劉文超，李俊士

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京 100013)

0 引言

乳化液泵是煤礦井下綜采工作面液壓支架工作的動力源[1-3]。近年來，隨著煤炭開采技術(shù)的不斷進步，大采高綜采工作面逐漸增多[4]。為了滿足大采高液壓支架高初撐力和高工作阻力的需求，乳化液泵的設(shè)計參數(shù)不斷向高壓方向發(fā)展[5-6]。按照MT/T 188.2—2000《煤礦用乳化液泵站 乳化液泵》[7]的規(guī)定，乳化液泵出廠前都要進行性能試驗，以保證乳化液泵性能可靠。現(xiàn)階段針對高壓乳化液泵的性能測試存在種種弊端，尤其體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)及其關(guān)鍵元部件性能落后，自動操作程度低，并不能很好地滿足高壓乳化液泵的測試需求?；诖?，分析了高壓乳化液泵測試液壓系統(tǒng)中待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了解決方案，最后運用AMESim液壓仿真軟件對所搭液壓系統(tǒng)進行了仿真驗證，旨在搭建一套適用于高壓乳化液泵性能測試的液壓系統(tǒng)。這對保證綜采工作面的安全高效生產(chǎn)具有重要的意義。

1 高壓乳化液泵測試液壓系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題

1.1 乳化液泵測試液壓系統(tǒng)調(diào)壓技術(shù)分析

調(diào)壓裝置是乳化液泵完成各項性能測試的基礎(chǔ)。目前對于乳化液泵的測試，國內(nèi)外普遍采用節(jié)流閥調(diào)壓和溢流閥調(diào)壓兩種方式[8]。節(jié)流閥調(diào)壓是將節(jié)流閥串接在乳化液泵出口，通過調(diào)整節(jié)流口大小，給乳化液泵造成不同的出液阻力，從而達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的目的。此方式結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷，但也存在著一定的弊端，并不適用于高壓乳化液泵的性能測試，且調(diào)壓過程需要人工手動調(diào)節(jié)，自動化操作程度低。

圖1是一種典型的運用先導(dǎo)式溢流閥的調(diào)壓方式原理圖。它是將先導(dǎo)式溢流閥串接在乳化液泵出口，系統(tǒng)工作時一部分乳化液通過阻尼孔打開先導(dǎo)閥芯回到液箱。由于阻尼孔的阻尼作用，主閥芯在上下腔形成壓差并在壓差作用下開啟。通過調(diào)節(jié)先導(dǎo)閥部分的調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)先導(dǎo)彈簧的壓縮量，控制先導(dǎo)閥芯的開啟壓力，從而達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的目的[9]。

1-電動機; 2-乳化液泵; 3-安全閥; 4-主閥芯; 5-阻尼孔; 6-主閥彈簧; 7-先導(dǎo)閥芯; 8-先導(dǎo)彈簧; 9-調(diào)節(jié)旋鈕。圖1 先導(dǎo)式溢流閥調(diào)壓原理

相對于節(jié)流閥調(diào)壓方式，溢流閥調(diào)壓方式的壓力脈動小，更適用于高壓乳化液泵液壓系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)。但其仍然存在著調(diào)壓過程自動化操作程度的問題低，且在高壓乳化液泵測試中存在較大的安全隱患。因此，有必要開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程自動化調(diào)控的調(diào)壓裝置，解放勞動力，消除安全隱患。

1.2 乳化液泵測試液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定技術(shù)分析

乳化液泵是一種柱塞泵，其不可避免地會出現(xiàn)周期性的流量脈動，從而導(dǎo)致乳化液泵出口壓力也出現(xiàn)周期性脈動[10]。為了消除壓力脈動，傳統(tǒng)的解決方案是在乳化液泵的出口安裝蓄能器[11]。然而，對于高壓乳化液泵而言，其公稱壓力大，測試用液壓系統(tǒng)的調(diào)壓范圍也大。在采用單個蓄能器的液壓系統(tǒng)中，若蓄能器充氣壓力高，系統(tǒng)在低壓狀態(tài)時，蓄能器氣囊壓縮量有限，起不到很好的穩(wěn)壓效果；若蓄能器充氣壓力低，系統(tǒng)在高壓狀態(tài)時，蓄能器氣囊變形量大，對蓄能器的損害也比較大，存在較大的安全隱患。因此，對于高壓乳化液泵的測試，其液壓系統(tǒng)需要采用一種更為可靠的穩(wěn)壓方案，以滿足高壓乳化液泵測試液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的測試需求。

2 高壓乳化液泵測試液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)字式調(diào)壓閥方案

基于對高壓乳化液泵測試液壓系統(tǒng)調(diào)壓關(guān)鍵技術(shù)的分析，本文提出了一種基于直線步進電動機控制的數(shù)字式調(diào)壓閥，其工作原理如圖2所示。

1-電動機; 2-乳化液泵; 3-安全閥; 4-主閥芯; 5-阻尼孔; 6-主閥彈簧; 7-電磁先導(dǎo)閥; 8-先導(dǎo)閥芯; 9-先導(dǎo)彈簧; 10-直線步進電動機。圖2 數(shù)字式調(diào)壓閥工作原理

該數(shù)字式調(diào)壓閥以直線步進電動機代替先導(dǎo)式溢流閥的調(diào)節(jié)旋鈕，通過控制直線電動機軸的伸縮量，來達(dá)到控制系統(tǒng)壓力的目的。此調(diào)壓閥充分發(fā)揮了步進電動機數(shù)字化控制的優(yōu)勢，可實現(xiàn)系統(tǒng)壓力的遠(yuǎn)程自動化控制，控制精度高。另外，該調(diào)壓閥在主閥芯上腔安裝了一電磁先導(dǎo)閥。當(dāng)電磁先導(dǎo)閥通電接通時，主閥芯上腔乳化液直接回液箱，主閥芯上腔壓力幾乎為0。主閥芯直接開啟，系統(tǒng)卸荷，配合上位機測試軟件，其在乳化液泵啟動階段可實現(xiàn)乳化液泵空載啟動，也可在系統(tǒng)加載狀態(tài)下實現(xiàn)液壓系統(tǒng)自動卸荷。

2.2 基于高低壓蓄能器的雙蓄能器穩(wěn)壓方案

基于對高壓乳化液泵測試液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定技術(shù)的分析，本文提出了一種基于高低壓蓄能器的雙蓄能器穩(wěn)壓方案，其工作原理如圖3所示。

液壓系統(tǒng)在低壓狀態(tài)時，來自乳化液泵的一部分乳化液直接進入高壓蓄能器，另一部分乳化液通過先導(dǎo)型電磁換向閥進入低壓蓄能器。此時，高、低壓蓄能器同時接通，低壓蓄能器維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，高壓蓄能器由于充氣壓力較高，氣囊變形量較小，系統(tǒng)壓力不會對其造成損害。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到某一值時，配合上位機軟件，給先導(dǎo)型電磁換向閥的電磁先導(dǎo)閥發(fā)送控制信號，其閥芯換向，使泵出口與低壓蓄能器的通道截止；同時，低壓蓄能器內(nèi)殘留的乳化液則通過先導(dǎo)型電磁換向閥直接回到液箱，來自泵的乳化液只進入高壓蓄能器，系統(tǒng)由高壓蓄能器來維持壓力穩(wěn)定。

1-乳化液泵; 2-電動機; 3-低壓蓄能器; 4-先導(dǎo)型電磁換向閥; 5-高壓蓄能器; 6-溢流閥。圖3 高低壓蓄能器穩(wěn)壓方案

基于高低壓蓄能器的穩(wěn)壓方案，克服了傳統(tǒng)乳化液泵測試液壓系統(tǒng)采用單個蓄能器而無法很好地實現(xiàn)高壓乳化液泵測試壓力穩(wěn)定的弊端，且結(jié)合上位機測試軟件可實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)壓遠(yuǎn)程控制，自動化控制程度高。

2.3 測試液壓系統(tǒng)設(shè)計

通過上述對高壓乳化液泵測試液壓系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的分析并結(jié)合液壓系統(tǒng)一般設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計了如圖4所示的高壓乳化液泵測試液壓系統(tǒng)。

1-乳化液泵; 2-電動機; 3-過濾器; 4-低壓蓄能器; 5-先導(dǎo)型電磁換向閥; 6-數(shù)字式調(diào)壓閥; 7-冷卻器; 8-高壓蓄能器; 9-壓力傳感器; 10-溢流閥。圖4 高壓乳化液泵測試液壓系統(tǒng)

3 基于AMESim的液壓系統(tǒng)仿真

運用AMESim液壓仿真軟件，搭建液壓系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。

1-乳化液泵； 2-電動機； 3-先導(dǎo)型電磁換向閥； 4-低壓蓄能器； 5-高壓蓄能器； 6-壓力傳感器； 7-數(shù)字式調(diào)壓閥； 8-溢流閥。圖5 液壓系統(tǒng)仿真模型

仿真模型中主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真模型主要參數(shù)

此外，為了進一步驗證液壓系統(tǒng)的性能，調(diào)壓閥先導(dǎo)彈簧壓縮量和電磁先導(dǎo)閥控制信號參數(shù)設(shè)置如圖6和圖7所示。

圖6 調(diào)壓閥先導(dǎo)彈簧壓縮量

圖7 調(diào)壓閥電磁先導(dǎo)閥控制信號

在設(shè)置好系統(tǒng)參數(shù)后，進入仿真模式。設(shè)置仿真時間為20 s，得到系統(tǒng)壓力曲線如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)壓力曲線

由圖8可以看出：在前10 s，隨著先導(dǎo)彈簧壓縮量的變化，系統(tǒng)壓力基本上也隨之成比例變化；在10～15 s區(qū)間內(nèi)，隨著先導(dǎo)彈簧壓縮量保持不變，系統(tǒng)壓力雖有一定的脈動，但都維持在一較小的區(qū)間內(nèi)，液壓系統(tǒng)基本保持穩(wěn)定；在15～20 s區(qū)間內(nèi)，當(dāng)數(shù)字調(diào)壓閥的電磁先導(dǎo)閥通電導(dǎo)通時，系統(tǒng)隨即卸荷，且壓力維持穩(wěn)定。上述仿真結(jié)果驗證了本高壓乳化液泵測試液壓系統(tǒng)搭建的正確性和穩(wěn)定性，尤其是數(shù)字式調(diào)壓閥和系統(tǒng)穩(wěn)壓方案的正確性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文分析了高壓大流量乳化液泵測試液壓系統(tǒng)中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了相應(yīng)的解決方案，并設(shè)計了高壓大流量乳化液泵測試液壓系統(tǒng)。運用 AMESim液壓仿真軟件對液壓系統(tǒng)進行了模擬仿真。仿真結(jié)果證明了所設(shè)計液壓系統(tǒng)及關(guān)鍵元部件的正確性和穩(wěn)定性，為高壓大流量乳化液泵的性能測試提供了解決方案，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。同時，此液壓系統(tǒng)提高了高壓大流量乳化液泵測試的自動化控制程度，解放了勞動力，消除了測試過程中的安全隱患。