液压冲击截齿冲击煤岩的液压及电气系统设计

陈晓阳 郭京波 刘晓洁 张元元

(河北北方学院理学院，河北 张家口 050043)

0 引 言

滚筒式采煤机是集机械、液压、电气为一体的现代化采煤装备.其具有功率大、质量重、产量高等特点，成为我国煤炭开采的主要设备[1].滚筒是采煤机的关键部件，其切割性能极为重要[2].由于采煤机的实际工作环境极其恶劣，滚筒截割对象的物理机械特性具有较大不确定性，并且采煤机在开采煤层时，截割对象已不是单纯的煤，而是煤与岩石的混合体.这会导致截齿截割冲击载荷较大，使得截齿、滚筒受损严重，甚至引起整个摇臂损坏，导致停产[3].针对以上问题，本文主要立足于预先改变煤岩特性，对采煤机滚筒性能进行改造，在采煤机滚筒上应用液压冲击截齿技术.此技术优点是可以对煤岩体进行冲击预裂，降低煤岩体对截齿的冲击载荷和摩擦阻力，提高采煤机滚筒的机械效率和寿命.

为使液压冲击截齿达到防裂和耐磨的效果，其缸体材料采用20CrMo，并进行渗碳处理[4].活塞直径和钎杆相同，保证精确传递冲击力，提高工作效率.液压冲击截齿安装结构图如图1所示.以MG300/700-WDK采煤机为假设改造对象.在采煤机滚筒的不同断面上均匀安装4个截齿安装座，并与滚筒叶片焊接.将液压冲击截齿安装在截齿安装座上.在采煤机滚筒上安装回转接头，主要为液压冲击截齿供油及为采煤机供水.在采煤机工作过程中，滚筒不断旋转切割煤岩，其不同断面上的新型液压截齿会独立、快速冲击与它接触的煤岩，造成煤岩破碎或产生裂隙，降低煤岩体对截齿和叶片的挤压和摩擦阻力，达到增加截齿切削寿命、提高截割效率.此液压冲击截齿具有冲击速度快，冲击能量大，可靠性强等优点.

图1 液压冲击截齿安装结构图

1 液压冲击截齿工作原理

如图2所示，液压油经进油口流入，通过控制油路1来控制液控换向阀3左位接通，液压油通过液控换向阀3的左位、冲击截齿A口进入液压截齿工作缸前腔，压缩活塞杆向右运动，氮气室中的氮气被压缩，处于高压状态.当液压油推动前腔活塞到达B口位置处，液压油经控制油路2控制液控换向阀3右位接通，高压氮气推动活塞杆向左运动，工作缸前腔液压油经液压换向阀3右位流回到油箱，液压冲击截齿完成一个工作循环，如图3、4所示.然后液压油经控制油路1，将液控换向阀3左位接通，液压油再次进入冲击截齿工作缸前腔，重复如图2、图3、图4所示的工作流程，循环工作，达到液压冲击截齿冲击煤岩的目的.

2 冲击截齿液压系统设计

冲击截齿液压系统是由液压泵站、阀组、管路及4个液压冲击截齿组成.液压冲击截齿均匀分布在采煤机滚筒上，通过高压油驱动截齿循环敲击煤层，使煤层表面产生裂纹，减少切刀的磨损，提高采煤效率.工作原理图及设计参数如图5和表1所示.

表1 液压冲击截齿工作参数

本文采用开式液压系统驱动冲击截齿，其最大工作压力为100bar.工作原理如图5所示.启动恒压变量泵3，比例电磁球阀6右位接通，液压油经过液压泵3、管路过滤器4、比例电磁球阀6、齿轮流量分配器7、双向平衡阀8、蓄能器9进入液压冲击截齿10的工作前腔，驱动液压冲击截齿10工作.液压油经过液压冲击截齿出油口流出，通过双向平衡阀8、风冷却器10和管路滤器11流回到油箱1.安全阀4的作用限制液压系统的最高工作压力，若高于系统最大压力，则安全阀4接通，将多余液压油溢流回油箱1.液压冲击截齿冲击煤岩体过程中，通过调节比例电磁球阀6控制液压系统流量，调节冲击截齿的冲击频率.由于4根液压截齿在冲击煤岩时受到的载荷不均，导致4根液压冲击截齿冲击煤岩的速度不同，受到负载较小的截齿冲击速度快，受到负载较大的截齿冲击速度慢或者不冲击.为避免此问题的发生，冲击截齿液压系统采用了齿轮流量分配器7，其可将液压油平均分给4根液压冲击截齿，即使当4根截齿受到不同的载荷时，它们仍能以相同的冲击速度冲击煤岩.双向平衡阀8、蓄能器9可调节液压系统的稳定性，防止空穴现象的产生，避免液压管路振动.整个液压系统结构简单，不仅缩小了安装空间，同时也提高了液压系统的可靠性，简化了操作流程.

1-油箱；2-电机；3-柱塞泵；4-压力管路过滤器；5-溢流阀；6-比例电磁球阀；7-齿轮流量分配器；8-双向平衡阀；9-蓄能器；10-液压冲击截齿；11-风冷却器

液压冲击截齿冲击频率不需要太快，所以为了节约成本以及考虑系统油量泄露，确定液压冲击截齿的驱动油量为25L/min.考虑液压系统压力损失及系统压力的稳定性，初步确定液压截齿的驱动油压要高于规定油压的30%，所以本系统的工作压力取130bar.

4根液压锤在同时工作时，所需最大流量Qmax为

Qmax=Q1×n=25×4=100L/min

式中，Q1为单根破碎锤锤所需要的流量；n为破碎锤的个数；

液压泵的额定排量Qp为

Qp≥K(∑Qmax)=1.1×100=110L/min

(1)

式中，K为系统泄露系数，取1.1.

(2)

式中，nE为4级电机的转速，取1500r/min；ηv为容积效率，取0.95.

泵的额定功率ηp为

(3)

式中，P1为液压系统的工作压力，取130bar.

电机的额定功率为

(4)

式中，ηm为泵的机械效率，取0.95.

3 电气系统设计

液压冲击截齿电气原理图如图6所示.主电路为油泵和风冷却器电机M1、M2供电.QS1为主电路总空气开关，控制主电路电流通断，同时避免电路过载、欠压.QS2、QS3分别为主泵、冷却泵电动机的支路空气开关，防止某支路短路造成总空开QS1跳闸，导致整个供电系统断电.KM1、KM2、KM3为主泵电动机的接触器，主泵电动机采用星三角方式启动，KM4为补油泵电动机的接触器.FR1、FR2分别为主油泵、风冷却器电机的热保护器，保护两电机安全工作.启动电气系统前，先闭合空开QS1、QS2、QS3，观察电压表示数是否正常.待检查电路供电正常后，闭合开关SB2，电机M1进行星三角启动，驱动液压泵站工作；闭合SB3，启动电机M2，冷却泵开始启动工作.断开SB1、SB4，主油泵和风冷却电机断电，停止工作.

图6 电气系统原理图

4 结 论

液压冲击截齿冲击煤岩装置，采用了开式液压系统，通过电位器控制比例电磁球阀的阀芯开度来控制液压系统流量，调节液压冲击截齿的冲击频率.整个液压和电气控制系统结构简单、可靠性好，增强了液压冲击截齿的冲击性能，在提高截割效率、增加截齿切削寿命方面有较大的改善，具有一定实践指导意义.