采煤机变转速液压牵引系统的设计与仿真

尹少波

（阳煤寺家庄有限责任公司综采一队， 山西 晋中 045300）

引言

煤矿企业的节能生产同样是备受关注的话题。对于液压牵引采煤机而言，由于其采用节流调速泵存节流损失和溢流的问题，导致其在节能方面无法满足降耗的要求。因此，需对传统液压牵引采煤机的液压系统进行改造，本文提出将变转速技术应用于传统液压牵引采煤机中，从而大幅度提升液压系统的节能率，从而降低液压牵引采煤机的能耗。

1 采煤机变转速液压牵引系统的总体设计

传统采煤机液压牵引系统中的核心部件为主泵，当前所选用的主流主泵的类型为变量柱塞泵。尽管变量柱塞泵在实际应用不存在溢流损失，但是该泵的结构相对复杂，对乳化液泵站所提供乳化液的要求较高。因此，在日常生产中为了确保变量柱塞泵的使用寿命，需定期对其进行检修，无形中增加了设备的维修费用，降低了采煤机的生产效率[2]。此外，基于变量柱塞泵的液压牵引系统的自动化水平较低，无法与当前高自动化水平的综采能力相匹配。为此，将变转速技术应用于传统采煤机的液压牵引系统中，液压原理图如图1 所示。

如图1 所示，变转速液压牵引系统由检测控制单元（1）、变频器（2）、主泵电机（3）、定量泵（4）、压力传感器（5）、高压安全阀（6）、背压阀（7）、冷却器（8）、单向阀（9）、电液比例方向阀（10）、牵引马达（11）、液压制动器（12）、二位三通电磁换向阀（13）、精过滤器（14）、补油泵（15）、补油电机（16）、溢流阀（17）、粗过滤器（18）以及油箱（19）组成。

基于变转速技术所设计的液压牵引系统具备如下特点：

1）本系统通过变频器实现对电机转速的控制，从而大大降低了作业人员的劳动强；

图1 采煤机变转速液压牵引系统原理图

2）电液比例阀的应用大大提升了系统的控制精度；

3）基于变转速技术能够实现采煤机电机以较低的转速运行，从而降低了系统的损耗；

4）本系统设计的液压元器件的种类及数量较少，大大提升了系统的可靠性[3]。

2 液压牵引系统元器件的选型

本文所研究采煤机的型号为MG300-W，将其传统的液压牵引系统改造为变转速液压牵引系统后需对改造后牵引系统中的变频器、电机、压力传感器等元器件进行重新选型设计。

经查阅MG300-W 采煤机的相关参数可得：液压牵引系统中主油路的最高工作压力为16 MPa，液压牵引系统中最大流量为270 L/min，采煤机电机功率为90 kW[4]。

结合各元器件的选型原则及选型依据、计算公式等完成了改造后变转速液压牵引系统中关键元器件的选型，选型结果如下页表1 所示。

3 变转速液压牵引系统性能的验证

3.1 液压牵引系统的仿真对比

为验证不同液压牵引系统的性能，分别对变量柱塞泵液压牵引系统、负载敏感液压牵引系统以及变转速液压牵引系统在阶跃负载信号下，采煤机牵引系统马达转速的变化情况[5]。

阶跃负载信号：阶跃负载由0 阶跃为500 N·m，并持续1 s 时长；在1 s 时刻阶跃负载由500 N·m 阶跃为800 N·m。仿真结果如图2 所示。

如图2 所示，变转速液压牵引系统的响应速度最快，其次为传统变量液压牵引系统，负载敏感液压牵引系统响应速度最慢。此外，当系统受到载荷突变时，变转速液压牵引系统的超调量小，即速度刚性好。

表1 变转速液压牵引系统关键元器件选型

图2 阶跃负载下不同液压牵引系统马达转速对比图

3.2 不同工况下的仿真分析

本节对比采煤机分别在重载工况、轻载工况下的性能。

3.2.1 轻载工况下的仿真

当液压牵引系统的流量为240 L/min 时，对比采煤机在轻载工况下泵的出口压力与采煤机电机功率两项指标。仿真结果如图3 所示。

如图3 所示，在流量一定的前提下，泵出口压力从小到大依次为变量柱塞泵液压牵引系统、变转速液压牵引系统、负载敏感液压牵引系统。造成上述情况的原因在于：负载敏感液压牵引系统在调速阀和电磁换向阀的共同作用下形成了两次压力损失，而变转速液压牵引系统仅由于电液比例方向阀而造成的一次压力损失；传统变量柱塞泵液压牵引系统不存在压力损失。电机功耗与泵出口压力的情况相似。

图3 轻载工况下性能对比

3.2.2 重载工况下的仿真

当液压牵引系统的流量为240 L/min 时，对比采煤机在重载载工况下泵的出口压力与采煤机电机功率两项指标。仿真结果如图4 所示。

分析图4 可知，在出口压力未达到16 MPa（牵引系统的最大工作压力为16 MPa）时，三种牵引系统泵的出口压力和电机功率的变化与轻载工况下的相似。当系统达到最大工作压力时，变量柱塞泵液压牵引系统泵的出口压力最大，而变转速液压牵引系统泵的出口压力瞬间被卸荷；对于电机功率，当系统达到最大工作压力时，采煤机电机的功率以最快的速度将为至最低，而其余两种液压牵引系统的下降速度较小。

4 结语

图4 重载工况下性能对比

目前，液压牵引采煤机仍然应用于薄煤层的开采中，其在实际生产过程中存在可靠性低、能耗大等问题。变转速技术在液压牵引系统中的应用不仅降低了液压牵引系统元器件的复杂程度，提升液压系统的可靠性，而且变转速液压牵引系统在载荷突变工况下的响应速度最快，超调量最小，为采煤机的稳定运行奠定了扎实的基础。此外，变转速液压牵引系统在重载工况下的节能效果最佳。因此，可将变转速液压牵引系统在实际生产中推广应用。