采煤機截割液壓系統的仿真與改進設計

程衛綱

（山西焦煤西山煤電杜兒坪煤礦機電科， 山西 太原 030022）

引言

采煤機作為綜采工作面的核心機電液壓設備，其生產效率和安全性直接決定綜采工作面的產量及安全性。截割部作為采煤機的核心機構，該部件的性能直接決定采煤機的整機性能[1]。本文將著重對采煤機截割液壓系統的動態特性進行分析，并針對其所存在的問題對其進行改進設計。

1 采煤機截割部液壓系統的概述

采煤機的截割部共包括有四個截割滾筒，每個滾筒均是由液壓系統驅動完成的，且每兩個截割滾筒安裝于滾筒的機架上[2]。液壓系統作為采煤機截割部的驅動動力，在其選型過程中需重點考慮截割的流量、安裝控件以及散熱性能等。

采煤機截割液壓系統分為閉式液壓系統和開式液壓系統，兩種液壓系統的對比如圖1 所示。

圖1 采煤機截割部液壓系統對比

經分析，閉式液壓系統幾乎不存在油液泄露且系統效率及節能效果好，但系統散熱性能較差；開式液壓系統需要大油箱為其提供保障，該系統雖然擁有較好的散熱性能，但是其效率較低。經對比閉式液壓系統和開式液壓系統的優劣性，結合采煤機的工作環境及工況，其截割部一般選擇節能效果好、效率較高的閉式液壓系統作為驅動滾筒的動力[3]。為解決閉式液壓系統散熱性能的弊端，提出采用半閉式截割液壓系統來驅動采煤機截割部的滾筒。

2 采煤機截割液壓系統現狀的分析

本文所研究采煤機截割部的控制方式為恒功率控制，在實際工作中根據實時工作壓力對軸向柱塞泵的排量進行調節。經分析可知，半閉式液壓系統的節能性能及油箱容積等方面均優于開式液壓系統；半閉式液壓系統的散熱性能優于閉式液壓系統[4]。因此，本文所提出的半閉式液壓系統滿足實際生產的需求。為具體得出采煤機截割液壓系統所存在的問題，本文對其液壓系統的動態特性進行仿真分析。

2.1 仿真設置

設定本次仿真的時長為100 s，其中0～70 s 為采煤機截割滾筒的啟動時間，70～100 s 為采煤機截割滾筒的恒功率控制時間。要求在啟動階段，采煤機截割滾筒的轉速增至32 r/min；在恒功率控制階段，控制功率為125 kW。

2.2 仿真結果的分析

2.2.1 壓力動態特性

如圖2 所示，當截割部在空載啟動階段時，截割部所承受的外部壓力幾乎為零；當截割部接入負載時，截割部所承受的最大壓力沖擊約為51.3 MPa。本文所研究采煤機截割部的半閉式液壓系統中所選型的變量泵的最大壓力值為40 MPa，截割馬達的最大壓力值為45 MPa。鑒于截割液壓系統所受到的最大壓力沖擊均大于該系統中元器件的最大承載量。故，需對截割液壓系統采取相應措施以降低外部載荷對系統所造成的沖擊。

圖2 采煤機截割液壓系統的壓力動態特性

2.2.2 速度動態特性

截割液壓系統的速度動態特性結果如圖3 所示。

圖3 采煤機截割液壓系統的速度動態特性

如圖3 所示，采煤機截割部在空載狀態下啟動時，滾筒轉速在經歷一段時間的振蕩后，逐漸穩定在32 r/min。當采煤機截割部接入外界負載時，滾筒轉速發生了較大的波動，也就是所謂的滾筒失速，甚至在82 s 左右滾筒停止運轉。為確保采煤機截割部滾筒在外界負載接入后依然能夠保持其運轉在21～42 r/min 之間，需對液壓系統進行改進。

綜上所述，采煤機截割部當有外界載荷接入時，其液壓系統存在壓力沖擊、滾筒失速的問題。壓力沖擊和滾筒失速在一定程度上影響采煤機的截割效率，降低截割部截齒的使用壽命。因此，需從上述兩個方面對截割液壓系統進行改進設計。

3 液壓系統壓力沖擊及滾筒失速原因的分析

造成壓力沖擊的原因：在實際生產中，采煤機截割部所面對煤體或者巖體的硬度是不斷變化的，也就是說其負載力矩是不斷變化的。基于半閉式液壓系統的控制原理，截割部的負載直接決定了液壓系統的壓力[5]。當采煤機截割部在較軟煤層和較硬巖層中間來回切換運行時，其負載不斷變化，進而導致液壓系統的壓力不斷變化，從而引起了壓力沖擊。鑒于工作面地質構造的復雜性，僅能通過抑制壓力沖擊的發生來解決液壓系統壓力沖擊的問題。

滾筒失速的原因：當采煤機截割部進入截割模式后，截割液壓系統的控制器也隨之切換為恒功率控制器。基于恒功率的控制原理，當系統的壓力增大時，為確保壓力與流量的乘積為定值，系統的流量勢必減少。也就是說，當外界負載壓力增大到一定程度時，其輸出流量降低至無窮小，從而導致滾筒的失速，甚至降為零。因此，造成滾筒失速的原因與其恒功率控制器和系統的壓力波動相關。

4 截割液壓系統的改進設計

為解決液壓系統的壓力沖擊和滾筒的失速問題，本文特將阻尼可變蓄能器、峰值力矩限制器、轉速控制器等元器件加入截割部的液壓系統中。改進后截割部液壓系統的原理如圖4 所示。

圖4 改進后采煤機截割部液壓系統原理圖

如圖4 所示，蓄能器的主要功能是對液壓系統所承受的壓力沖擊進行緩沖。當采用蓄能器后液壓系統的壓力仍在增大時，可通過峰值力矩限制器對其壓力值進行監控，當壓力值超出限值時系統會發出報警信號，此時采煤機的大臂油缸和小臂油缸均會停止運行，避免由于壓力的持續上升對系統的元器件造成沖擊。

轉速控制器會對采煤機截割部滾筒的轉速進行實時監控。當滾筒的轉速達到臨界值時，該控制器會臨時取代恒功率控制器對滾筒轉速進行控制；并由轉速控制器發出的報警信號對采煤機的大臂油缸和小臂油缸進行控制，進而減小滾筒的牽引速度，從而確保了采煤機滾筒的正常運轉。

5 結語

采煤機作為綜采工作面的關鍵機電液壓設備，其主要承擔工作面煤層的開采。將可變蓄能器、峰值力矩限制器以及轉速控制器引入傳統截割液壓系統中，可實現對壓力沖擊的緩沖，替代恒功率控制器等，為采煤機截割部的穩定運行奠定基礎。