究借鑒滾筒式煤機的割煤方法，使用截錐體形式的截割頭進行銑削落煤。通過參照傳統(tǒng)的滾筒式采煤機工作原理，擬在工作臂末端設(shè)置1個截割頭，該截割頭前端均勻布置了成45°角的3排切割頭，以滿足切煤要求；同時，本研究擬設(shè)計一回轉(zhuǎn)機構(gòu)，用于驅(qū)動工作臂沿煤倉軸向旋轉(zhuǎn)，該回轉(zhuǎn)力用于克服截割頭回轉(zhuǎn)割煤時的阻力；清倉機工作時，需要由一套提升設(shè)備下放至工作位置，為了盡量減少配套設(shè)備數(shù)量，擬采用液壓絞車提升下放；液壓泵站則放置在煤倉倉口，供工人操作。

圖1為所設(shè)計的中心回轉(zhuǎn)式液壓清倉機具體結(jié)構(gòu)。

1.工作臂 2.支撐臂 3.懸吊機構(gòu) 4.回轉(zhuǎn)機構(gòu) 5.主機架 6.配重裝置 圖1 中心回轉(zhuǎn)式液壓清倉機

(1) 工作臂，工作臂作為清倉機重要的執(zhí)行機構(gòu)，承擔著最主要的切割煤任務(wù)；2個工作臂對稱布置，并由回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動；在割煤過程中，工作油缸緩慢進給，在保證割煤效率的同時，避免由于進給量過大，造成清倉機超負荷工作的情況；工作臂回轉(zhuǎn)環(huán)繞式的割煤方式，不存在工作死角，運行穩(wěn)定、效率高；

(2) 支撐臂，本研究所設(shè)計的支撐臂并不需要提供足以撐起整個清倉機的摩擦力，因為承重的任務(wù)主要由鋼絲繩承擔，支撐機構(gòu)只是防止因整機重心偏離而產(chǎn)生的傾覆現(xiàn)象；其主要工作機構(gòu)為3個沿煤倉徑向均布的支撐油缸；摩擦力由支撐油缸與煤倉壁接觸表面提供；

(3) 回轉(zhuǎn)機構(gòu)，回轉(zhuǎn)機構(gòu)可繞煤倉軸向轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝有液壓馬達，為了達到合理的轉(zhuǎn)速，同時避免馬達承受徑向力和軸向力，故采用一對開式齒輪進行傳動；

(4) 主機架，主機架由上下兩層安裝盤所組成，為保證主機架的強度，主機架上多處設(shè)有筋板；安裝盤上設(shè)置可供起吊使用的吊環(huán)盤，與液壓絞車的鋼絲繩相連接；

(5) 配重裝置，由于液壓馬達處于整機單側(cè)，為與之相平衡，故設(shè)有配重裝置，避免因重心偏移導致整機傾覆。

2 液壓系統(tǒng)的工作原理

本研究設(shè)計的清倉機采用單泵開式循環(huán)系統(tǒng)，滿足截割參數(shù)、回轉(zhuǎn)參數(shù)、支撐參數(shù)和提升參數(shù)的要求，其中單泵的結(jié)構(gòu)形式為定量泵，供油工作油缸、支撐油缸、回轉(zhuǎn)馬達和液壓絞車4個執(zhí)行機構(gòu)。這4個機構(gòu)分別實現(xiàn)割煤、旋轉(zhuǎn)、支撐、提升的功能，調(diào)速方式為進油節(jié)流調(diào)速，圖2為具體液壓原理圖。

1.液壓泵站 2.調(diào)速裝置 3.三位四通換向閥 4.液壓絞車 5.回轉(zhuǎn)馬達 6.液壓鎖 7.工作油缸8.支撐油缸 9.分流集流閥圖2 中心回轉(zhuǎn)式清倉機液壓系統(tǒng)原理圖

(1) 液壓泵站，該泵站安裝在煤倉口位置，包含有礦用防爆電機、定量泵、溢流閥、二位二通手動換向閥、過濾器和油箱。

其中，定量泵的結(jié)構(gòu)形式為齒輪泵，具有抗污染能力強，故障率低的特點，適于井下使用；液壓泵站的定量泵出口壓力的穩(wěn)定由溢流閥控制。

(2) 調(diào)速裝置，其中工作油缸和支撐油缸速度的控制是由單向節(jié)流閥來調(diào)節(jié)的，它由1個節(jié)流閥和單向閥組成；另外2個馬達的回轉(zhuǎn)速度，是通過調(diào)速閥進行調(diào)節(jié)的。

(3) 手動換向閥，本研究所使用的是三位四通換向閥，4個換向閥具有2個中位機能：O形和M形。其中，O形中位機能的特點是換向閥在中位時具備保壓功能，M形中位機能的特點是當換向閥處于中位時，系統(tǒng)可以直接卸載。

(4) 液壓絞車，內(nèi)含1組制動裝置，當換向閥處于右位時，制動油缸內(nèi)的彈簧推出活塞桿將液壓絞車制動；當換向閥處于左位時，梭閥選取兩側(cè)油路中的高壓，推動活塞桿縮回，液壓絞車開始工作；當換向閥處于中位時，系統(tǒng)直接卸載，馬達不工作。

(5) 回轉(zhuǎn)馬達，回轉(zhuǎn)馬達內(nèi)設(shè)有雙向溢流閥，以減少在啟動和制動時產(chǎn)生的沖擊，實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的保護。

(6) 液壓鎖，液壓鎖由2個液控單向閥組成，當換向閥位于中間時，實現(xiàn)支撐回路、變幅回路中油路鎖緊進行保壓的功能。

(7) 工作油缸，推送截割頭到煤倉積煤位置，進行回轉(zhuǎn)割煤的工作。

(8) 支撐油缸，主要為了防止清倉機重量分布不均而產(chǎn)生的傾覆，中部法蘭連接安裝支撐頭，以加大與煤倉壁的摩擦系數(shù)。

(9) 分流集流閥，目的是保證在回路的工作過程中，支撐油缸中3個油缸速度一致，以及工作油缸中2個油缸的速度一致，進而使清倉機處于煤倉中心位置，提高工作效率。

3 仿真分析

3.1 回轉(zhuǎn)回路

回轉(zhuǎn)回路是清倉機液壓系統(tǒng)中重要的工作回路，它需要提供給工作機構(gòu)回轉(zhuǎn)割煤時所需的壓力和流量，滿足其轉(zhuǎn)速和輸出扭矩的要求[3-5]。本研究所設(shè)計的回轉(zhuǎn)回路是典型的定量泵-定量馬達系統(tǒng)，采用進油節(jié)流調(diào)速的方式對回轉(zhuǎn)馬達進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。通過對該回路進行動態(tài)分析，可較為直觀地得出回轉(zhuǎn)馬達的轉(zhuǎn)速、壓力、流量等參數(shù)的變化[6-8]。

通過液壓元件子模型庫可構(gòu)建出回轉(zhuǎn)回路進油節(jié)流調(diào)速仿真模型，如圖3所示。表1是仿真回路中各元件參數(shù)的設(shè)置。

圖3 回轉(zhuǎn)回路仿真模型

液壓元件子模型參數(shù)設(shè)置參數(shù)值泵PU001泵排量/mL·r-120.1泵額定轉(zhuǎn)速/r·min-11480馬達MO001馬達排量/mL·r-1664馬達額定轉(zhuǎn)速/r·min-1600負載轉(zhuǎn)矩FR1R000庫侖摩擦轉(zhuǎn)矩/N·m1200轉(zhuǎn)動慣量RL02轉(zhuǎn)動慣量/kg·m21.25溢流閥RV00安全閥開啟壓力/MPa16

具體仿真工況設(shè)置為：其中節(jié)流閥通徑規(guī)格為10 mm，仿真時間設(shè)置為15 s，仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。前5 s，換向閥處于中位，回轉(zhuǎn)馬達靜止，此時負載轉(zhuǎn)矩設(shè)定為0；后10 s，換向閥處改變到右位，回轉(zhuǎn)馬達開始轉(zhuǎn)動，負載轉(zhuǎn)矩設(shè)定為1200 N·m。最終可得到以下仿真結(jié)果。

圖4 回轉(zhuǎn)馬達壓力變化曲線

圖5 回轉(zhuǎn)馬達流量變化曲線

圖6 回轉(zhuǎn)馬達轉(zhuǎn)速變化曲線

由仿真結(jié)果可以看出，在仿真過程中，負載轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)出一種階躍性的變化，用于模擬截割頭與積煤接觸瞬間的負載變化；由圖4可以看出，回轉(zhuǎn)馬達的輸入壓力為11.4 MPa；從圖5中可以看出，通過設(shè)定節(jié)流閥合理的開口量，使得回轉(zhuǎn)馬達在換向瞬間，輸入流量提升至26.6 L/min，而后趨于穩(wěn)定；由圖6可知，馬達最終的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為40 r/min。以上結(jié)果符合設(shè)計要求。

圖7 支撐回路仿真模型

3.2 支撐回路

中心回轉(zhuǎn)式清倉機在開始工作時，為使其處于在煤倉中間，必須確保支撐回路中的3個支撐油缸的工作狀態(tài)一致。圖7為搭建支撐回路仿真模型，支撐回路中各元件仿真參數(shù)的設(shè)置如表2所示。

表2 支撐回路仿真模型參數(shù)設(shè)置

具體仿真工況設(shè)置為：設(shè)置仿真時間為60 s，設(shè)置控制安全閥的壓力為16 MPa。煤倉內(nèi)部的直徑會因積煤而經(jīng)常發(fā)生變化，且本研究針對支撐回路的仿真主要是為了校驗其同步性能，因此0～60 s負載轉(zhuǎn)矩設(shè)定為0不變，使油缸自由運動至其極限位置。圖8、圖9為3個支撐油缸的進口壓力變化曲線及流量變化曲線。

圖8 支撐油缸壓力變化曲線

圖9 支撐油缸流量變化曲線

分析圖8和圖9知，3個油缸的壓力、流量曲線數(shù)據(jù)保持一致，說明中心回轉(zhuǎn)式清倉機的支撐油缸在工作時同步率較高，能夠符合中心回轉(zhuǎn)式清倉對支撐油缸同步性的要求。

3.3 工作油缸回路

通過液壓元件子模型庫構(gòu)建的工作油缸回路仿真模型如圖10所示。工作油缸回路中各元件仿真參數(shù)的設(shè)置如表3所示。

圖10 工作油缸回路仿真模型

液壓元件子模型參數(shù)設(shè)置參數(shù)值泵PU001泵排量/mL·r-120.1泵額定轉(zhuǎn)速/r·min-11480油缸HJ020活塞直徑/mm90活塞桿直徑/mm63活塞行程/m1.08液控閥CV005單向閥開啟壓力/MPa0.3節(jié)流閥OR0000-1節(jié)流口直徑/mm3溢流閥RV00安全閥開啟壓力/MPa16

具體仿真工況設(shè)置為：其中節(jié)流閥通徑規(guī)格為10 mm，將仿真時間設(shè)置為20 s。0～15 s間，換向閥處于右位，負載設(shè)置為0，模擬工作油缸自由伸出，未接觸到煤倉積煤的工況；15～20 s間，換向閥保持右位不變，模擬工作油缸末端的工作頭接觸到煤倉積煤，并繼續(xù)進給搗松積煤時的工況，負載設(shè)定為60 kN。通過合理設(shè)置節(jié)流閥的開口量，使進入兩工作油缸的流量符合設(shè)計要求，仿真結(jié)果如圖11～圖13所示。

圖11 工作油缸壓力變化曲線

圖12 工作油缸流量變化曲線

圖13 工作油缸速度變化曲線

從仿真結(jié)果可以看出，由于兩工作油缸的負載相同，因此輸入壓力均為9.5 MPa，符合設(shè)計要求；從圖12中可以看出，通過進油節(jié)流調(diào)速，最終進入兩工作油缸的流量均為9.97 L/min，在工作油缸末端的截割頭接觸到積煤的瞬間，流量曲線出現(xiàn)短時間振蕩，但最后趨于平穩(wěn)，仿真結(jié)果合理；分析圖13，可知工作油缸回路中這2個工作油缸的活塞運動速度為-0.025 m/s。之所以會出現(xiàn)負值，是因為與系統(tǒng)默認方向相反，活塞實際運動速度為0.025 m/s，仿真結(jié)果亦符合預(yù)期設(shè)計要求。

4 結(jié)論

(1) 對于回轉(zhuǎn)回路，進行了調(diào)速特性仿真分析，得出采用進油節(jié)流調(diào)速方式具有速度調(diào)節(jié)范圍廣和壓力波動小的優(yōu)點；

(2) 對于支撐回路，通過仿真分析得出采用分流集流閥的仿真回路，3個支撐油缸壓力和流量始終保持一致，進而論證了該回路滿足同步動作的實際工況；

(3) 對于截割回路，通過仿真分析可以得出系統(tǒng)壓力波動小，截割馬達回轉(zhuǎn)平穩(wěn)的結(jié)論。

通過對以上3個基本回路的仿真分析，可以對本設(shè)計中心回轉(zhuǎn)式清倉機液壓系統(tǒng)進行較好的性能評估，以便優(yōu)化系統(tǒng)，實現(xiàn)清倉機整機與實際工況更好地匹配。