袁書卿

（同煤集團(tuán)王村礦綜采二隊， 山西 大同 037003）

引言

為了能夠使采煤機(jī)各個部分協(xié)調(diào)運動，順利完成采煤作業(yè)，采煤機(jī)的截割頭高度調(diào)節(jié)、牽引機(jī)構(gòu)的制動器等結(jié)構(gòu)都必須使用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，這些結(jié)構(gòu)組成的液壓系統(tǒng)的操作靈活性和使用穩(wěn)定性對采煤作業(yè)的工作效率有著很大的影響。通過技術(shù)分析和改造不斷地對采煤機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行升級改進(jìn)，提高采煤機(jī)的操作性和穩(wěn)定性，使其工作效率不斷提高。大同煤礦集團(tuán)王村煤業(yè)公司使用的MG400/930-WD 采煤機(jī)在工作中存在靈活性差、工作效率低的問題，相關(guān)技術(shù)人員通過技術(shù)分析，對其液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高生產(chǎn)效率。采煤機(jī)液壓牽引系統(tǒng)變量柱塞泵排量變化機(jī)理復(fù)雜，調(diào)節(jié)精度低，能量損失大[1]。技術(shù)人員提出采用一種新型的液壓牽引系統(tǒng)的方案，即用負(fù)載傳感變量泵代替采煤機(jī)液壓牽引系統(tǒng)中采用的變量柱塞泵。利用AMESim 仿真軟件對新系統(tǒng)的工作原理和控制進(jìn)行模擬，建立了新系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)的牽引功能，具有良好的節(jié)能效果。

1 MG400/930-WD 采煤機(jī)液壓牽引系統(tǒng)現(xiàn)狀

MG400/930-WD 采煤機(jī)液壓牽引制動回路由液壓制動器、兩位三通電液壓磁閥、減壓閥以及相關(guān)液壓管路構(gòu)成，高壓回路的液壓油通過減壓閥降低壓力至2 MPa 后用于液壓牽引制動回路。兩位三通電磁閥的作用是用于制動系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，將其安裝在集成塊上，液壓制動器安裝在左右牽引傳動箱上，兩者之間的油路通過集成塊和液壓管線相連。當(dāng)兩位三通電磁閥得電時，液壓動力將傳給制動器，制動器摩擦片處于松懈狀態(tài)，使?fàn)恳齻鲃酉涞靡越怄i，此時采煤機(jī)在牽引動力的作用下即可進(jìn)行運動。當(dāng)需要采煤機(jī)靜止不動，或出現(xiàn)故障的狀態(tài)下，系統(tǒng)將使兩位三通電磁閥失電，液壓油直接流回油箱，不會為制動器提供液壓動力，制動器摩擦片壓緊，牽引傳動箱抱死，采煤機(jī)處于制動狀態(tài)，同時系統(tǒng)自動停止?fàn)恳齽恿?，防止系統(tǒng)損壞。

MG400/930-WD 采煤機(jī)液壓比較復(fù)雜，在集成塊上安裝了多個閥組，其中包括1 個減壓閥、1 個剎車電磁閥、1 個精過濾器、1 個先導(dǎo)式電磁溢流閥、2個電磁換向閥、1 個手液動換向閥。目前，施工過程中電磁閥發(fā)生故障的概率較高，如線圈燒毀、內(nèi)部彈簧折斷、磨損泄露等，尤其是直動式溢流閥、先導(dǎo)式電磁溢流閥、減壓閥等故障率較高，電磁閥工作原理基本相同，出現(xiàn)故障時故障點難以判斷，導(dǎo)致采煤工作效率低[2]。同時該系存在操作性能差、能量損失大等問題，因此，大同煤礦集團(tuán)王村煤業(yè)公司技術(shù)人員將液壓系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，并通過仿真模擬對改進(jìn)效果加以驗證。

2 新型液壓牽引系統(tǒng)的工作原理

將傳統(tǒng)液壓牽引系統(tǒng)的變量柱塞泵更換為負(fù)載敏感型變量泵后，新型液壓牽引系統(tǒng)如下頁圖1 所示。新系統(tǒng)包括主回路、補(bǔ)油回路和換熱器回路。負(fù)載感應(yīng)泵5 和4 個恒排量液壓馬達(dá)10 組成閉合主回路。隨動泵13 通過粗濾油器12a 從油箱15 吸油，排出的油通過精濾器12b 和單向閥6a 或6b 進(jìn)入主回路的低壓側(cè)，抽出馬達(dá)10 排出的熱油部分通過液壓換向閥7、低壓安全閥9、冷卻器11 和單向閥進(jìn)入油箱15 閥門6c。

負(fù)載感應(yīng)泵5 的性能對牽引系統(tǒng)的節(jié)能和調(diào)速有著關(guān)鍵的影響。負(fù)載感應(yīng)泵在工作過程中為拉絲系統(tǒng)提供所需的壓力和流量，使拉絲系統(tǒng)具有較高的能量利用率，其流量和壓力控制分別取決于調(diào)節(jié)流量控制閥1 和壓力控制閥2。油門4 調(diào)整泵出口和負(fù)載之間的壓差。該系統(tǒng)實現(xiàn)了按負(fù)荷所需的壓力和流量分配，減少了能量損失[3]。

圖1 液壓牽引系統(tǒng)簡化回路

2.1 流量控制

當(dāng)拉伸系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，流量控制閥1 兩端的壓差與彈簧力保持平衡，閥1 處于中間位置。牽伸馬達(dá)的調(diào)速只取決于節(jié)流閥4 開度的變化，當(dāng)增大節(jié)流閥4 的開度時，由于流量不會瞬間變化，節(jié)流閥4 兩端的壓差會減小，流量控制閥1 的閥芯會向左移動，從動油缸3 在彈簧力作用下，通過壓力控制閥2 將控制油排入油箱，負(fù)載感應(yīng)泵5 的排量相應(yīng)增大，導(dǎo)致流量和壓差增大，直到閥1 兩側(cè)的壓力重新達(dá)到平衡，提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，系統(tǒng)根據(jù)需要降低牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速[4]。

當(dāng)負(fù)載壓力變化，例如變小時，則節(jié)流閥4 的壓差將增大，流量控制閥1 的滑閥向右移動。壓力油通過流量控制閥1 和壓力控制閥2 進(jìn)入從動油缸3，壓縮彈簧并減小主泵的排量。系統(tǒng)流量減小，壓差在壓差變化前降至設(shè)定值。在整個過程中，約束區(qū)域保持不變。流量控制閥1 的滑閥返回中間區(qū)域，流量繼續(xù)保持恒定。

2.2 壓力控制

壓力控制閥2 完成壓力控制。壓力切斷值是拉伸系統(tǒng)的最高壓力，通過調(diào)節(jié)壓力控制閥2 的彈簧來設(shè)定。系統(tǒng)在泵5 出口壓力低于壓力控制閥2 的設(shè)定壓力前進(jìn)行流量控制，通過節(jié)流閥4 調(diào)節(jié)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速[5]。當(dāng)泵5 出口壓力達(dá)到設(shè)定壓力時，由于壓力控制閥2 的彈簧剛度較低，壓力油進(jìn)入從動油缸3 的無桿腔，使負(fù)載感應(yīng)泵5 的排量迅速減小。此時，雖然系統(tǒng)壓力高，但流量很小，達(dá)到了節(jié)能的效果。

3 液壓拉拔系統(tǒng)的AMESim 仿真模型

利用AMESim 仿真軟件，建立了負(fù)載傳感液壓牽引系統(tǒng)的仿真模型，如圖2 所示。模型中主電機(jī)轉(zhuǎn)速2 208 r/min，感載泵最大排量125 mL/r；牽引電機(jī)排量625 mL/r；流量控制閥彈簧預(yù)緊力59 N，即節(jié)流閥輸出、輸入壓差為1 MPa；調(diào)壓閥開啟壓力為16 MPa；節(jié)流閥特性流量為80 L/min，壓力損失為0.8 MPa；安全閥開啟壓力為17 MPa，背壓閥開啟壓力為2 MPa，設(shè)定泄壓閥模擬壓力為2.5 MPa[6]。由于AMESim 中缺少流量控制閥和壓力控制閥的仿真模型，因此采用HCD 倉庫建立了仿真模型。模擬環(huán)境為：介質(zhì)密度850 kg/m3，體積模量1 700 MPa，動力黏度為 5.1×10-2Pa·s。

圖2 采煤機(jī)負(fù)載感應(yīng)液壓牽引系統(tǒng)仿真模型

通過模擬仿真軟件顯示，轉(zhuǎn)矩在30 s 內(nèi)從0 增加到 1 000 N·m，在 30 s 到 70 s 之間保持 1 000 N·m，從70 s 到100 s 減小到500 N·m，負(fù)載感應(yīng)泵出口壓力總是隨著負(fù)載壓力的變化而變化，并比負(fù)載壓力高出一個固定值約0.8 MPa。負(fù)載感應(yīng)泵出口流量在0.5 s 內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在100 s 的模擬時間內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)壓力變化時，負(fù)載感應(yīng)泵的出口流量有微小的波動，但保持在80 L/min 左右的穩(wěn)定值，保證了恒定的流量控制特性。通過負(fù)載轉(zhuǎn)矩仿真曲線可知，最高轉(zhuǎn)矩為1 500 N·m，泵出口壓力達(dá)到壓力控制閥設(shè)定壓力值（16 MPa）后，系統(tǒng)壓力不上升。系統(tǒng)模擬流量響應(yīng)曲線顯示，系統(tǒng)在壓力未達(dá)到設(shè)定壓力值前進(jìn)行恒流控制，系統(tǒng)流量為80 L/min，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到1 300 N·m，即系統(tǒng)壓力達(dá)到16 MPa 時，系統(tǒng)流量急劇下降[7]。

4 結(jié)論

1）采煤機(jī)負(fù)荷傳感泵調(diào)速系統(tǒng)的壓力、流量能適應(yīng)負(fù)荷變化，避免了溢流損失，限制損失控制在1 MPa 以內(nèi)，提高了效率；

2）系統(tǒng)在負(fù)載壓力達(dá)到壓力設(shè)定值之前執(zhí)行恒流控制。當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時執(zhí)行壓力切斷，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降。

3）仿真結(jié)果與理論分析相吻合，表明仿真模型是正確的，本文設(shè)定的仿真參數(shù)也是合理的。