液壓過載安全回路在煤礦掘采設備上的應用

蘭輝敏

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006）

0 引言

成套掘采設備包括連續采煤機、連運系統或梭車、錨桿鉆車、行走支架、給料破碎機和多功能防爆鏟車等裝備[1]，為掘采工作面創造獨特的采煤裝備。目前，掘采設備在陜、蒙交界礦區大面積成功用于掘進和開采；隨著國產成套掘采裝備日漸成熟，使得設備投入大幅下降，加之掘進開采工藝工程實踐經驗的豐富積累，掘采設備勢必成為在陜、蒙礦區之外逐步廣泛成功使用前景的裝備[2-3]。

掘采設備作用的對象是礦巖，復雜的地質條件使得載荷變化較大，有時會遇到極限異常載荷[4-7]；液壓系統是掘采設備的重要組成部分，決定掘采設備工作機構的正常運行；因此，保證掘采設備液壓系統及元件在異常載荷下的安全，最終保證裝備開機率及其重要。為此，對于會受到極限異常載荷的執行元件處必須設置液壓過載安全回路。

介紹液壓過載安全回路在掘采設備上的應用情況及適用條件，以及液壓回路參數設計和元件設置方法，為掘采設備過載安全回路的設計、調試和維護提供參考。

1 掘采設備常用的過載安全回路

1.1 舉升機構的過載安全回路

1.1.1 截割舉升機構的過載安全回路

連續采煤機截割舉升機構的兩種過載安全回路如圖1 所示。掘進和開采的工藝決定連續采煤機必須在4～15 m 的空頂下進行作業，未支護的頂板可能會突然垮落砸到截割部引發舉升油缸活塞桿強制被壓回的現象；此外，連續采煤機調機時，從“上山”到“下山”的過程中，極易出現截割頭砸向巷道底板出現舉升油缸“拔缸”現象。對截割舉升過載安全回路的常規要求如下：活塞桿受壓時，過載安全回路能快速卸荷，使截割臂落地[4-5]，同時保證密封件安全；活塞桿受拉時，過載安全回路能消除壓力峰值，同時保證密封件安全。

圖1 連續采煤機截割舉升機構的過載安全回路

連續采煤機在空頂區域掘進時，換向閥位于工作位，垮落的頂板使活塞桿受壓，無桿腔急劇增加的壓力通過安全閥卸入大氣中，有桿腔的真空或從油箱補油或從高壓油源補充消除。換向閥位于中位時，垮落的頂板使活塞桿受壓，無桿腔壓力瞬間急劇增加，有桿腔勢必產生真空，此時安全閥和平衡閥幾乎同時打開。對于Y型中位機能換向閥的回路，無桿腔的一部分高壓油液通過安全閥卸入大氣中，另一部分油液通過平衡閥卸掉，進一步地進入有桿腔消除真空；對于H型中位機能換向閥的回路，無桿腔的高壓油全部通過安全閥卸到大氣，有桿腔的真空通過抗沖擊補油閥從油箱補油消除。

連續采煤機調機過程中，換向閥位于中位，截割部的“栽頭”使活塞桿受拉，有桿腔壓力急劇增加，無桿腔勢必產生真空。對于Y型中位機能換向閥的回路，有桿腔的高壓油直接卸入無桿腔消除一部分真空，另外一部分真空通過油箱補油消除；對于H型中位機能換向閥的回路，有桿腔的高壓油通過抗沖擊補油閥卸回油箱，無桿腔的真空通過補油閥從油箱補油消除。

其他工作在長距離空頂區域，且以雙作用油缸為執行元件的舉升工作機構也可使用以上兩種過載安全回路，如履帶式行走液壓支架的立柱舉升工作機構。

1.1.2 卸料舉升機構的過載安全回路

卸料舉升機構的過載安全回路如圖2 所示，適用于連續采煤機和梭車。通常卸料舉升機構工作時的高度是固定的，也即換向閥處于中位。裝備在“上山”和“下山”過程中，會出現卸料機尾磕碰巷道頂板或底板情況，由于機重大，卸料舉升油缸活塞桿受到異常的拉力或壓力載荷?；钊麠U受異常壓力回縮時，對于Y型中位機能的回路，無桿腔的高壓油一部分通過安全閥卸入大氣中，一部分高壓油通過平衡閥卸入油箱中；對于H型中位機能換向閥的回路，無桿腔的高壓油全部通過安全閥卸入大氣中?；钊麠U受異常拉力拔出時，無桿腔產生真空，對于Y型中位機能換向閥的回路，消除真空的油液依次通過換向閥、平衡閥中的單向閥，最終進入油缸；對于H型中位機能換向閥的回路，補油依靠單向節流閥中的單向閥完成。

圖2 卸料舉升機構的過載安全回路

1.1.3 鏟斗舉升和翻轉機構的過載安全回路

鏟斗舉升和翻轉機構的過載安全回路如圖3 所示。防爆鏟車由于桿系干涉原因，換向閥4 位于中位，鏟斗下翻時舉升鏟斗，鏟斗油缸活塞桿受拉；鏟斗上翻時下降鏟斗，鏟斗油缸活塞桿受壓。此外，大石塊或其他重物突然砸落動鏟斗上，換向閥位于中位，勢必使鏟斗油缸和舉升油缸受壓。當油缸無桿腔受壓時，無桿腔超壓的油液通過安全閥3-1 卸掉，有桿腔負壓打開補油閥2-2 從油箱補油；當轉向油缸有桿腔受壓時，有桿腔超壓的通過安全閥3-2 卸掉，無桿腔的真空通過補油閥3-1 補油消除。

圖3 鏟斗舉升和翻轉機構的過載安全回路

1.2 轉向機構的過載安全回路

轉向機構的過載安全回路如圖4 所示，適用于梭車和多功能防爆鏟車。由于井下巷道狹窄，坡多、彎多，路面條件很差，需要頻繁轉彎，對梭車或多功能防爆鏟車的轉向時間有特定要求，換向閥4 的頻繁開關換向會對油缸產生沖擊，安全閥3 用于限制回路最高壓力。當轉向油缸無桿腔受壓時，無桿腔超壓的壓力油補充有桿腔的真空還有剩余，多余的油液通過安全閥3 卸壓；當轉向油缸有桿腔受壓時，有桿腔超壓的油液不足以完全消除無桿腔的真空，由此產生的負壓打開補油閥2 從油箱吸油以填補多余真空。

圖4 轉向機構的過載安全回路

1.3 行走馬達的過載安全回路

行走馬達的過載安全回路如圖5 所示，適用于錨桿鉆車、給料破碎機和履帶式行走液壓支架的行走機構。錨桿鉆車的行走機構不僅慣性負載大，還需頻繁起制動、加減速，加之巷道底板起伏，要求液壓行走驅動回路必須有過載安全功能以保護元件的安全。這種工況下，換向閥處于中位，但錨桿鉆車由于巨大慣量帶動行走馬達繼續向前轉動，因制動器作用馬達一腔必然超壓，另一腔產生真空；尤其錨桿鉆車“下山”時驟停，超壓峰值可達50～60 MPa。假設上圖行走馬達上腔超壓，超壓的油液通過安全閥3-1 卸壓，進一步地通過補油閥2-2 進入馬達下腔消除真空，從而有效保護的行走馬達的安全。圖5 的過載安全回路也可應用于掘進機截割部回轉機構。

圖5 行走馬達的過載安全回路

2 過載安全回路參數選取方法

只是在回路中加裝安全閥和補油閥，而不考慮整個回路參數的選取，并不能真正起到過載安全作用；只有充分考慮安全閥、補油閥等元件的參數，以及整個回路的參數設計，過載安全回路才能充分發揮消除壓力峰值和消除真空的作用。

2.1 過載功能對參數的要求

圖1 和圖2 中安全閥既要在油缸正常工作時保持閉合，又要在油缸受沖擊時卸壓，故此安全閥的設定壓力要比平衡閥設定壓力高50%～60%。此外，安全閥的額定流量至少等于換向閥的額定流量，才能保證異常載荷時，工作機構快速落地。

圖1 中抗沖擊補油閥，圖3、圖4 和圖5 中的安全閥是在執行元件兩腔封閉時瞬間開啟，通流量相對較小，故此這些安全閥的額定流量為換向閥額定流量的20%～30%。圖1 的抗沖擊補油閥設定壓力為平衡閥關閉壓力的50%～60%；圖3 中安全閥3-1進口連接油缸無桿腔，其設定壓力比系統主安全閥高20%～30%，安全閥3-2 連接油缸的有桿腔，其設定壓力應不大于安全閥3-2 設定壓力與油缸速比之積；圖4 和圖5 中的安全閥進口連接的執行元件容腔大小一樣，其設定壓力相同，均為系統主安全閥的1.2～1.3 倍。

2.2 補油功能對參數的要求

一般而言，真空容腔產生的負壓值越小，越能充分補油，但是負壓值過小容易發生汽蝕，負壓值過大導致執行元件密封損壞，回路設計計算時選取容腔負壓值為-0.05～-0.04 MPa；綜合考慮吸油能力，那么真空容腔與油箱之間的理想液阻值應為0.03～0.04 MPa?；诖?，①回油管路應盡可能短粗直，必須單獨接回油箱，禁止通過回油過濾器或者與其他回油管路合并；②圖3、圖4 和圖5 中的補油管路上只有補油單向閥，選型時只需確保其開啟壓力小于0.3 MPa 即可；③圖1a）和圖2a）的補油管路上有換向閥和平衡閥，那么平衡閥的單向開啟壓力盡可能的小，換向閥在保證油缸正常供油的前提下額定流量應盡可能的大；④圖1b）和圖2b）的補油管路上有平衡閥和補油閥，那么平衡閥和補油閥的單向開啟壓力之和不得大于0.03 MPa。

3 結語

（1）掘采設備作用的對象是礦巖，極易受到意外的極限載荷，消除或減弱液壓沖擊對液壓元件和工作機構的危害，必須在工作機構處使用液壓過載安全回路。

（2）成套掘采設備包含的設備種類多，工作機構的功能也多樣化，對過載安全回路要求也不盡相同：過載安全回路液壓元件配置必須與工作機構的功能以及外界的極限異常載荷相匹配。

（3）過載安全回路對元件和執行機構的保護性能是系統性問題。必須合理選取元件參數，合理設計回路參數。