闫 晶

（中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

掘进机是一种广泛用于煤矿巷道掘进的短壁设备，由切割机构、装载机构、运输机构、行走机构、液压系统、喷雾冷却系统、电气系统组成，是一种能够实现切割、装载、运输、转载煤岩，并可调动行走、喷雾除尘的联合机组。掘进机的所有动作均由液压系统完成，如支撑和调动整机，驱动装载部和刮板运输机，张紧履带链和刮板链，截割部升降和回转。掘进机一般用作煤矿巷道的 “开路先锋”，所处工作面复杂、恶劣、多变，需要面对冲击载荷、粉尘弥漫、局部透水、煤岩掉落、瓦斯突出等种种危害，极易导致掘进机液压系统过载高温，液压元件砸伤、挤伤，液压油泄漏污染，噪声污染。不仅影响正常生产，而且会出现液压系统效率降低，密封件和液压油加速老化，各类故障频发，工人身心受损等问题。因此，掘进机液压系统的节能环保设计非常重要。

1 液压系统节能环保设计

在设计液压系统时，从可靠性、稳定性、经济性的角度看，应该优先考虑节能环保设计，突出其重要性。要求能满足整机技术性能、人机工程学，在空间上实现合理布局，同时又要兼顾经济成本，合理匹配液压元件，最终使得液压系统在性能达到最优。如此，能使液压系统效率高、能耗低、故障少、更加安全可靠，真正实现经济、安全效益双丰收。节能环保设计的主要内容为：

1.1 节能设计

一般情况下，液压系统的动力源电机输出功率为定值，泵的输出功率为变值。节能设计的关键在于如何降低系统发热带来的功率损耗[1]。可以从以下三个方面考虑：

（1）对于定量液压系统。系统压力不断变化，而进入系统的流量始终为定值，并有大量液压油溢流回油箱，使得功率损耗大、效率低。在设计液压系统之初，选用额定压力高的液压元件和辅件，尽量提高系统压力；在满足执行元件速度要求的前提下，尽量降低系统流量。

（2）对于变量液压系统。系统的压力和流量都在变化，但两者的乘积——功率可以为一个定值，这样就有机会降低系统流量，提高系统效率。因此，应该尽量选择泵控变量系统，采用变量泵、带LS 负载反馈的比例阀等液压元件，最终实现压力与流量的合理匹配。

（3）对于压力损失带来的功率损耗，尽量减少管路连接选用板式集成阀，缩短胶管长度，增大胶管管径和采用压力、流量补偿液压技术等方法加以解决。

1.2 环保设计

污染是液压系统的重要危害之一，包含了液压油污染和噪声污染。液压油污染又可分为两部分： 一是处理故障或更换液压元件时，杂质进入液压系统后，使液压元件磨损加剧，内泄量增大，发热严重，效率降低，进而寿命下降，更换频繁，最后进入一个恶性循环，使生产成本大大增加。二是液压油对掘进机周边人员和设备造成的污染。液压油具有一定的可燃性和腐蚀性，泄漏到系统外后，会对井下造成安全隐患，对工人的健康形成威胁，不利于井下作业的开展。噪声污染在掘进机工作时最为严重，液压元件的选用不正确或质量不合格，液压系统的设计不合理，组装质量的不过关，极易产生约110～120 分贝的噪声。这种噪声在这种井下狭窄的工作面里聚集、放大，会对工人的耳膜、心脏等器官造成严重的生理伤害。据统计，工人在110～120 分贝的噪声下工作30 分钟就会产生间歇性听觉障碍、恶心呕吐、头晕脑胀的生理现象，久而久之会对身体造成器质性损伤和心理问题[2]。既然液压系统污染难以避免，环保设计就是为了将污染控制在规定的、合理的范围。可以从以下几个方面考虑：

（1）液压系统环保设计应首先考虑液压元件的选用。能选板式连接的阀组就不选管式连接的，尽量多选择插装阀、模块式阀，不仅便于安装调试，而且也便于更换，可降低工作介质的污染。

（2）尽量选择多年从事液压元件生产的供应商，因这些供应商的设计理念先进、加工工艺优良，体积小，易于操控，最重要的是质量有保障。

（3）为了能够及时、有效清除液压系统中的杂质，尽量多设置各级精度的过滤器，如此必然会增加滤芯的损耗，但从长远计，能够保护成本相对昂贵的泵、阀、马达等关键液压元件，对降低维护成本有很重要的作用。

（4）对于如阀块等外委加工件，要从实现各项性能指标、安装空间方面考虑原材料材质、尺寸，可以有效降低发热带来的液压油变质。更要考虑加工工艺，使毛刺、铁屑易于清理。

（5）在设计结构件、覆盖件时，既要满足足够的强度、美观，又要考虑必要的液压胶管保护措施，以免执行机构动作时造成胶管的异常磨损。

（6）在降低噪声污染方面，液压系统的主要噪声来源于高速旋转的泵和传动连接件，在设计泵站时要加装减震垫，并使用弹性联轴节传动、可以有效减震、降噪。

2 节能环保设计在掘进机液压系统的应用[3]

2.1 节能设计在掘进机液压系统中的应用

（1）部分掘进机液压系统属于定量系统，即由定量泵、普通直动阀组等液压元件组成，具有油箱体积大、结构不紧凑、发热量大的特点。在设计这种液压系统时，假使要求输出功率为定值，那么就要尽量选用额定压力高的液压元件和辅件，最大程度提高系统压力，这样输出流量就会降低，溢流流量也就会降低，发热量就会减少；假使要求输出流量为定值，那么可以提高系统的额定压力，使液压系统的输出功率增大，从而提高系统的效率。

（2）部分掘进机液压系统采用泵控变量系统，选用具有恒功率控制、压力切断控制、负载敏感控制等多种控制模块的变量泵作为动力源，具有LS 负载敏感反馈的比例阀作为控制元件，压力和流量可根据负载变化做出最佳调整，会使发热量降到最低，泄漏、溢流损失降到最少，效率达到最高。如，掘进机工作时，随着液压系统压力的增大，变量泵的排量会降低，供向执行元件的流量也会降低，发热量就会显著降低；甚至达到系统设定的最大压力时，泵几乎不向执行元件提供流量，仅有很小的流量内泄，此时的功率损耗最小，见图1。

图1 具有恒功率控制、压力切断控制和负载敏感控制的变量泵[3]Fig.1 With the constant power control,cut off pressure variable pump control and load sensing control[3]

2.2 环保设计在掘进机液压系统中的应用

为了能够有效治理掘进机液压系统所带来的污染，环保设计应采取 “预防为前、治理在后、防治结合” 的思路。即在系统设计之初、元件阀块加工、成品采购检验、装配过程质量控制等方面采取有效的预防措施，一旦出现杂质进入液压系统、液压油流入环境、噪声等问题，再辅以适当的治理策略和方法加以解决。

环保设计在控制液压油污染方面。设计时，在泵与油箱之间设置精度为20μm 的粗过滤器，保证泵能够充分吸油的同时，过滤较大的杂质。在泵与控制阀前之间设置5～10μm 的精过滤器，阻止细小的杂质颗粒损坏执行元件。选择通过颜色变化直观反映滤芯状态的发讯器为佳，如图2 所示。

图2 设计之初，过滤器的设置[3]Fig.2 At the beginning of design, the filter settings[3]

加工阀组、阀块时，严控密封件安装处倒角加工质量，可有效防止损坏密封件；清理干净孔道中毛刺，以免铁屑带入液压系统。

液压系统组装之前，每个液压元件和辅件都经过了外观检验、清洗、加灌液压油，并及时消除毛刺、纤维、油污等异物，特别注意利用压缩空气将胶管中的杂物吹干净。在组装过程中，液压元件的外露接口及时用金属堵头密封或用塑料袋盖好并扎紧。组装完成后，调试前，液压油通过专门的滤油小车进行加注。

液压系统调试时，通过负载的变化，仔细观察是否漏油、过滤器发讯器颜色是否变红、泵的声音，并记录温度变化，保证设备出厂前的液压系统无污染。液压系统调试过程中如发现工作介质变质，打开油箱底部的放油塞，将脏油放掉，补充新油。

在井下使用掘进机时，由于故障等原因致使大量液压油泄漏到周边环境，对于废油，用合适的容器收集起来后，集中处理；对于加注的新油，必须与系统中的原油型号一致。

2.3 环保设计在控制液压系统噪声方面

液压系统的噪声有两种： 机械噪声和流体噪声。

（1）对于机械噪声。掘进机泵站电机和变量泵之间采用弹性联轴节进行软连接，既能满足煤矿防爆要求，又能有效降低噪声。泵站电机和泵的转速都较高，电机存在低频电流声、泵能产生80 分贝以上的高频声响，在护板内侧加装玻璃丝材质的降噪片，便可有效降低噪声。掘进机经常承受变化的负载，在泵站电机和操作台的底部加装减震垫，可以有效的吸收震动、降低噪声，见图3 和图4。

图3 泵站处的环保设计[3]Fig.3 Environmental protection design of pump station[3]

（2）对于流体噪声。这种噪声主要是由于压力和流速的快速变化产生的。以泵为例，吸油和压油过程中，周期性的压力和流量变化会形成压力脉动，在系统中会引起液压振动，并经出油口传播至整个液压系统，同时，阀、马 达，油 缸、管路等液压元件反射一部分液压脉动，如此反复交织便产生波动，与泵发生共振，产生噪声。因此，掘进机液压系统动力源采用进口柱塞变量泵，能使压力脉动降至最低；选择既能满足流量要求、又能便于合理布置的管径较粗的胶管，能吸收设备工作时的机械震动和液压系统压力脉动。泵的吸油口设置距油箱底部200～400mm 处，能有效防止泵吸入空气或箱底杂质。

图4 操作台处的环保设计[3]Fig.4 Environmental protection design of operation platform[3]

3 结束语

综上所述，节能环保设计在掘进机液压系统中已得到较为广泛、深入的应用。节能和环保是相辅相成的，相互促进的。在节能设计方面，提升掘进机整机性能同时，液压系统的效率也得到大幅提高，这种变量系统较之定量系统，效率提高近30%。而且，元件有着很强的抗污染能力、低噪声输出能力。在环保设计方面，液压系统的维护工作量和噪声危害显著降低，关键液压元件和辅件的更换率降低了约50%，液压油消耗降低了约40%，噪声能够控制在80 分贝以下，有效降低了对井下工人身心健康的危害。这种低损耗、低污染的节能环保设计，取得了突出的经济效益，预计每年能够节约生产成本约25%，而产生经济效益提高了约20%。

[1] 雷天觉.液压工程手册[M].北京：机械工业出版社，1990

[2] 何存兴，张铁华.液压传动与气压传动[M].武昌：华中科技大学出版社，2000.

[3] 张成刚.绿色环保设计原则在掘进机液压系统中的应用[J].黑龙江：煤矿机械，2011，2.