一种薄煤层采煤机调高系统设计

2021-12-07薛军

煤矿机电 2021年5期

薛军

(神东煤炭集团高端设备研发中心，陕西榆林 719315)

0 引言

调高系统是采煤机重要的功能系统[1]，一般由调高电动机、齿轮泵、调高阀组、过滤器、油箱、调高油缸、液压锁以及液压管路组成。采煤机调高系统利用液压油推动油缸活塞杆的伸缩来调整采煤机摇臂截割高度，从而实现采煤机的调高与卧底，并能利用液压锁或平衡阀使油缸活塞杆锁定在特定位置[2]，从而实现对煤矿工作面不同厚度煤层的截割。对于薄煤层采煤机而言，受空间尺寸限制，在设计其调高系统时有很多局限性，又加之薄煤层采煤机机身较轻，采煤机在割煤过程中机身振动较大，进一步加大了薄煤层采煤机液压系统的设计难度。传统的薄煤层采煤机液压系统采用单泵供液，存在调高时控制油压波动大，系统可靠性差的问题[3-5]。

对此在吸收传统采煤机调高系统设计经验的基础上，提出了一种新型薄煤层采煤机调高系统的设计方案，克服了传统调高系统的弊端，提高了薄煤层采煤机调高系统的可靠性，本设计可为今后薄煤层采煤机调高系统的设计提供参考与借鉴。

1 调高系统工作原理

传统薄煤层采煤机调高系统在设计时一般采用简单的单泵调高系统，即系统高压和低压均采用同一齿轮泵提供压力。实践证明，单泵调高系统在调高过程中控制压力极不稳定，对液压系统元部件冲击较大，易导致各类故障。本设计提出了一种新型薄煤层采煤机调高系统。该系统采用双联系齿轮泵，主泵用于提供调高回路油液，辅泵用于提供手液动换向阀、液压制动器的控制油液，通过2只H型手液动换向阀串联来实现左右摇臂的升降。当采煤机不需调高时，齿轮泵出口处的压力油经手液动换向阀中位回油池。齿轮泵出口设计高压溢流阀，高压溢流阀调定压力为18 MPa，起安全阀作用。另外为了保证系统具有一定压力，为手液动换向阀、液压制动器提供控制压力，本调高系统在回油端设计了低压溢流阀，低压溢流阀调定压力为2.5 MPa。

本薄煤层采煤机调高系统工作原理如图1所示。当调高手柄往里推时，手液动换向阀工作位置在左位，P口与A口接通，B口与O口接通，高压调高油液经单向节流阀后，进入液力锁，同时将油缸的进油通道和回油通道打开，油液进入调高油缸大腔(无杆腔)，同时小腔(有杆腔)的油液经液压锁后，返回油箱，从而实现摇臂升高。当中断操作时，油缸中的油液被液压锁“锁定”，使油缸固定于特定长度，从而实现摇臂固定在某一特定位置；当调高手柄往外拉时，手液动换向阀工作位置在右位，P口与B口接通，A口与O口接通，高压调高油液首先进入液压锁，同时将油缸的进油通道和回油通道打开，油液进入调高油缸小腔，同时大腔的油液经液压锁和单向节流阀后，返回油箱，从而实现摇臂降低。单向节流阀布置在大腔回油端，其作用是控制此油路的回油量，避免因摇臂自重的作用使系统压力急剧波动，导致摇臂下降抖动。当操作端头站或遥控器时，电磁换向阀动作，将控制油引到手液动换向阀相应的控制阀口，使换向阀动作，也能实现摇臂升降。

图1 薄煤层采煤机调高系统原理

2 调高系统元部件的布置及设计选型

针对薄煤层采煤机采高低、机身薄的特点，本设计充分利用机身结构，将体积较大的泵电动机横向布置在煤壁侧，由煤壁侧装入牵引部。充分利用牵引部壳体不规则空间构成的封闭区域来作为该调高系统的油箱。泵电动机与油箱之间布置粗过滤器，保证进入双联齿轮泵的油液洁净。泵电动机与双联齿轮泵之间通过泵连接组件连接，集成阀组布置在支架侧方便检查系统压力及维修，在调高油缸的大腔，也就是油缸下降时的回油路上增加一个单向节流阀。通过调节回油流量的大小来控制摇臂下降的速度，避免摇臂“抖动”发生，上述元部件通过连接接头及管路连接。本研究设计的薄煤层采煤机调高系统元部件布置如图2所示。

2.1 泵电动机选型

本研究选用的泵电动机为矿用隔爆型三相异步电动机。可适用环境温度低于40 ℃，且有甲烷或爆炸性煤尘的采煤工作面。根据调高系统油压与油量确定泵电动机功率，主要规格及技术参数见表1。

表1 泵电动机技术参数

2.2 双联齿轮泵选型

根据调高油缸大小和摇臂升降速度、系统工作油压，确定双联齿轮泵主泵排量8 mL/r，用于提供调高回路油液，辅泵排量4 mL/r，用于提供手液动换向阀、液压制动器的控制油液。该双联齿轮泵具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠等特点，适用于薄煤层采煤机，其主要技术参数见表2。

1-泵电动机；2-泵连接组件；3-油箱；4-粗过滤器组件；5-双联齿轮泵；6-单向节流阀；7-连接接头及管路；8-集成阀组。图2 薄煤层采煤机调高系统元器件布置

表2 双联齿轮泵技术参数

2.3 集成阀组设计

采煤机调高阀组是调高系统中重要的组成部分，为了满足薄煤层空间狭小的需求，在设计该集成阀组时采用组合阀体的结构，最大限度的压缩阀体的高度尺寸120 mm，合理布置调高回路和制动回路接头与管路的连接。该阀组总体呈上下两层布置，由螺栓把合在一起并通过端面密封圈密封，内部布局合理，而且一旦损坏，维修方便；阀组内部采用两组手液动换向阀串联的结构，高压油路可控制左右摇臂的调高，高压油路与低压油路分别由不同的齿轮泵提供高压和低压，实现系统了压力稳定。其布置结构如图3所示。

该集成阀组的主要元部件包括压力表，电磁阀，溢流阀、操作手柄、连接接头等结构。本调高系统中选用的电磁阀，以34GDEY-H6B-T隔爆型电磁换向阀作为手液动换向阀的先导控制，实现电液控制。电磁换向阀的油口与手液动换向阀的控制油腔相通，当得到机器两端的端头站电信号时，电磁换向阀动作，使得控制油源进入手动换向阀的一端控制油腔，另一端控制油腔与回油相通，推动阀芯换向动作，实现摇臂升降。本项目设计的高压安全阀和回油低压溢流阀均采用DBD直动型溢流阀。高压安全阀选用DBDS10K10/31.5型，实际工作压力为18 MPa；低压溢流阀选用DBDS10K10/5型，实际工作压力2.5 MPa。这种直动溢流阀，结构简单，采用阀芯尾部导向结构，阀芯开启平稳，复位可靠。在集成阀组内部设计了精过滤器，主要保证控制油源的油质清洁，采用纸质滤芯，过滤精度为10 μm。

2.4 过滤器

据统计65%的液压系统问题，皆因液压系统油液进入煤尘等杂质造成油液污染引起的[6-7]。因薄煤层采煤机腔体较小，容油量少，调高系统油液循环频率相对较高，当调高系统油液被污染以后，相较于中厚煤层采煤机更容易出现故障，针对此问题，在本薄煤层调高系统中，设粗、精过滤器各一个，保障进入齿轮泵和集成阀组油液的洁净。

粗过滤器安装位置如图2所示，外形如图4所示，采用网式滤芯，过滤精度为80 μm，过滤能力100 L/m。过滤器采用自封式结构，在其尾部设有单向阀，当更换阀芯时，单向阀关闭，防止油箱中的油液溢出。另外，考虑到薄煤层采煤机在大倾角工作面使用时，左右工作面油液在油腔中位置不同，因此在设计该粗过滤器组件时，在其尾部设计了一根油管，固定在油箱中间部位，避免在大倾角工作面吸空损坏齿轮泵。

1-油箱；2-连接接头及管路；3-油箱中部固定吸油口；4-粗过滤器。图4 粗过滤器组件

2.5 油缸设计

调高油缸是采煤机调高系统中的重要组部成分[8]。调高油缸一方面为了满足采煤机调高与卧底的需要，须保证一定的工作推力和行程；另一方面活塞杆在油缸往复运动过程中承受较大的拉力、振动冲击等，为了保证使用可靠性，须具有较高的刚度与强度。而在薄煤层采煤机中，受空间因素限制，要求油缸的设计尽量紧凑。为了解决这一矛盾，提高薄煤层采煤机调高系统适应性和可靠性，本文提出了一种紧凑型调高油缸，其结构如图5所示。

图5 紧凑型调高油缸结构

本调高系统设计中，为了保证采煤机具备较大的卧底量，油缸最小长度压缩至540 mm。另外，为了简化结构，且避免沿程压力损失和局部压力损失，取消了液压锁与油缸间的胶管连接。同时为了减小油缸体积，优化接头、油道布置，将双向液力锁集成在缸体上。除此之外，在缸体和导向套之间设计了防松动弹性销，达到防止油缸导向套松动脱落的目的。