超大采高綜采工作面乳化液泵站系統

陳偉， 王存飛， 邊燕

(國家能源集團神東煤炭集團， 陜西 神木 719315)

0 引言

隨著我國煤炭開采技術的飛速發展，結合我國煤層的特殊地質條件，一次采全高采煤技術目前廣泛應用于礦井生產。煤炭企業為了提高單產水平和煤炭采出率，綜采工作面采高由4.3，4.5，5，5.5，6.3，7 m至8.8 m發展，結合超大采高開采技術的應用，相應配套設備如超大功率刮板輸送機、超大功率采煤機和超大采高支架應運而生[1-2]。高壓大流量乳化液泵站系統作為大采高煤礦井下的關鍵動力源，擔負著向綜采工作面液壓支架、刮板輸送機的油缸提供動力的任務，可實現支架成組推溜、快速降架、移架、升架等功能，其配合大功率采煤機，可實現快速采煤的需求，是實現工作面高產高效的關鍵設備[3-4]，其工作的連續性、穩定性與可靠性對于保證煤炭企業的安全生產和提高經濟效益具有非常重要的意義。

國外制造商在高壓大流量泵站研制上處于領先地位，如德國KAMAT的K800乳化液泵站，流量達到1 185 L/min,額定壓力為35 MPa,在壓力和流量等級不斷提高的背景下，電動機普遍采用變頻電動機，潤滑系統采用外置潤滑和內置潤滑相結合的方式，控制系統采用智能變頻控制與電磁卸荷方式，并配備了多種傳感器對泵站進行監測及控制[5-6]。

目前國內的主流泵站流量一般為400 L/min，近年來，一些相關公司先后研發了流量為630 L/min、公稱壓力為37.5 MPa的乳化液泵，攻克了大流量液力系統、大功率傳動系統、電磁卸荷、變頻調速等關鍵技術，并在國家能源集團、兗礦集團、淄礦集團等國家重點煤礦集團進行了大規模推廣，取得了優異的示范效果[7]。但在材料和工藝方面仍需改進，關鍵零件的耐久性、可靠性有待提高，例如吸排液閥芯、彈簧、電磁卸荷閥閥芯、電磁先導閥等；密封件長期依賴進口，如格萊圈、旋轉油封、滑動油封；電磁卸荷普及程度依然較低，同時響應速度、壽命無法完全滿足需求，依然需要機械卸荷來提供保障；變頻調速響應速度慢，無法有效降低增壓卸載頻次；傳感器的監測和控制系統智能化程度低[8]。

針對現有泵站系統存在單臺泵站流量低、傳動系統可靠性不高、吸排液閥壽命短、系統響應速度慢等問題，筆者研制了超大采高綜采工作面乳化液泵站系統，單臺乳化液泵站流量達1 200 L/min，額定工作壓力達37.5 MPa，提高了超大功率傳動系統在高速重載條件下的壽命和穩定性，改善了吸排液閥性能，保證了每臺泵的運行時間基本相等，提高了系統的響應速度，并在國家能源集團神東煤炭集團上灣煤礦12402工作面應用，成為世界上首個8.8 m采高綜采工作面配套的乳化液泵站系統，在提高煤炭采出率的同時，進一步提升了礦井的綜合運營效率。

1 超大流量乳化液泵站系統設計

根據超大采高工作面的巷道建設情況及實際用液需求，筆者設計了超大流量乳化液泵站系統，如圖1所示。系統由清水箱、回液箱、乳化液箱、加油箱、過濾站、增壓泵、1 200 L/min乳化液泵站、蓄能器站、噴霧泵站、電控箱等組成。相對于配置目前主流的400 L/min和630 L/min乳化液泵站，顯著減少了泵站的數量。該系統最核心部分為HDP-1000系列臥式五柱塞乳化液泵站。

1-清水箱；2-加油箱；3-過濾站；4-回液箱；5-乳化液箱；6-增壓泵；7-乳化液泵站；8-蓄能器站；9-噴霧泵站；10-電控箱。圖1 超大采高乳化液泵站系統Fig.1 Emulsion pump station system for super high fully mechanized working face

控制系統方面，實現了本地控制和集中控制功能，具有狀態監測和故障診斷功能，采用智能變頻與電磁卸荷相結合的方式實現壓力調節，能夠動態控制泵站的運行時間，保證每臺泵運行時間基本相等。

1.1 HDP-1000型乳化液泵整體參數設計

HDP-1000型乳化液泵整體結構緊湊，如圖2所示。安裝電動機和底座后，尺寸為5 800 mm×1 530 mm×1 525 mm，便于運輸及巷道設備布置。

圖2 HDP-1000型乳化液泵Fig.2 HDP-1000 emulsion pump

泵的流量取決于柱塞直徑、行程和曲軸轉速，柱塞數量的多少影響到流量的壓力脈動[9]，HDP-1000型乳化液泵的主要技術參數見表1。

表1 HDP-1000型乳化液泵技術參數Table 1 Technical parameters of HDP-1000 emulsion pump

根據煤炭行業標準MT/T 188.2—2006 《煤礦用乳化液泵站 乳化液泵》規定,理論流量Qt為

Qt|(L·min-1)=πd2szn/(4×106)=1 335

(1)

經過實驗測試，該泵的實際容積效率ηv在93%以上。因此,實際流量Qa為

Qa|(L·min-1)=ηvQt=1 241

(2)

由此可見,實際流量大于公稱流量。

目前市場上常用的乳化液泵電動機滿載輸出功率均能達到額定輸出功率的91%以上，滿載總效率ηb為泵站容積效率與電動機滿載輸出功率的乘積，ηb>84%，電動機功率P的計算公式[10]為

P|kW=pQt/60ηb=993.3

(3)

本泵站最終采用的是1 000 kW的驅動電動機，設備選型為某公司的1 000 kW水冷電動機，噪聲和振動小，冷卻效率高。

1.2 HDP-1000型乳化液泵結構設計

乳化液泵包括傳動單元和液力單元，采用外置電磁卸荷閥作為壓力控制閥。

乳化液泵傳動單元主要包括曲軸箱箱體、輸入軸、曲軸、齒輪、滑塊、連桿，如圖3所示。

圖3 乳化液泵傳動單元Fig.3 Transmission unit of emulsion pump

曲軸箱箱體采用剖分式結構，沿輸入軸和曲軸中心組成的平面可分為2個部分，易于拆卸和維護。曲軸采用4個圓柱滾子軸承進行支撐，穩定性強，受力均衡。齒輪采用雙斜齒結構，傳動更加平穩，消除了軸向力，也延長了軸承的壽命。滑塊與連桿的連接采用球形接頭，球形結構能確保低摩擦、無間隙的力傳遞，球形接頭幾乎無磨損，擴大的自由度可防止強制引導和任何側向力，泵的運轉極為平穩。

乳化液泵液力單元主要指的是泵頭組件，泵頭組件同樣具有非常緊湊的設計，如圖4所示。

為了優化流體的流動特性，吸液閥和排液閥布置在同一中心線上，對閥芯和閥座的結構和材料進行了優化，在超大流量條件下，滿足了使用壽命要求。閥座與泵頭采用間隙配合，可以快速拆卸整個閥座，同時閥座上下完全對稱，可以換面使用，壽命更長。整體式設計的泵頭由高強度、耐腐蝕的鍛鋼制成，所有與水接觸的部件均由優質不銹鋼制成，耐腐蝕性能強。柱塞采用復合陶瓷結構，液壓自增強柱塞密封件相對于傳統的盤根密封，使用壽命更長。

圖4 乳化液泵液力單元Fig.4 Hydraulic unit of emulsion pump

2 超大流量乳化液泵站系統關鍵技術

2.1 超大功率傳動可靠性技術

2.1.1 滑塊與連桿球形鉸接運動副技術

現有的乳化液泵結構中，滑塊與連桿的連接采用圓柱銷的形式，如圖5所示。連桿小端嵌入銅套，與圓柱銷間隙配合，高速運動過程中產生油膜，保證潤滑，此結構不具備自動調心功能，無法消除側向力的影響，滑塊承受軸向載荷，容易造成滑塊磨損。

圖5 圓柱銷連接Fig.5 Cylindrical pin connection

為了解決上述問題，滑塊與連桿運動副采用了全新的球形鉸接形式，如圖6所示。連桿的球頭套入鉸座中，二者有一定間隙，鉸座分為左右2個部分，保證裝配方便。鉸座上有多個潤滑油孔設計，可以保證球頭和鉸座之間形成潤滑油膜。通過球形鉸座與球頭的配合，連桿可以在水平方向有一定的擺動，消除了傳統形式的側向力影響；獨特的多點潤滑孔道設計，使得球頭與鉸座之間形成穩定的潤滑油膜，使用壽命更長。

圖6 球形鉸接Fig.6 Spherical connection

2.1.2 四點支撐曲軸設計

常規泵站的曲軸一般為三拐兩點支撐方式，類似于簡支梁結構，中間位置撓度最大，超大流量泵站曲軸采用五拐結構，偏心距和所受載荷更大，需要在中間位置增加支撐，提高剛度，因此，采用4個圓柱滾子軸承進行支撐，穩定性強，有效降低了曲軸的撓度，曲軸的受力更加均衡。曲軸選用42CrMoA材質，并經過多次調質處理，抗拉強度和屈服強度提升到1 080 MPa和930 MPa。

在曲軸的設計上，目前主要考慮的是疲勞強度[11-12]。利用有限元分析方法，首先，對曲軸進行受力分析，主要包括作用在柱塞上的液壓力(通過連桿作用在曲軸上)、齒輪之間的嚙合力(通過齒輪作用在曲軸上)、軸承支撐力、摩擦力等。其次，建立曲軸的三維模型并進行網格劃分，在關鍵部位增大網格數量，其他區域減小網格數量。再次，根據動力學分析，找到最危險的工作位置，并施加載荷，同時針對四點支撐曲軸的特點，簡化邊界條件為約束各個支撐位置在x、y方向的位移，并約束左側軸頸位置z方向的位移。最后，針對結果進行分析并對曲軸各參數進行設計。曲軸設計如圖7所示。

圖7 曲軸設計Fig.7 Crankshaft design

有限元仿真分析結果如圖8所示，曲軸的最大應力為95.623 MPa。

圖8 有限元仿真結果Fig.8 Result of finite element simulation

根據仿真分析結果，針對曲柄轉角的危險截面進行結構分析，解決了軸頸圓角應力突變的難題，曲軸的安全系數達到3.75，遠大于許用安全系數1.5，滿足了實際工況要求。

2.2 超大流量吸排液閥技術

現有吸排液閥存在流量脈動、噪聲、氣蝕等問題，隨著流量的增大，問題愈加嚴重。另外，某些結構安裝維護需要拆卸吸水盒，安裝維護困難；閥座與泵頭之間為過盈配合，拆卸需要專門的拉拔器，且需要液氮冷裝。同時，零部件種類多，互換性差。

為了研究超大流量下吸排液閥的響應特性，利用AMESim軟件建立泵頭吸液-排液模型，如圖9所示，提高了系統的容積效率,并從結構、材料、工藝上改善吸排液閥的性能。

圖9 AMESim仿真模型Fig.9 AMESim simulation model

(1) 在結構上，創新性設計了超大通徑吸排液閥硬密封副。吸液閥閥芯、閥座、彈簧、導向座與排液閥閥芯、閥座、彈簧、導向座完全一致，可實現互換，減少了零件數量。閥座可雙面使用，延長了使用壽命。導向結構簡單，根據系統仿真結果，采用中等流速設計，減少了流量脈動、噪聲及氣蝕的發生。所有零件均在同一軸線上，各零件自下而上依次安裝，并且采用O型密封圈結構的間隙密封，安裝拆卸簡單。

(2) 在材料方面，為了解決氣蝕導致的閥芯損壞問題，模擬產生氣蝕的工況，借鑒德標材料和加工工藝，對比目前應用的沉淀硬化不銹鋼、馬氏體不銹鋼材質，重點分析了Cr-Mn-N系列不銹鋼在不同實驗條件下的質量損失情況，如圖10所示。實驗的工作介質條件分別為3%濃度的乳化液和蒸餾水(在圖中用SW和DW表示)，試驗材料為1Cr18Mn14N不銹鋼(鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼)、0Cr13Ni5Mo不銹鋼(回火馬氏體不銹鋼)。從圖10可看出，1Cr18Mn14N不銹鋼代表的鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼的性能最好。奧氏體相滑移和孿生引起塑性變形，消耗了空泡潰滅產生的沖擊能量，并提高了材料表面的硬度，進一步加強了材料的耐氣蝕性。

圖10 不同材質的累計質量損失對比Fig.10 Comparison of cumulative mass loss of different materials

(3) 在工藝上，采用了固溶和時效處理的熱處理工藝，有效消除了吸排液閥芯倒角處的應力。對泵頭材質進行探傷，有效保證了泵頭的強度。

2.3 泵站系統均衡控制技術

泵站系統具有泵站運行時間均衡控制功能。系統能夠動態控制液壓泵站的運行時間，保證每臺泵的運行時間基本相等，保持泵的運行壽命均衡。采用模糊控制方法調節泵站累計運行時間和單次連續運行時間，使得各泵站的運行時間趨近。

在每次啟動泵站時，點擊泵站啟動按鈕，泵站控制系統首先排除已經鎖定或控制臺設定禁止啟動的泵站，對于允許啟動泵站，通過比較幾臺泵站的累計運行時間，自動啟動運行時間短的泵站。

對于連續運行的泵站，計算每臺泵站單次累計運行的時間差，當達到一定時間差時，實現本次累計運行時間長的泵站與運行時間短的泵站之間的無縫切換，保持單次運行過程中各泵站運行時間的一致性，同時保證系統壓力與流量不出現大幅度波動，保證工作面用液需求。

2.4 泵站系統實時快速響應技術

該泵站系統可實時響應設備對流量、壓力的需求，保證動作的及時性及準確性。大采高成套裝備瞬時供液量大，易造成系統壓力波動、流量不足，從而帶來支架初撐力低、移架速度慢等問題[13-14]。泵站系統需要實現工作面最小壓力波動、最大瞬間供液的智能控制。

蓄能器可以有效減小系統的壓力波動，本系統的蓄能器設計為蓄能器站，共24個50 L蓄能器，采用集中配置，如圖11所示。正常情況下，系統壓力在29.5～31.5 MPa內波動，如果系統發生流量需求的突變，則泵站無法及時響應，當系統壓力降至25 MPa時，蓄能器站能夠釋放體積為29.4 L的液體，相當于單臺泵站最大流量(1 200 L/min)條件下1.47 s的供液量，可有效緩解壓力波動，提高瞬時供液量。

圖11 蓄能器站實物Fig.11 Material object of accumulator station

泵站系統采用智能變頻控制及電磁卸荷系統相結合的方式調節壓力[15]。變頻技術的主要功能是實現節能和軟啟動，在調節壓力方面，由于變頻的響應速度明顯低于電磁卸荷的響應速度，還無法完全實現與電磁卸荷的協同配合。未來將通過進一步提高變頻調壓的響應速度，保持供液壓力的穩定。

增大系統供液管路總的通徑，可以提高供液效率，有效減少阻力損失。可以通過多個較小通徑的管路并聯實現，也可以采用單一大通徑管路實現[16-17]。本系統采用了單一大通徑管路，配套的閥門能夠滿足在大流量狀態下的快速開啟和關閉，同時解決了大通徑管路帶來的安裝問題，包括管路固定、連接的方式，并綜合考慮了維護的便捷性。

3 現場試驗與應用

2019年9月該超大采高綜采工作面乳化液泵站系統在上灣煤礦12402工作面得到成功應用。該工作面最大采高為8.8 m，液壓支架工作阻力為26 000 kN，采煤機平均截割速度為10 m/min。該泵站系統采用4臺超大流量乳化液泵，可向工作面穩定持續輸出31.5 MPa壓力的乳化液，壓力波動為29～31.5 MPa，油溫不超過55 ℃，油壓不超過1.2 MPa，噪聲不超過95 dB，除密封圈、彈簧、閥芯等易損件按照使用壽命更換，未發生關鍵零部件故障問題，系統運行平穩，自動化程度高，滿足了單面千萬噸級產量工作面對供液系統的需求。2020-02-24，創造了單日生產原煤6.55萬t的歷史新紀錄，為保障疫情期間能源供應作出了貢獻。

該泵站系統全部采用國產化的設備及自主研發的控制軟件，具有可靠性高、壽命長、維修成本低、操作方便等優點，符合“千萬噸”高產高效綜采工作面全部國產化的設備配套戰略。該系統為今后泵站系統的改造升級提供了新的可行方案，把低流量多臺數泵站系統改造為大流量少臺數泵站系統，可降低運行維護成本，提高支架移架速度，為煤礦帶來增產效益。

4 結論

(1) 設計了超大流量乳化液泵站系統，系統采用3臺乳化液泵站、2臺噴霧泵站，同時配套1 200 L蓄能器站、清水箱、回液箱、乳化液箱、加油箱及過濾系統、控制系統等。乳化液泵站公稱流量為1 200 L/min，公稱壓力為37.5 MPa，容積效率為93%，傳動總效率為84%。控制系統能夠動態控制泵站的運行時間，采用智能變頻與電磁卸荷相結合的方式來實現壓力調節，系統壓力波動范圍為29～31.5 MPa。

(2) 介紹了滑塊與連桿球形鉸接運動副、四點支撐曲軸設計、超大流量吸排液閥、泵站均衡控制、系統實時快速響應等泵站系統設計的關鍵技術，這些技術的應用，解決了超大功率傳動可靠性和穩定性差的難題，改進了超大流量泵頭在流量、噪聲和氣蝕等方面的問題，保證了每臺泵的運行時間基本相等，提高了系統的響應速度。

(3) 該乳化液泵站系統可為大型煤炭企業綜采工作面支護設備提供液壓動力源，是實現工作面高產高效的關鍵設備，其結構合理、性能可靠、使用壽命長、維修方便，既滿足了系統的大流量需求，也滿足了工作條件對設備尺寸限制的要求，減少了煤柱的留存，提高了煤的采出率。