负载敏感型采煤机液压系统的设计与应用.pdf

液 压 气 动 与 密 ／ 2 0 1 3年 第 O 1期 负载敏感型采煤机液压系统的设计与应用 吴东 霞 太重煤机技术 中心 ， 山西 太原0 3 0 0 3 2 摘要 该文介绍了某电牵引采煤机液压 系统 的组成和工作 原理 。该 系统采用负载敏感技术、 平衡 阀技术 ， 满足了采煤机的控制要求 。 通过在煤 矿井 下实 际使用情况 ， 验证 了该 系统设计的可行性和先进性 。 关键词 采煤机液压系统 ； 负载敏感 ； 平衡 阀； 节 能 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 1 0 0 4 4 0 3 De s i g n a nd Ap p l i c a t i o n o f t h e Lo a d S e ns i ng S he a r e r Hy d r a u l i c S y s t e m U Do n g- xi a T a i y u a n H e a v y C o a l Ma c h i n e T e c h n o l o g y C e n t e r ，T a i y u a n 0 3 0 0 3 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e c o mp o s i t i o n a n d o p e r a t i o n p r i n c i p l e o f t h e s h e a r e r h y d r a u l i c s y s t e m． T h e s y s t e m u s e s l o a d s e n s i t i v i t y a n d l o a d c o n t r o l v alv e t e c h n o l o g y ， t h e c o n t rol r e q u i r e me n t o f t h e s h e a r e r h a s b e e n s a t i s fi e d ． T h e a c t u a l u s e o f t h e s y s t e m i n t h e c o a l mi n e ，v e r i f y t h a t t h e d e s i g n o f t h e s y s t e m i s f e a s i b l e a n d a d v a n c e d ． Ke y wo r d s s h e a r e r h y d r a u l i c s y s t e m； l o a d s e n s i t i v i ty； l o a d c o n tr o l v a l v e ； e c o n o mi z e o n e n e r gy O 前言 我 国厚煤层大采高综采设备仍不能很好地满足高 产高效的生产要求 ， 依靠进 口设备价格昂贵 ， 研发大采 高综采成套设备是 国家能源发展的需要 ，也是提升煤 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 0 9 作者简介 吴东霞 1 9 5 9 - ， 女， 山西人， 高级 工程师， 学士， 从 事冶金及 矿山 机械液压系统的设计应用及研究 。 3 5 0 0 0 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 】 5 0 0 0 1 O O o o 5 0 0 0 O 机行业核心竞争力和企业经济效益的需要。本企业在 承担的国家十一五科技支撑计划 高效综采机 电一体 化成套装备机器关键技术研究 项 目中 ， 研制开发出综 采成套设备之一2 5 0 0 k W 大采高电牵引采煤机 。 该 机 2 0 0 9年 9月装配下线 ， 其技术性 能、 自动化水平和 工作可靠性等技术指标达到或接近国际同类装备的先 进水平 ， 因此具有重要的现实意义。 功率几 b a r min 不带蓄能器＼ 带蓄能器 1 S 图 1 1 液压泵的功率特性曲线图 将 A ME S i m 仿 真 出 来 的 流 量 压 力 数 据 导 人 MA T L A B中。 计算得到的带蓄能器和不带蓄能器时一 个周期 的能量消耗 ， 对比可以定量分析得到此新型节 能液压抽油机的节能效果 。 具体计算结果 带蓄能器时 得到 P带 1 ． 5 3 9 9 e 0 0 4 L b a r 不带蓄能器时 4 4 得到 P无 1 ． 1 7 7 4 e 0 0 5 L b a r 最后计算得到用蓄能器时一个周期所消耗的能量只 有没有带蓄能器时的 1 3 ． 0 8 ％， 具有明显的节能效果。 3 结论 本文结合液压技术 的特点 ．设计 了一种新型 的节 能液压抽油机系统， 经过仿真分析证明有如下结论 ① 带蓄能器方案， 明显节能； ②合理选择蓄能器容积 ， 可 以优化系统性能； ③充气压力对系统性能也有明显影 响； ④系统设计 ， 需要考虑有杆腔容积和蓄能器容积的 合理优化匹配。 参考 文 献 ⋯ 1 雷天觉． 新编液压工程手册[ M】 ． 北京 北京理工大 学出版社 ， 2 o 0 3 ． [ 2 ] 李壮云． 液压元件 与系统[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 3 ] 付永领． A M E S i m系统建模和仿真从入门到精通【 M 】 ． 北 京 北京航空航天大学出版社 。 2 0 0 6 ． 【 4 ] 官忠范． 液压传动系统[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ NO ． 0 1 ． 2 0 1 3 左摇臂凋高油缸 挡杆调高油缸 破碎调高油缸 右摇臂调高油缸 卸压通道 L s负载信号 负载敏感 闸组 图 1 液压系统原理图 电牵引采煤机的牵引是通过 电力 ，而通过液压传 动实现左右截割滚筒的调高、 破碎滚筒的升降、 挡煤顶 板的起 收 ，故其液压系统工作性能的优劣是至关重要 的。本文论述一下该大功率电牵引采煤机液压系统 的 工作原理及应用。 1 液压系统的组成 液压系统原理 图见图 1 。该系统由定量泵 2 、 高压 过滤器 4 、 回油过滤器 3 、 负载敏感 比例 多路换 向阀组 包括溢流阀 5 、 三通流量调节 阀 6 、 三位 四通多路换 向 阀 8 、 组合平衡 阀组 1 5 、 油缸等元件组成 。系统主要技 术参数 额定压力 2 0 MP a 、 额定流量 8 0 L ／ m i n 、 工作介质 I S O V G1 0 0抗磨液压油、 清洁度等级 I S 0 4 4 0 6 1 6 ／ 1 3 。 负载敏感 多路换 向阀组选 用德 国 H A WE公 司 的 P S L 型产品， 该产品功能多 、 综合性能好 。由于采煤机用在 煤矿井下连续作业负载大 ， 环境恶劣煤尘多 ， 因此吸油 口、 高压段 、 回油路各部位都设 置相应 的过滤器 ， 确保 油液清洁度达到设计指标 。 2 工作原理 2 ． 1 系统的压力流量控制功能 系统工作时 由一 台定量泵 2供油 ，通往执行元件 的流量 由多路换向阀组连接块 中三通流量调节阀 6决 定 ， 三通流量调节阀阀芯的位置 由两端的控制压差 确定 ，多余 的流量直接通过三通流量调节 阀中的通道 R回到油箱 ，泵总是在执行元件 的压力加上控制压差 △ 下工作 。 当采煤机 的某个油缸需要调高动作 即三位 四通换 向阀 8 工作时。 阀组连接块中的三通流量调节阀由于 L S 即负载敏感信号油路压力作用 ， 阀芯移动切断了泵出口 P高压油到回油路 口R的连通 ， 泵在高压工作状态。 当采煤机的各个油缸不调高工作即所有 的三位 四 通换 向阀都处于中位时 ， L S即负载敏感信号通路通过 一 条油路卸压 ， 三通流量 调节 阀无 L S压力信号 ， 此时 视为无负载状态。泵压大于三通流量调节 阀阀芯另一 端弹簧的力 ， 阀芯移动 打开 P R回油通道 ， 于是使泵 处于无压循环状态 。在三通流量控制 阀中安装的弹簧 的特性曲线决定着无压循环 的压力 ，该压力近似等于 控制压差 △ p加上 回油路的背压。 该三通流量调节阀的 控制压差 △ p 大约 1 0 b a r ] s 于其他种类 的组合压力／ 流 量调节方式 的控制压差 大约 1 5 b a r ， 而按规范设计 回 油管路背压值一般很小 ，因此这种系统具有较少 的内 部损失 ， 即系统发热少 ， 具有明显节能效果。 各油缸回路的流量控制由负载敏感 比例多路换向 阀 8来实现 。由于 阀组 中设置有梭 阀 9 ， 使三通流量调 节阀只接受最高的 L S信号 。 因此它将总进多路换 向阀 组流量调节到提供给所有油缸 动作所需最大流量 。换 向阀前装有二通流量调节阀 7的功用是 ， 因为有梭 阀， 它只接受本 回路负载反馈的信号 L S ． 它根据 L S信号不 断的调整该换 向阀前后 的压差 ，也称此阀为压力补偿 阀， 使该换 向阀回路流量不受负载变化的影响。 油缸需要的流量不同 ，选用的换 向阀流量规格不 同， 相当于选择相 同压力差下阀芯的节流开度不同。通 往左右滚筒调高油缸 的流量接近于供油流量 ，损失也 就非常小。 选用 的三位 四通换向阀可以电磁控制换 向，也可 以手动操纵换 向。因此本设计采用这种组成功能可 以 自动化遥控控制 ，又能够满足 电气故障时手动操纵应 急处 理 。 4 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 0 1期 2 ． 2 负载的运动平衡及安全控制 针对 采煤机滚筒 在升降运 动过程 中负载变化 较 大， 升降油缸回路中设计 了专用组合平衡 阀组 。该阀组 包括布赫平衡 阀 1 5 1 ～ 1 5 4 、过载安全 阀 1 5 ～ 6 ， 1 5 8 、 单向阀 1 5 7 ， 1 5 9 。参见图 2 。 该阀组 中布赫平衡阀的功能特点是 ，可以防止负 载 滚筒 运动失速 ； 能在油缸一腔油路压力降低时 ， 自 动控制另一腔油路 的过流面积 ，保证平衡 阀启闭过程 中节流开 口面积变化缓慢 ，从而使滚筒调高油缸伸缩 平稳 在换 向阀中位时 ， 这种平衡阀又具有无泄漏液压 锁的功能 ， 使负载 滚筒 能被锁定停 留在要求确定 的 位置； 而且可 以选择较低开启压力 ， 工作效率高 。 左摇臂调高油缸 1 5 1 1 5 - 2 图 2组 合 平 衡 阀 组 原 理 图 其工作过程可以描述为 当油缸负载下降运动时 ， 换 向阀换 向使 A1口单 向阀开启供给油缸无杆腔高压 油 ， B 1口油缸有杆腔 回油路接平衡阀 1 5 2 。来 自油缸 的另一腔油路的 x口先导压力的升高 ，首先推动平衡 阀 1 5 2内的先导活塞打开一个小 的通道 ， 达到预开启 状态 ．这种渐进特性保证了下降运动开始的比较平稳 过渡和没有冲击。这种平衡 阀比较其他型式 的平衡 阀 开启时的 X口先导压力可以选择 的范围大 ，并且有更 小的值。 随着 X E l 压力的进一步增高 ，先导阀芯也更大 的 开启 ， 负载压力作用的结果使平衡阀 1 5 2主阀控制活 塞也随之开启 ，油缸有杆腔 B 1 2口油流可 以通过阀流 向 B 1口。 实现负载的向下全速运动。 阀组 中设置的单 向阀 1 5 7 。 1 5 9起补油作用 ， 避 免出现气蚀现象。 阀组中设置的过载安全阀 1 5 6 ． 1 5 8 是又一重过载保护。当滚筒截割煤层受力过载时安全 阀打开溢流 ， 回路 中压力不会超过调定值 。 保证油缸在 设计承载范围内工作。达到高可靠性 ， 高寿命的 目标 。 单向阀、 过载安全阀采用螺纹插装式阀芯 。 减少了 连接管道 ，降低了压力损失 ，也减少了可能泄漏 的部 位 ，从而提高工作可靠性 。所用布赫平衡 阀为板式结 构 ，使整个组合平衡 阀组集成块体可 以设计 的非常紧 凑 ， 直接安装在油缸上 。 2 ． 3制 动 回路 功 能 由蓄能器 1 1 、 单向阀 1 2节流 阀 1 4 、 减压阀 1 0 、 二 位 电磁换 向阀 1 3等组成的制动回路 。 用来控制采煤机 的牵引液压制动器 。高压油 口P 1 接 自负载敏感比例多 路换向阀组尾块 P 1口。参见图 3 。 制动器 图 3制 动 回 路原 理 图 采煤机牵 引使用 的液压制动器所需供油流量小 、 压力低 ， 因此配置了节流阀和减压阀。当采煤机牵引工 作 时， 使制动 回路二位 电磁换 向阀得 电， 减压后压力为 2 ． 5 MP a的低压油进入制动器 ， 压缩碟形弹簧 ， 松开摩擦 片， 使牵引制动被解锁 ， 可 以正常牵引。而采煤机停止 牵引或出现断电故障时， 二位电磁换 向阀失 电复位 ， 制 动器油腔压力油卸 回油箱 ， 通过碟形弹簧压紧 内、 外摩 擦片 ， 使采煤机停止牵引并且防止下滑。 在泵高压工作时 ， 可以向蓄能器供给储进高压油 ， 在泵低压循环时， 可 由蓄能器向制动回路供油。由此能 源消耗少又能够满足采煤机的控制要求 。 3 结论 本液压系统设计采用负载敏感技术 ．使整个系统 具有节能效果 ， 同时减少系统发热 ； 采用 电磁兼手动换 向控制方式 ， 使机器 的操作可以远距离遥控 ， 还能够满 足 电气故障时手动操纵应急处理 ； 采用平衡阀技术 ， 使 负载运动的工作平稳性好、 安全可靠性高。 本液压系统随主机已在煤矿井下工作运行 ． 完成了 工业性试验。使用表明该系统状况 良好 ， 可以满足采煤 机的控制要求 ， 验证了该系统设计的可行性和先进性 。 参 考 文 献 [ 1 】 雷天觉． 新编液压工程手册【 M】 ． 北京 北京理工大学出版社， 1 9 9 8 ． [ 2 】 成大先． 机械设计手册第 四卷[ M 】 ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 2 ． [ 3 ]3 权龙． 工程机械多执行器 电液控制技术研究现状及 最新进展 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 ， 1 ． [ 4 】 王红兵． 节能回路的对比分析[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 0 ， 9 ．