二次調節靜液驅動技術在無軌膠輪車中的應用

胡 昊

（山西潞安集團機電處， 山西 長治 046000）

引言

煤礦輔助運輸設備是煤炭生產中的重要設備，其任務是在礦井內運輸除煤炭之外的材料、設備和人員等。煤礦輔助運輸設備的生產和使用必須適應煤礦輔助運輸的特點，即：運輸線路交錯連接，復雜多變；運輸地點分散，環節多；運輸對象繁多，特性各異。這使得煤礦輔助運輸設備具有結構上的復雜性、類型多樣性和數量眾多性。隨著當前煤礦井下大量輔助運輸設備的應用，能量的利用效率是人們需要關注的一個重點問題[1]。

1 潞安集團漳村煤礦運輸設備存在問題

在潞安集團漳村煤礦輔助運輸設備中，很多的驅動部分用到了液壓驅動，這是由液壓驅動本身的優點決定的，比如功率質量比大、出力大、體積小、能量傳輸比機械傳輸方便靈活，與電氣設備相比，適用于井下有瓦斯等易爆場合。煤礦井下輔助運輸設備中所用的液壓系統，往往包含了為了滿足各種控制要求的控制閥，控制閥是采用節流原理工作的，工作當中會有大量的能量損失，液壓系統效率較低，影響整機的能量利用效率，造成大量的浪費，從目前煤礦輔助運輸設備中液壓系統的使用情況來看，液壓節能問題考慮的不多，尤其是幾乎沒有將節能效果非常好的二次調節靜液驅動技術應用到具體的設備中[2-3]。

2 二次調節靜液驅動的原理與特點分析

2.1 二次調節靜液驅動的原理

二次調節靜液驅動是指在恒壓網絡中對液壓能與機械能進行互相轉換的液壓二次元件所進行的調節，其結構示意圖如圖1 所示，主要由二次元件、變量油缸、電液伺服（比例）閥、控制器、測量元件等組成。

從圖1 可知，二次元件從恒壓網絡獲得能量，反饋給恒壓網絡能量的大小與其排量直接相關，電液伺服（比例）閥輸入電流大小控制變量油缸的流量，進而控制二次元件排量。二次元件轉速的變化情況由測量元件進行檢測，并將信號進行傳遞、放大，其結果決定著變量油缸左右移動，通過二次元件的斜盤擺動來改變二次元件的排量，使系統跟隨所設定的輸入信號工作在某一狀態，這個狀態可以是無級變化的。同時系統時還利用位移傳感器用來構成內部小閉環，進一步提高系統性能。

圖1 二次調節靜液驅動工作原理

因此，二次調節靜液驅動系統中的二次元件對負載轉速變化的響應是依靠自身所形成的閉環通過調節它的排量來完成的，不會改變網絡系統的工作壓力。通過改變二次元件的斜盤擺動方向，為能量回收和再利用提供可能性。當二次元件在泵工況下工作時，可向系統饋送能量，能量可由蓄能器等形式儲存，也可以直接輸送給其他系統[4]。

2.2 二次調節靜液驅動的特點

1）多個二次元件可以同時工作在一個恒壓網絡系統上，系統壓力幾乎不變，能根據負載需要從系統獲取能量，二次元件之間互不影響，除了電液伺服（比例）閥處可忽略的節流損失外，系統中其他地方沒有原理性節流損失和溢流損失，系統效率極高。

2）二次元件可以在泵工況狀態下工作，向系統饋送由制動、高差等轉換來的能量，實現了能量的再利用，進一步提高了系統的效率。

3）通過連續改變二次元件的斜盤擺角來實現對控制對象的無極調節，并能改變二次元件的轉向，操控方便。

4）可將二次元件送的能量儲存在蓄能器中，滿足大功率工況的需求，減小液壓泵站的裝機功率，節省能源配置。

5）回饋于蓄能器中的液壓能可輔助二次元件啟動負載，減少啟動時間，提高工作效率，并且不會產生壓力沖擊，延長元件壽命。

6）二次調節靜液驅動系統提供了新的液壓控制結構，可采用不同的控制規律實現轉角、轉速、轉矩等的單獨控制和復合控制。

3 二次調節靜液驅動在無軌膠輪車中的應用

3.1 概況

潞安集團漳村煤礦位于山西長治郊區，經多次擴建，當前實際生產能力為350 萬t/年。技術改造后，該礦井下輔助運輸系統采用了部分WC5J 煤礦用防爆無軌膠輪車。該設備以大功率ZL4110DFB 防爆柴油機為動力，由機械傳動、濕式制動、后輪驅動組成。設備工作制動采用液壓系統，安全可靠。但該無軌膠輪車耗能較高，造成了輔助運輸成本大大增加，針對這一情況，為了有效提高能源的利用效率，降低輔助運輸成本，決定采用二次調節靜液驅動技術進行改造，以實現節能的目的[5]。

3.2 二次調節靜液驅動技術的改造

經分析，決定以無軌膠輪車的行走和轉向兩個部分的二次調節靜液驅動的應用進行研究。改造原理：恒壓變量泵向液壓變壓器、二次元件和變量油缸提供恒壓油源。控制器對給定信號、位移傳感器和測量元件的反饋信號，按一定算法進行計算得到控制號，然后把控制信號經放大后輸出給電液伺服（比例）閥，控制進入變量油缸的油量，驅動二次元件的斜盤擺動，改變二次元件的排量，使二次元件的輸出轉速或轉矩與給定信號相一致。轉向控制是通過液壓變壓器、轉向油缸和換向閥實現的，當轉動方向盤，可改變液壓變壓器的變壓比，達到克服轉向負載所要求的驅動力，左轉和右轉的互換是通過換向閥來切換的，換向閥是在方向盤和液壓變壓器的過零位置時開始切換的。基于二次調節靜液驅動的行走部分和轉向部分，能隨著負載需要，從恒壓網絡獲取相匹配的能量，幾乎沒有能量損失，并可在減速或制動時進行能量回收。

4 結論

目前，對于煤礦輔助運輸的機械設備的液壓系統的使用幾乎沒有考慮到節能的問題。二次調節靜液驅動隨著負載的需要從恒壓網絡中獲取匹配的能量，能量損失非常之小，并具有能量回收和重新利用的特性，從二次調節靜液驅動在無軌膠輪車中的應用情況來看，具有很好的節能效果。但是當前，我國對于煤礦輔助運輸設備的二次調節靜液驅動的研究工作較為落后，也沒有研究成型的產品設備，這將是今后煤礦機械節能改造的一個熱點問題。