基于Automation Studio 的采煤机滚筒调高液压系统设计

张艳军，李孝宇

(黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨 150022)

基于Automation Studio 的采煤机滚筒调高液压系统设计

张艳军，李孝宇

(黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨 150022)

针对双滚筒采煤机单泵调高液压系统在使用中的不足，采用Automation Studio软件对滚筒调高过程进行仿真。采用中位机能是“H”形换向阀的单泵调高系统，调高时一个液压缸的负载会转移附加在另外一个液压缸上，导致一个液压缸承担两个滚筒的调高负载压力，增大液压缸负荷，降低系统的可靠性。同时，另一个液压缸调高位置可能会发生小的偏移。设计采用中位机能是“M”形换向阀采煤机单泵液压调高系统，可以克服“H”形换向阀的缺陷。该设计提高了调高系统可靠性，可以为采煤机液压调高系统设计提供参考。

采煤机; 滚筒; 调高系统; Automation Studio 仿真

0 引 言

为适应煤层高度和卧底量的变化，要求滚筒式采煤机的工作机构(摇臂)时时都可调整其工作高度。工作机构高度的调整一般采用液压的方式来实现。井下的工作条件恶劣,调高的负载具有重载、动载和随机性等特点，要求液压调高系统具有稳定性和可靠性[1]。采煤机液压调高系统在使用过程出现各种故障和问题，对此很多学者在理论和结构上进行研究分析并加以改进，取得很多成果[2-6]。笔者主要对设有安全阀的单液压泵调高液压系统进行理论分析，应用Automation Studio软件进行仿真，指出存在的问题及原因,进行调高系统分析设计。

1 采煤机调高液压系统

采煤机调高液压系统及其元部件是为实现采煤机滚筒的调高需要而设置的。主要由液压元、部件由电动机、齿轮泵、调高液压缸及其液压控制阀、高压溢流阀、安全阀、背压溢流阀、调高换向阀组、压力表等组成[7]。

液压泵从油池吸油,在调高换向阀未操作状态下,液压泵排油经两个调高换向阀和背压溢流阀回油池。当一个调高换向阀操作时,即操作左或右滚筒升降时,液压泵排油经调高换向阀进入调高液压缸,调高液压缸排油腔的油液经另一个调高换向阀和背压溢流阀回油池,直到调高换向阀停止工作，即滚筒调整到位为止。在液压泵排油油路上设有防止系统压力过载的安全阀、压力表,在背压溢流阀的前端设置有压力表。在调高液压缸上设置有液压锁以保证将滚筒锁定在所需的高度位置,另外在液压缸处还设置安全阀,以防止工作机构、液压缸受载荷过大造成机械损伤[7]。系统原理如图1所示。

图1 调高液压系统原理Fig.1 Higher hydraulic system schematic diagram

2 调高机构受力分析

采煤机截割煤岩时，滚筒受到的外力主要有沿采煤机牵引方向的推进阻力Py、垂直牵引方向截割阻力PZ、滚筒和摇臂重力G、滚筒轴向力A[8]。

(1)推进阻力

影响推进阻力的因素复杂，很难精确计算，常采用近似估算方法。

式中：T——采煤机最大牵引力,N；

K1——前后滚筒截割阻力比。

(2)截割阻力

根据截割理论，作用在单个截齿上截割阻力PZ′为

PZ′=Ahmaxsinφi，

式中：A——煤岩截割阻抗,kN/m；

hmax——最大截割深度,m；

φi——截齿在分布圆上位置角,(°)。

PZ′在垂直于运动方向的分力PZ″为：

PZ″=PZ″sinφ，

PZ=∑PZ″=Ahmax∑sin2φ。

(3)液压缸拉力

图2为调高机构受力示意。作用在摇臂上的力矩主要有：推进阻力力矩、截割阻力力矩、滚筒和摇臂自重产生的力矩、惯性阻力矩、转动摩擦阻力矩。上述力矩根据图2可计算得到。

图2 调高机构受力计算示意Fig.2 Schematic diagram of stress calculation for height adjustment mechanism

推进阻力力矩My

截割阻力力矩MZ

滚筒和摇臂自重产生的力矩MG

MG=GL1cosα，

式中：G——滚筒和摇臂折算到滚筒轴上重力,N。

转动摩擦阻力矩Mμ

Mμ=∑μRZN，

式中：μ——摩擦系数；

RZ——摇臂支撑销轴直径,m；

N——摇臂支撑销轴支反力,N。

惯性阻力矩Mg

Mg=Jε，

式中：J——回转转动惯量,N·m·s2；

ε——角加速度,rad/s2。

调高油缸驱动力矩M1

M1=FLRsinγ,

由力矩平衡方程∑M0=0，得

M1=MZ-MG+Mμ+Mg+My,

液压缸拉力F

F=(MZ-MG+Mμ+Mg+My)/(LRsinγ),

如果考虑液压缸的黏性摩擦阻力，则F为

F=MZ-MG+Mμ+Mg+My/LRsinγ+Bev,

式中：Be——黏性阻尼系数,(N·s)/m；

v——液压缸活塞速度,m/s。

3 系统分析与仿真

3.1 安全阀的设置与换向阀的中位机能

双滚筒式采煤机的调高液压系统大多是设置一个调高液压泵,通过两个串联的换向阀分别控制两组调高液压缸，如图1所示，一种没有安全阀的调高系统，其采用换向阀中位能是“H”形的。系统的限压原理：假如液压缸无杆腔压力达到安全阀压力卸荷,活塞杆缩回,若缩回距离为Δx,设液压缸无杆腔作用面积为A1,有杆腔作用面积为A2。根据流量连续方程：

(1)

式中：CiP——液压缸内泄漏系数,m5/(N·s)；

CeP——液压缸外泄漏系数,m5/(N·s)；

K——油液的体积弹性模量，Pa；

V——油缸的总容积,m3；

A——油缸作用面积,m2。

忽略泄漏和油液的压缩，式(1)简化为

q=Adx/dt，

液压缸无杆腔卸回的油液体积

V1=A1Δx，

液压缸有杆腔容积的增量

V2=A2Δx。

显然V2

采用“H”形换向阀会存在一个问题，因采煤机截割煤岩时的调高负荷较大,故液压泵的工作压力较高，设液压缸1和2的外载各为F1、F2，，液压缸2的两腔压力分别为P1、P2。 根据液压缸活塞运动方程：

(2)

式中：m——运动部分质量,kg；

Be——黏性阻尼系数,(N·s)/m。

当液压缸匀速时，忽略黏性阻尼，则式(2)简化为：

F2=P2A2-P1A1，

当换向阀A处在左阀位(或右阀位)时,使液压缸1活塞杆伸出(或缩回)。此时,液压泵的工作压力为P。

P=F1/A1，

由于“H”形换向阀的中位机能是各液口互相通的,即液压缸2的非工作腔压力显然增为

P1=P=F1/A1，

而工作腔压力则增为

由此可以看出,操作阀A时,会将液压缸1上的负载压力全部转移到液压缸2上,使其两腔压力同时大幅度增加(一个液压缸承担两个滚筒的调高负载压力)。这会导致安全阀不应有的卸荷,影响到采煤机正常工作。即使没有达到安全阀的卸荷压力,而将不应有的负载加到另一液压缸上,提高液压缸工作压力的基准,同时还会产生压力冲击,这对机械强度和密封件的寿命都是有害的,会影响到系统的工作稳定性能及可靠性。同时压力冲击可能引起液压缸2的液压锁打开，液压缸2活塞杆在负载的作用下克服液压力发生移动，使得液压缸2所调整的高度发生变化。图3a是用AutomationStudio对液压缸2工作腔压力仿真结果，图3b是液压缸2位置仿真结果。可以看出，当操作A换向阀时，液压缸2工作腔压力会产生压力冲击，同时压力大幅度增加。从图3b可以看出，当操作A换向阀时，液压缸2位置会发生改变，也就是说操作A换向阀时对液压缸2产生干扰。因此,设有安全阀的单液压泵调高系统,采用中位机能是“H”形的换向阀是不够理想的。

a 工作腔压力

b 位置

为避免操作换向阀A时而对液压缸2产生影响，使两者互不干扰，应采用中位机能是“M”形的换向阀，如图4所示。

图4 M形换向阀调高回路Fig.4 M type directional control valve raised circuit diagram

卸掉的油液体积

V1=A1Δx，

有杆腔容积的增量

V2=A2Δx。

显然V2

图5 改进后M换向阀调高回路Fig.5 Improved M reversing valve set high circuit diagram

3.2 摇臂下降时抖动

采煤机空载滚筒下调时,摇臂会发生抖动。图6a是Automation Studio滚筒下调时进油腔曲线，图6b回油腔压力曲线。仿真结果表明，在摇臂下降过程中液压缸进、回油腔压力发生剧烈震荡，而且在液压缸进油腔产生负压。回油腔压力峰值高，形成了压力冲击。这是滚筒和摇臂自重引起的，在滚筒和摇臂自重作用下加速摇臂下降，当液压泵供油量达不到液压缸活塞运动速度要求时，液压缸无杆腔压力急剧下降，当压力降到低于液压锁开启压力时，液压锁关闭，调高液压缸停止运动。当压力升高后液压锁再次开启，摇臂继续下调，如此反复，造成摇臂下调断续工作。这种断续会造成摇臂和滚筒巨大的回转惯量，对液压缸和液压泵时断时续产生液压冲击，会使液压缸和液压泵密封件损坏以及产生振动和噪声。为平衡摇臂和滚筒的重力矩，在下调回油侧加单向节流阀或单向顺序阀，如图7所示。滚筒下调时顺序阀产生的背压平衡摇臂和滚筒的重力矩，使得滚筒平稳下调。

a 进油腔

b 回油腔

图7 加单向顺序阀调高回路Fig.7 Add one-way sequence valve raised circuit diagram

3.3 系统设计

根据以上分析将采用的改进设计回路整合在一起，得到如图8所示单泵液压调高系统。

图8 单泵液压调高系统Fig.8 Single pump hydraulic raised system diagram

系统采用“M”形换向阀，“M”形换向阀中位机能工作油口与进、回油口都不连通，操作换向时，两组过载保护阀组油路互不相通，较好解决滚筒调高过程相互干扰的问题。

4 结束语

笔者采用Automation Studio软件分析双滚筒采煤机液压调高系统，中位机能“H”形换向阀的单泵调高系统，操作一个换向阀时对另一个液压缸产生干扰，影响采煤机的正常工作。为解决采煤机滚筒调高过程干扰问题，设计采用中位机能“M”形换向阀采煤机单泵液压调高系统。Automation Studio软件可以较好地反映液压系统的动态性能，改进“M”形换向阀为实际的调高系统的设计提供了新的方法。

致谢：

该研究得到黑龙江科技大学硕士研究生创新科研项目(YJSCX2016-101HKD)的支持。

[1] 刘春生，荆 凯，万 丰．采煤机滚筒记忆程控液压调高系统的仿真[J]．中国工程机械学报，2007，5(2): 142-143．

[2] 刘春生，李春华.采煤机调高液压系统的分析及逻辑设计[J].煤矿机械，1990(11)： 4-8.

[3] 刘春生.采煤机滚筒调高液压系统的多功能液压锁[J].煤矿机械，2002(5)： 16-18.

[4] 刘士阁，刘文东，张 锋.采煤机液压调高系统改进[J].煤矿机械，2011,32(6)： 184-185.

[5] 王小斌，孙宝良.采煤机液压系统故障分析及处理措施[J].煤矿机械，2000(1)： 45-46.

[6] 王本勇，刘春生，姜 伟.MG300-W采煤机液压调高系统故障分析与排除[J].煤矿机械，2010,31(9)： 254-255.

[7] 侯清泉，王本勇，林海鹏.煤矿机械液压传动[M].哈尔滨： 哈尔滨工程大学出版社，2012： 132-134.

[8] 刘春生，于信伟，任昌玉.滚筒式工作机构采煤机[M].哈尔滨： 哈尔滨工程大学出版社，2010： 165-168.

(编辑 晁晓筠 校对 李德根)

Design of height-regulating hydraulic system for shearer drum based on Automation Studio software

ZhangYanjun,LiXiaoyu

(School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022，China)

This paper is an effort to address the negative feature of single pump double drum shearer hydraulic system in use by simulating the drum height adjustment process using Automation Studio software.The median function working as a “single pump H” type reversing valve adjusting system suffers an disadvantage that height adjustment involves transferring the load from one hydraulic cylinder to other one and leaving one hydraulic cylinder subjected to the height adjustment load pressure of two rollers,thus causing an increase in hydraulic cylinder load and a reduction in the reliability of the system,accompanied by a small offset in another hydraulic cylinder position.To overcome the problem,the paper proposes a novel “hydraulic M” type reversing valve single pump of shearer height adjusting system.The result demonstrates that the design capable of improving the high reliability of the system may provide a reference for the design of coal mining machine hydraulic system.

shearer; drum; height adjusting system; Automation Studio simulation

2017-02-23

张艳军(1970-),男，吉林省白山人，高级工程师，硕士，研究方向：机械设计，E-mail：zhangyanjun001@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.006

TD421.6

2095-7262(2017)02-0123-05

A