(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院， 山東 青島 266590)

引言

隨著煤礦開采效率的提升,煤礦對(duì)液壓系統(tǒng)使用乳化液的精度要求不斷提高[1]。乳化液在煤礦工作面液壓系統(tǒng)工作，將會(huì)不可避免地被污染物污染，乳化液中的污染物會(huì)顯著降低液壓系統(tǒng)的可靠性，損害元件壽命。乳化液中所混雜的顆粒污染物，會(huì)致使閥芯卡死、液壓件磨損、節(jié)流縫隙和各種小截面油道堵塞等事故[2]。在煤礦井下工作面液壓系統(tǒng)中，乳化液不能達(dá)到所需精度要求，是導(dǎo)致液壓系統(tǒng)發(fā)生各種故障的重要原因，也是多年來困擾綜采工作面難以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的技術(shù)問題[3]。因此，在綜采設(shè)備的液壓系統(tǒng)中必須保證乳化液有足夠的清潔度，從工作面流回的乳化液必須經(jīng)過過濾才可返回泵站油箱。

1 過濾站液壓系統(tǒng)與本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品主要用于煤礦井下液壓系統(tǒng)，對(duì)工作面回液進(jìn)行過濾，來保證流回泵站的乳化液的清潔度。設(shè)定系統(tǒng)的公稱流量為3000 L/min，額定壓力為25 MPa，過濾精度25 μm。對(duì)自動(dòng)反沖洗回液過濾站的設(shè)計(jì)首先是設(shè)計(jì)其液壓系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)圖、設(shè)計(jì)濾芯及過濾器、各類液壓閥的選型設(shè)計(jì)和管路集成設(shè)計(jì)[4]。由于所設(shè)計(jì)的過濾系統(tǒng)需滿足工作面回液需求，因此設(shè)計(jì)的通流量較大，所以采用3組完全相同的單元體來實(shí)現(xiàn)降低通流要求的目的[5]。每個(gè)單元體相對(duì)獨(dú)立且結(jié)構(gòu)完全一致，其通流量為1000 L/min。

現(xiàn)如今市面上主流反沖洗過濾站的設(shè)計(jì)通常采用將過濾后的乳化液作為反沖洗液，來對(duì)濾芯及過濾器進(jìn)行反沖洗，但由于煤礦工作面液壓系統(tǒng)的回液壓力較小，回液過濾站通過改變自身液路實(shí)現(xiàn)反沖洗的效果并不好，因此將過濾后的工作液作為反沖洗液的實(shí)現(xiàn)思路在本回液過濾系統(tǒng)并不可行[6]。故本液壓系統(tǒng)通過引入高壓純凈水作為反沖洗液，通過控制主閥流向來實(shí)現(xiàn)正常過濾和反沖洗兩種需求[7]。

反沖洗回液過濾系統(tǒng)主要由插裝主閥、排污閥、溢流閥以及過濾器組等組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用一用一備方案，即1個(gè)過濾器組用于工作，另1個(gè)過濾器組處于備用狀態(tài)。如圖1所示為單組過濾系統(tǒng)原理圖，圖2所示為總過濾系統(tǒng)原理圖。其中流入A口的為待過濾的工作液，過濾后的工作液由B口流回液箱，流入C口的為用于反沖洗的高壓純水。系統(tǒng)的工作原理是：在過濾站正常過濾即電磁控制閥處于左位，此時(shí)2個(gè)液控主閥2、4上位接通，工作液從A口進(jìn)入過濾站后流經(jīng)液控主閥2后到達(dá)濾芯進(jìn)行過濾，過濾后的液體由B口流出。此時(shí)，下路過濾器組處于備用狀態(tài)，各閥組及管路通道處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)電磁先導(dǎo)閥收到反沖洗信號(hào)后，此時(shí)控制2個(gè)液控主閥下位接通，反沖洗液從C口流入，流經(jīng)液控主閥后反向沖洗濾芯，清洗濾芯后的液體隨即通過排污閥流出。在反沖洗的過程中備用過濾器組進(jìn)行過濾工作。此時(shí)過濾系統(tǒng)則具備正常過濾和反向沖洗兩項(xiàng)功能[8]。

圖1 單組液壓系統(tǒng)原理圖

圖2 總液壓系統(tǒng)原理圖

本研究所設(shè)計(jì)的反沖洗回液過濾系統(tǒng)組成部分主要包括濾筒濾芯、各類液壓閥、進(jìn)出液和反沖洗液管口以及各類管路。核心建模主要是對(duì)濾筒濾芯以及主閥的建模，其他組件可根據(jù)核心部件的接口進(jìn)行配套設(shè)計(jì)建模[9]。本研究利用ProE三維模型開發(fā)軟件，建立了過濾系統(tǒng)的總裝及各組件模型。前面已經(jīng)提及，設(shè)計(jì)采用3組完全相同的單元體來實(shí)現(xiàn)降低通流要求的目的，其中一組單元體剖面圖如圖3所示，其中1.1為工作液進(jìn)口、1.4為工作液出口；1.2為反沖洗液入口、1.6為反沖洗液出口、1.5為與反沖洗液出口相連的排污閥；1.9為液控主閥，1.8為工作液進(jìn)入濾芯的管路，而1.7為過濾后的工作液流出的管路。

圖3 單組單元體三維結(jié)構(gòu)剖面圖

單組單元體如圖3所示，而系統(tǒng)是由3組完全相同的單元體組成，系統(tǒng)的總裝ProE三維模型如圖4所示。與一組單元體的結(jié)構(gòu)組成同理，其中2.1和2.4分別為工作液的進(jìn)出口，2.2和2.8為反沖洗液的進(jìn)出口，2.3為主閥，2.5為反沖洗液開關(guān)閥，2.6為溢流閥，防止濾芯堵塞造成內(nèi)部壓力較大而無法釋放，2.7為壓力表用于顯示工作液通過濾芯前后壓力。

圖4 總過濾系統(tǒng)ProE三維模型圖

2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性AMESim建模及仿真分析

因電磁先導(dǎo)閥、過濾器、電機(jī)、馬達(dá)、水箱等液壓元件不作為主要研究對(duì)象，直接調(diào)用機(jī)械庫、HYD庫等庫中的已有模型。插裝主閥是本過濾站核心元件，為了便于研究主閥的動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)用HCD庫中的閥部件進(jìn)行組裝建模。過濾站主閥基于AMESim的仿真模型如圖5所示，反沖洗回液過濾站液壓系統(tǒng)基于AMESim的仿真模型如圖6所示。

圖5 主閥AMESim仿真模型圖

進(jìn)行仿真之前需要對(duì)模型中的元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。根據(jù)過濾站設(shè)計(jì)要求設(shè)置額定流量為1000 L/min，反沖洗壓力為25 MPa。在仿真過程中，設(shè)置液壓馬達(dá)為1000 r/min，液壓泵為1 L/r，此時(shí)即可提供額定流量1000 L/min。溢流閥壓力設(shè)置為20 MPa。設(shè)定仿真步長為0.01 s，仿真時(shí)間為10 s。開始時(shí)進(jìn)行正向過濾，每隔2 s輸入一次反沖洗信號(hào)，使得正向過濾和反向沖洗輪流進(jìn)行，主要部件及系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7，圖8所示。

圖6 液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型圖

圖7 主閥閥芯位移曲線

圖8 不同閥口流量曲線

圖7是主閥閥芯在正常過濾和反沖洗兩種過程中的位移曲線，從圖中可以看出開啟時(shí)間約為0.13 s，而關(guān)閉時(shí)間約為0.09 s，閥芯啟閉響應(yīng)迅速。圖8為過濾閥口和反沖洗閥口的流量曲線圖，可以看出在正常過濾和反沖洗兩個(gè)過程中，各自的閥口單獨(dú)運(yùn)行互不干涉，響應(yīng)速度快且密封性能好。關(guān)于主閥的仿真分析結(jié)果可以得出設(shè)計(jì)的主閥能夠滿足工作面大流量高壓的場(chǎng)合，閥芯的啟閉響應(yīng)迅速，閥口流量平穩(wěn)，密封性較好且閥口壓力損失小。

系統(tǒng)設(shè)定在0～2 s、4～6 s以及8～10 s電磁閥不通電，過濾系統(tǒng)處于正向過濾狀態(tài)；在2～4 s和6～8 s時(shí)電磁先導(dǎo)閥通電，過濾系統(tǒng)進(jìn)入反沖洗狀態(tài)。圖9所示為過濾系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)1個(gè)過濾器的2個(gè)插裝主閥的流量特性曲線，從圖中可以看出：當(dāng)正常過濾時(shí)通過主閥的流量為1000 L/min，而反沖洗時(shí)通過主閥的流量約為1350 L/min，正向過濾時(shí)乳化液由左側(cè)插裝主閥經(jīng)過濾器過濾后流向右側(cè)插裝主閥，反沖洗時(shí)液體由右側(cè)主閥流向左側(cè)，在此過程中流量變化平衡，波動(dòng)較小。

圖9 主閥出口流量曲線

圖10表示2個(gè)過濾器的通流量，從圖中可以看出，工作的過濾器組在正常過濾時(shí)流量為1000 L/min，反沖洗時(shí)流量為1350 L/min。在過濾初期備用過濾器在壓力作用下有輕微波動(dòng)，但很快趨于平穩(wěn)。在上側(cè)過濾器進(jìn)行反沖洗的時(shí)候下側(cè)過濾器從備用狀態(tài)轉(zhuǎn)為過濾狀態(tài)。圖11所示為過濾器承受壓力曲線圖，從仿真結(jié)果可以得出：系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)過濾裝置的流量平穩(wěn)，壓力在短暫的較小波動(dòng)后也趨于穩(wěn)定且基本保持不變，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。說明該反沖洗過濾系統(tǒng)能夠過濾的同時(shí)進(jìn)行反沖洗，而反沖洗過程不影響系統(tǒng)正常過濾操作。該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)中配合蓄能器等液壓輔助元件使用，可將工作時(shí)系統(tǒng)的流量、壓力損失降到最低，使得過濾系統(tǒng)的流量、壓力變化更加平穩(wěn)。

圖10 過濾器通流量曲線

圖11 過濾器承受壓力曲線

3 反沖洗回液過濾系統(tǒng)試驗(yàn)研究

上部分是從理論層面上對(duì)過濾系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，與完整工業(yè)性產(chǎn)品還具有一定差距[10]。本章在前面所述理論研究的基礎(chǔ)上對(duì)過濾系統(tǒng)的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和性能試驗(yàn)，對(duì)該過濾系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行試驗(yàn)[11]。

煤礦工作面反沖洗回液過濾站試驗(yàn)系統(tǒng)主要由反沖洗回液過濾系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、泵站供液系統(tǒng)、模擬信號(hào)、測(cè)壓組件等組成[12]。試驗(yàn)主要包括密封與耐壓試驗(yàn)、流量壓降試驗(yàn)和反沖洗控制試驗(yàn)3方面的研究。圖12為本研究所設(shè)計(jì)的自動(dòng)反沖洗回液過濾系統(tǒng)樣機(jī)。圖13為試驗(yàn)所需的泵站供液系統(tǒng)。圖14為試驗(yàn)所需的電控系統(tǒng)及測(cè)壓組件。

圖12 反沖洗回液過濾系統(tǒng)樣機(jī)

圖13 泵站供液系統(tǒng)

1) 密封與耐壓試驗(yàn)

將工作介質(zhì)通入被測(cè)試過濾系統(tǒng)，封住過濾系統(tǒng)的過濾出口和反沖洗出口，在額定流量下向進(jìn)液口分別通入2 MPa和25 MPa的壓力。在達(dá)到壓力之后，斷開電源保壓120 s并觀察系統(tǒng)密封情況。耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)方法與密封試驗(yàn)基本一致，此時(shí)通入的供液壓力為公稱壓力25 MPa的1.5倍，即37.5 MPa，觀察過濾系統(tǒng)有無損壞。

圖15為密封與耐壓試驗(yàn)的壓力曲線圖，從圖中可以看出20 s斷開電源后系統(tǒng)壓力有輕微下降，但在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下觀測(cè)到在高、低壓下密封良好，無滲漏現(xiàn)象，耐壓試驗(yàn)下過濾裝置無損壞變形。

圖15 密封與耐壓試驗(yàn)曲線

2) 流量壓降試驗(yàn)

在過濾系統(tǒng)的額定流量范圍內(nèi)調(diào)節(jié)泵站輸出流量，測(cè)量過濾系統(tǒng)的壓力損失。圖16為過濾系統(tǒng)流量壓降特性曲線，從圖中可以看出隨著流量的增大，過濾系統(tǒng)的壓力損失不斷增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)額定流量后，壓力損失約為0.27 MPa，滿足過濾系統(tǒng)的使用要求。

3) 反沖洗控制試驗(yàn)

對(duì)控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，啟動(dòng)過濾系統(tǒng)依次進(jìn)行正常過濾和反沖洗，觀測(cè)過濾時(shí)間、沖洗時(shí)間、各階段持續(xù)時(shí)間、壓力變化是否與理論模擬一致。

圖16 過濾系統(tǒng)流量壓降特性曲線

圖17為過濾系統(tǒng)時(shí)間壓力特性曲線，過濾狀態(tài)與反沖洗狀態(tài)各持續(xù)10 s。從圖中可以看出在開啟過濾和反沖洗后，由于乳化液需先充滿濾筒，因此短暫時(shí)間后壓力才到達(dá)峰值，并在短暫震蕩后趨于平穩(wěn)，由于濾筒制造工藝及裝配方法的不同，使得正向過濾和反沖洗時(shí)測(cè)得的壓力值與理論仿真分析比較有輕微下降，但實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下觀測(cè)到在系統(tǒng)運(yùn)行過程中密封良好，無滲漏現(xiàn)象。

圖17 過濾系統(tǒng)時(shí)間壓力特性曲線

4 結(jié)論

(1) AMESim仿真結(jié)果表明插裝主閥及整個(gè)液壓系統(tǒng)具有良好啟閉特性且壓損小，能夠在反沖洗的同時(shí)正常進(jìn)行過濾，所采用的“一用一備”設(shè)計(jì)思路可實(shí)現(xiàn)正向過濾和反向沖洗同步在線工作；

(2) 從樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果來看，密封與耐壓性能表現(xiàn)良好，額定流量下滿足壓降要求，可滿足正向過濾和反向沖洗兩個(gè)過程同步運(yùn)行的工況需求。

本研究設(shè)計(jì)的過濾系統(tǒng)，作為保證系統(tǒng)清潔度的重要組成部分，能夠連續(xù)正常工作，具有正向過濾和反向沖洗兩項(xiàng)功能，有效保證工作面液壓系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，從而提高了液壓系統(tǒng)可靠性。為提高過濾效率、進(jìn)一步優(yōu)化煤礦工作面過濾方式提供了新思路。