矿用掘锚机液压系统典型故障机理分析与处理

2018-05-11李永安

采矿与岩层控制工程学报 2018年2期

李永安

(1.山西天地煤机装备有限公司，山西太原 030006；2.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006)

煤矿用MB670型掘锚机是为了加快巷道掘进速度而设计的集掘进、锚护及除尘一体化快速掘进设备，具有截割、装载、支护同步平行作业、一次成巷功能，实现了连续不间断采煤，具有安全性高、巷道成型质量高的特点[1-4]。掘锚机液压系统控制回路及执行元件多，部分元件结构和原理复杂，导致液压系统故障现象多样，原因各异，故障排查难度大。国内，刘方振对ABM20型掘锚机液压系统的电磁阀和油液乳化等故障进行排查[5]，王艳杰等对MB670型掘锚机多路阀中溢流阀在维修时弹簧安装座装配错误问题做了分析[6]。针对掘锚机在使用过程中液压系统出现的几种典型故障，本文从关键元件的原理、内部结构、技术工艺参数等角度出发，分析故障原因，提出故障解决或预防措施。

1 掘锚机液压系统主要功能及技术特点

1.1 掘锚机液压系统的组成

图1为MB670型掘锚机(下文简称掘锚机)掘进工艺简图。掘锚机主要由截割部，装载部，锚钻系统，电控系统，底盘，水冷系统，转载部，除尘系统，润滑系统，液压系统组成。其中液压系统可分为泵站模块，本机油缸控制模块，行走、临时支护和锚钻供油控制模块，顶锚、帮锚控制模块以及增压水泵、风机驱动控制模块等。油缸控制模块主要由多路阀控制掏槽，输送机升降与摆动，后机身支撑，截割滚筒的升降和扩展，铲板的升降与扩展等执行元件动作。行走、临时支护和锚钻供油控制模块主要包括行走的驱动，制动与解制动，高低速切换，临时支护机构的控制，锚钻系统供油流量、压力以及顶锚和帮锚的逻辑闭锁控制。增压水泵、风机控制回路主要用于控制水冷系统增压水泵和除尘系统风机的启停。

图1 MB670型掘锚机掘进工艺简图

1.2 掘锚机液压系统的技术特点

该系统为开式液压系统，采用两联负载敏感和压力切断功能的A4V系列变量柱塞泵和双联叶片泵作为动力源，分别为行走、锚钻模块，油缸控制模块，增压水泵和风机提供动力。系统采用负载敏感多路阀作为主控制阀[7]，电磁换向阀或比例方向阀作为先导控制阀，除锚钻系统外，其余与液压相关动作基本实现遥控操作。液压系统流量约780L/min,额定压力28MPa。系统执行元件共有液压马达12件，油缸50件，使用胶管600余根，控制回路相对复杂。

2 典型故障现象原因分析及处理

2.1 开启行走时液压系统的压力剧烈振荡

图2为油源控制模块液压原理图，电机1驱动A4VSO变量柱塞泵2向系统供油，其中P1口去油缸控制回路，P2口去行走、临时支护和锚钻模块，节流阀3和电磁阀4位于负载压力反馈Ls回路，Ls1和Ls2分别取自油缸控制回路和行走、临时支护和锚钻模块负载信号。

1—电机；2—A4VSO变量柱塞泵；3—节流阀；4—电磁阀图2 油源控制模块液压原理

行走回路采用负载敏感变量泵-负载敏感比例多路阀-液压马达+减速器方案。开启行走时，系统压力出现持续剧烈振荡。

原因分析，泵的变量机构——Ls负载反馈阀-主阀压力补偿阀，节流口组成一个复杂的压力流量控制系统，所以压力振荡问题的实质就是系统稳定性问题[8]，而系统的稳定性和诸多环节参数有关，就现场可操作性而言，有油泵负载敏感阀的压差值、主阀的阀口开度、反馈回路的阻尼大小等。本文通过适当调节3单向节流阀减小节流口开度，加大Ls反馈油路的阻尼特性，消除压力振荡。

2.2 液压系统的压力无法正常建立

理论上，造成压力无法正常建立这一现象的因素很多，如变量泵2(图2)上的负载敏感阀和压力切断阀故障，电磁阀4故障，多路阀故障等。根据现场情况，至于负载敏感变量泵Ls反馈油路的电磁阀4故障，引起液压系统的压力无法正常建立的几率较大。这是因为电磁阀4用于通断反馈信号，在回路中起安全作用，防止误操作控制阀组时引起机构工作。所以当电磁铁故障或阀芯卡滞时，来自控制阀组的反馈Ls信号可能被卸荷，油泵始终处在待命状态，系统压力维持在2.5MPa左右。

2.3 由于负载敏感比例多路阀引起的故障

掘锚机液压系统的技术方案，主要采用“负载敏感变量柱塞泵-负载敏感比例多路阀-执行元件”的控制方案，技术策略相对简单。因此，限于篇幅，文中不再附出由负载敏感多路阀控制回路的液压原理图。然而，负载敏感比例多路阀是一个由多个不同功能的插装元件组成相互耦合的具有特定压力、流量调节特性的集成度高的复杂元件[9]，由于原理和内部结构相对复杂，现场很多故障现象都和负载敏感比例多路阀有关，所以重点讨论研究负载敏感比例多路阀的故障现象、原因和处理措施。图3为负载敏感比例多路阀主阀(一片)的结构图，主要构成元件有限位螺钉、主阀芯、二次溢流阀和压力补偿器组成。限位螺钉用来限制主阀芯的行程，二次溢流阀通过限制负载反馈Ls的压力，进而控制本片阀的最大输出压力，该片阀是否能给负载提供足够的压力主要和它相关，压力补偿器用于消除负载变化对该片主阀输出流量的影响，同时也可以保证多片主阀在控制不同大小负载时，可以多片同时输出流量，各片之间互不影响。

图3 负载敏感比例多路阀主阀结构

2.3.1 负载敏感比例多路阀先导电磁阀的卡滞

滑阀，特别是电磁铁驱动的滑阀，因固体颗粒物卡滞而失效的现象十分普遍[10-11]。早在1965年，美国的俄克拉荷马州立大学的流体动力研究中心就对电磁换向阀的污染卡紧力与污染浓度之间的关系做了实际测量[12-13]。吴小霞也分析了固体颗粒物对换向阀性能的影响，研究表明固体颗粒会滞留于配合间隙，产生污染卡紧力，当电磁铁推力不能克服所有阻力时，就会使得换向速度变慢甚至完全不能换向[14]。

MB670型掘锚机中先导电磁阀的阀芯与阀体配合间隙较小，为0.002～0.008mm,系统使用过滤精度10μm的过滤器，明显大于阀芯与阀体配合间隙，未被过滤的颗粒物造成阀芯易卡滞。另外，先导电磁阀的电磁铁采用本质安全型电路，电路功率较小，瞬间驱动功率约3W，保持功率为1.5W，此功率值远远小于市场上同等规格电磁阀的电磁铁功率，所以电磁铁提供的阀芯推力有限，造成阀对污染物敏感。图4为出现卡滞的电磁阀阀芯，图中I区域为卡滞污染物聚集处。现场处理，可拆下电磁铁，用煤油清洗阀芯和阀体，将清洗过的阀芯装入阀体，推拉阀芯顺畅、无卡滞感即可。其次，建议更换更高过滤精度的滤芯。

图4 出现卡滞的电磁阀阀芯

2.3.2 负载敏感比例多路阀流量问题

掘锚机的行走控制回路和临时支护回路都采用一片阀控制一个马达或油缸，使用过程中有时会出现行走跑偏或临时支护油缸两边不同步的问题。一般情况下，可通过调节图3中的限位螺钉来调节主阀芯的阀口开度，实现调节阀的输出流量，进而改变执行元件的速度。如果上述方法不能满足要求，也可以通过调节压力补偿器的螺杆，改变阀口前后压差来改变阀的输出流量。具体原理：

(1)

式中，Q为经过阀口的流量；Cd为流量系数，定值；A为过流面积，与阀口开度有关；ΔP为阀口前后压差；ρ为油液密度，定值。

在图3中，调控压力补偿器阀的螺杆可以改变芯的预压缩力，进而改变了主阀节流口前后压力差ΔP，由流量公式(1)可知，阀口前后压差ΔP变化，导致主阀输出流量的变化，以达到调节执行元件运行速度的目的。