尹少波

（陽煤寺家莊有限責(zé)任公司綜采一隊， 山西 晉中 045300）

引言

煤礦企業(yè)的節(jié)能生產(chǎn)同樣是備受關(guān)注的話題。對于液壓牽引采煤機而言，由于其采用節(jié)流調(diào)速泵存節(jié)流損失和溢流的問題，導(dǎo)致其在節(jié)能方面無法滿足降耗的要求。因此，需對傳統(tǒng)液壓牽引采煤機的液壓系統(tǒng)進行改造，本文提出將變轉(zhuǎn)速技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)液壓牽引采煤機中，從而大幅度提升液壓系統(tǒng)的節(jié)能率，從而降低液壓牽引采煤機的能耗。

1 采煤機變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)的總體設(shè)計

傳統(tǒng)采煤機液壓牽引系統(tǒng)中的核心部件為主泵，當(dāng)前所選用的主流主泵的類型為變量柱塞泵。盡管變量柱塞泵在實際應(yīng)用不存在溢流損失，但是該泵的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對乳化液泵站所提供乳化液的要求較高。因此，在日常生產(chǎn)中為了確保變量柱塞泵的使用壽命，需定期對其進行檢修，無形中增加了設(shè)備的維修費用，降低了采煤機的生產(chǎn)效率[2]。此外，基于變量柱塞泵的液壓牽引系統(tǒng)的自動化水平較低，無法與當(dāng)前高自動化水平的綜采能力相匹配。為此，將變轉(zhuǎn)速技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)采煤機的液壓牽引系統(tǒng)中，液壓原理圖如圖1 所示。

如圖1 所示，變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)由檢測控制單元（1）、變頻器（2）、主泵電機（3）、定量泵（4）、壓力傳感器（5）、高壓安全閥（6）、背壓閥（7）、冷卻器（8）、單向閥（9）、電液比例方向閥（10）、牽引馬達（11）、液壓制動器（12）、二位三通電磁換向閥（13）、精過濾器（14）、補油泵（15）、補油電機（16）、溢流閥（17）、粗過濾器（18）以及油箱（19）組成。

基于變轉(zhuǎn)速技術(shù)所設(shè)計的液壓牽引系統(tǒng)具備如下特點：

1）本系統(tǒng)通過變頻器實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制，從而大大降低了作業(yè)人員的勞動強；

圖1 采煤機變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)原理圖

2）電液比例閥的應(yīng)用大大提升了系統(tǒng)的控制精度；

3）基于變轉(zhuǎn)速技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機電機以較低的轉(zhuǎn)速運行，從而降低了系統(tǒng)的損耗；

4）本系統(tǒng)設(shè)計的液壓元器件的種類及數(shù)量較少，大大提升了系統(tǒng)的可靠性[3]。

2 液壓牽引系統(tǒng)元器件的選型

本文所研究采煤機的型號為MG300-W，將其傳統(tǒng)的液壓牽引系統(tǒng)改造為變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)后需對改造后牽引系統(tǒng)中的變頻器、電機、壓力傳感器等元器件進行重新選型設(shè)計。

經(jīng)查閱MG300-W 采煤機的相關(guān)參數(shù)可得：液壓牽引系統(tǒng)中主油路的最高工作壓力為16 MPa，液壓牽引系統(tǒng)中最大流量為270 L/min，采煤機電機功率為90 kW[4]。

結(jié)合各元器件的選型原則及選型依據(jù)、計算公式等完成了改造后變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)中關(guān)鍵元器件的選型，選型結(jié)果如下頁表1 所示。

3 變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)性能的驗證

3.1 液壓牽引系統(tǒng)的仿真對比

為驗證不同液壓牽引系統(tǒng)的性能，分別對變量柱塞泵液壓牽引系統(tǒng)、負載敏感液壓牽引系統(tǒng)以及變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)在階躍負載信號下，采煤機牽引系統(tǒng)馬達轉(zhuǎn)速的變化情況[5]。

階躍負載信號：階躍負載由0 階躍為500 N·m，并持續(xù)1 s 時長；在1 s 時刻階躍負載由500 N·m 階躍為800 N·m。仿真結(jié)果如圖2 所示。

如圖2 所示，變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)的響應(yīng)速度最快，其次為傳統(tǒng)變量液壓牽引系統(tǒng)，負載敏感液壓牽引系統(tǒng)響應(yīng)速度最慢。此外，當(dāng)系統(tǒng)受到載荷突變時，變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)的超調(diào)量小，即速度剛性好。

表1 變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)關(guān)鍵元器件選型

圖2 階躍負載下不同液壓牽引系統(tǒng)馬達轉(zhuǎn)速對比圖

3.2 不同工況下的仿真分析

本節(jié)對比采煤機分別在重載工況、輕載工況下的性能。

3.2.1 輕載工況下的仿真

當(dāng)液壓牽引系統(tǒng)的流量為240 L/min 時，對比采煤機在輕載工況下泵的出口壓力與采煤機電機功率兩項指標(biāo)。仿真結(jié)果如圖3 所示。

如圖3 所示，在流量一定的前提下，泵出口壓力從小到大依次為變量柱塞泵液壓牽引系統(tǒng)、變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)、負載敏感液壓牽引系統(tǒng)。造成上述情況的原因在于：負載敏感液壓牽引系統(tǒng)在調(diào)速閥和電磁換向閥的共同作用下形成了兩次壓力損失，而變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)僅由于電液比例方向閥而造成的一次壓力損失；傳統(tǒng)變量柱塞泵液壓牽引系統(tǒng)不存在壓力損失。電機功耗與泵出口壓力的情況相似。

圖3 輕載工況下性能對比

3.2.2 重載工況下的仿真

當(dāng)液壓牽引系統(tǒng)的流量為240 L/min 時，對比采煤機在重載載工況下泵的出口壓力與采煤機電機功率兩項指標(biāo)。仿真結(jié)果如圖4 所示。

分析圖4 可知，在出口壓力未達到16 MPa（牽引系統(tǒng)的最大工作壓力為16 MPa）時，三種牽引系統(tǒng)泵的出口壓力和電機功率的變化與輕載工況下的相似。當(dāng)系統(tǒng)達到最大工作壓力時，變量柱塞泵液壓牽引系統(tǒng)泵的出口壓力最大，而變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)泵的出口壓力瞬間被卸荷；對于電機功率，當(dāng)系統(tǒng)達到最大工作壓力時，采煤機電機的功率以最快的速度將為至最低，而其余兩種液壓牽引系統(tǒng)的下降速度較小。

4 結(jié)語

圖4 重載工況下性能對比

目前，液壓牽引采煤機仍然應(yīng)用于薄煤層的開采中，其在實際生產(chǎn)過程中存在可靠性低、能耗大等問題。變轉(zhuǎn)速技術(shù)在液壓牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用不僅降低了液壓牽引系統(tǒng)元器件的復(fù)雜程度，提升液壓系統(tǒng)的可靠性，而且變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)在載荷突變工況下的響應(yīng)速度最快，超調(diào)量最小，為采煤機的穩(wěn)定運行奠定了扎實的基礎(chǔ)。此外，變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)在重載工況下的節(jié)能效果最佳。因此，可將變轉(zhuǎn)速液壓牽引系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。