掘进机液压系统的改造

张宇鹏

（阳煤寺家庄有限责任公司开拓二队， 山西 昔阳 045300）

引言

掘进机被广泛应用于综采工作面巷道掘进及煤炭开采中，是机械、电气以及液压一体化的典型设备，实现物料的截割、装运以及行走等功能。在众多类型的掘进机中，悬臂式掘进机以其成本低、尺寸小以及截割效率高等优势被广泛应用。近年来，随着作业人员工作条件的逐步改善，对掘进机的舒适程度、安全等级、智能化水平提出了更高的要求[1]。此外，传统掘进机液压系统为传动系统，其保压性能较差，导致掘进机的截割面积和高度无法满足实际生产需求，进而影响掘进机的工作效率和综采工作面的产煤效率。因此，急需对当前掘进机的液压系统进行改造，使其功能更加完善，提升液压系统的适应性和可靠性。

1 掘进机液压系统存在问题

传统掘进机液压系统由液压泵提供一定流量的乳化液，并通过控制比例阀的开口方向实现对掘进机截割臂向右或者向左的水平摆动，从而实现了掘进机的截割工作[2]。经实践应用发现，当前掘进机主要存在功能单一、控制精度低等问题，具体表现为：

1）当前掘进机的某些功能需人工手动控制，使得工作人员的劳动强度大及安全性较低。

2）当前掘进机对悬臂的控制需作业人员根据经验及目测结果完成。在实际生产中，当出现负载突变时，液压系统的压力及流量未能够及时调整，进而导致系统压力和流量出现较大波动，无法满足工作面截割高度和截割面积的要求，出现超挖或者欠挖的情况，对后期巷道的支护造成影响。

3）传统液压系统无法实现对掘进机的自动化控制。

2 掘进机液压系统的改进方案

综合分析传统液压系统存在的问题，为实现掘进机液压系统的自识别和自动化控制功能，将比例调速阀、比例溢流阀以及相关传感器应用于液压系统的改进设计中[3]。

3 改进后液压缸的液压系统原理分析

改进后的液压系统原理图如图1 所示。

图1 改进后液压系统的原理图

如图1 所示，改进后的液压系统主要由过滤器（1、19）、变量泵（2）、电机（3）、插装阀（4、10）、电磁换向阀（5、7、11、15）、比例调速阀（6）、比例溢流阀（8）、单向阀（9）、压力传感器（12）、液压缸（13）、位移传感器（14）、溢流阀（16、18）、冷却器（17）组成。

工作原理：当掘进机截割头未与煤层相接触时，三位四通换向阀7 动作，快速推进活塞，即截割头快速到达煤层；当掘进机截割头与煤层开始接触时，比例调速阀开始动作，并经位移传感器将液压缸内活塞杆的位移信号传至控制器，结合处理结果，通过比例节流阀控制液压缸的推进速度；当截割头的外部载荷突变时，压力传感器将采集到的压力信号传至控制器。通过控制比例溢流阀的开口实现对液压缸内压力的调节[4]。

4 改进后液压元件的选型

结合现场工作面的实际掘进工况分析，要求液压缸最大压力Fmax=130 kN。

4.1 液压缸的选型

液压缸的选型基于式（1）：

式中：PL为系统所承受的负载压力MPa=10 MPa，Ps为系统的初选压力，为15 MPa；A为液压缸的有效作用面积；D为液压缸内径，mm；d为活塞杆直径，mm，其中经计算可知，D=160.82 mm，d=96.49 mm。参照设计手册，所得液压缸的关键参数如表1 所示。

表1 液压缸关键参数 mm

4.2 液压泵的选型

4.2.1 液压泵压力的核算

在实际工作中，液压泵的最大压力为负载压力与所损失压力的和。则有：

式中：P1P为液压泵的最大压力；∑ΔP为所有的压力损失，∑ΔP=1 MPa。则，P1P≥16 MPa。为确保系统运行的安全性，取Pe=（1.2～1.7）P1P=19.2～27.2 MPa。

4.2.2 液压泵流量的核算

液压泵流量核算公式如式（3）所示：

式中：K为液压泵的泄露系数，取1.3；∑qmax为系统的最大流量，取7.04 L/min。

经计算，qp≥9.16 L/min。经参照相关设计手册，所选液压泵的参数如表2 所示。

表2 液压泵参数表

4.2.3 其他液压元件的选型

根据液压系统原理图，本节对溢流阀、调速阀以及相关传感器进行选型[5]。选型汇总如表3 所示。

5 改进后液压系统的仿真分析

5.1 液压系统仿真模型的建立

为分析液压系统改进前后的性能，本文基于AMEsim 软件对系统改进前后负载突变时系统的速度及压力变化情况进行对比分析。液压系统改进前后的仿真模型如图2 所示。

表3 其他元器件选型汇总表

图2 改进前后液压系统仿真模型

5.2 仿真结果对比

设定系统的流量为5 L/min，系统初始压力为5.1 MPa，运行后载荷压力突变为6.2 MPa。

5.2.1 改进前仿真结果

改进前仿真结果如下页图3 所示。

如图3 所示，系统在初始压力下运行时，液压缸压力的最大超调量为5.65 MPa，速度的最大超调量为3.9 mm/s，并最终在1.4 s 以后压力稳定并维持在5.06 MPa，1.5 s 后速度稳定并维持在2.05 mm/s；负载突变后，系统压力的最大超调量为6.63 MPa 并最终于6 s 稳定于6.1 MPa，速度最大超调量为3.54 mm/s，并最终于6 s 稳定于2.05 mm/s。

5.2.2 改进后仿真结果

改进后仿真结果如下页图4 所示。

图3 改进前仿真结果

如图4 所示，系统在初始压力下运行时，液压缸压力的最大超调量为5.63 MPa，速度的最大超调量为3.85 mm/s，并最终在0.8 s 以后压力稳定并维持在5.09 MPa，0.8 s 后速度稳定并维持在2.05 mm/s；负载突变后，系统压力的最大超调量为6.61 MPa，并最终于5.8 s 稳定于6.1 MPa，速度最大超调量为3.33 mm/s，并最终于5.8 s 稳定于2.05 mm/s。

综上所述，改进后液压系统的压力和速度的超调量均变小，且调整时间也缩小。

6 结语

掘进机作为综采工作面必不可少的大型机电设备，传统液压系统无法满足实际截割高度和面积的要求。将比例溢流阀、调速阀以及相关位移、压力等传感器引入其液压系统中，实现了掘进机液压系统的自动控制，且经仿真分析改进后的液压系统在控制过程中的超调量减小，调整时间也缩小。

图4 改进后仿真结果