掘进机液压控制系统的分析研究

2021-09-21吕保战

机械管理开发 2021年8期

吕保战

（山西省霍州煤电集团有限公司，山西霍州 031400）

引言

随着工业的快速发展以及不断扩展的工业规模，作为一次能源的煤炭在我国经济发展中占有重要的地位。对于将产煤作为主要经济发展的一些国家，为应对快速经济发展对能源提出的需求，提高掘进机的高机械化与自动化才能够相应地提升各项开采工作的速度与强度。各大科研团队也在积极开展研究新型高效的巷道掘进机以及与其相关的一系列配套设备，如掘落机、支护、装载机、降尘设备、运输设备等，这无疑加速了现代化悬臂式掘进机的发展。早在20 世纪40 年代末期，悬臂式掘进机就已被应用于煤炭开采过程中，且作为掘进机械之一的悬臂式掘进机在整个施工过程中扮演着重要的角色。[1]目前，应现代化的掘进要求，不但要求掘进机具有高工作效率而且需要低采掘成本。与国外掘进机的自动化控制相比，我国在用掘进机还有待提高，需针对其控制系统进行分析与改进研究，通过提高掘进机的自动化、机械化以提高工作效率，同时，通过优化工作环境以提升安全性。

1 AM-50型掘进机简介

针对我国煤矿开采的特点，早在20 世纪70 年代，我国就已引进并使用AM-50型号掘进机。该型号掘进机具有较大的切割断面，可针对一些较硬的煤岩完成切割。它的外形尺寸较小，长宽高为7 500 mm×2 105 mm×1 645 mm，具有适当的机重，约26 t。该掘进机的组成部分总体主要包括切割机构（切割头、切割悬臂、回转台）、装载机构、中间刮板运输机、桥式胶带转载机、行走机构、液压系统及电气系统。该掘进机安全性高，对一些异常工作情况，包括低水温、短路、过载等可实施监测以及保护[2]。

该型号的掘进机优点众多：在上下坡的掘进过程中为防止其自溜下滑，采用具有自锁作用的单头窝杆传动方式；掘进机中连接组件所用到的螺母、螺钉以及紧固螺栓的材质均为乳状料胶，可靠性较高；其切割方式为轴向，主要依靠回转台中的齿轮-齿条机构实现切割；其结构设计合理，所涉及到的元件与部件均符合高质量、严格制造的选用要求。

该型号的掘进机也有一些缺点：在机器的两侧分别设有配电箱和操作台，因此需要在机器的两侧留有操作空间，这在一定程度上缩小了设备应有的断面范围；切割机构及装载机构较为固定，前者无法自由伸缩，后者则不能左右摆动，导致操作难度加大，工作效率降低；内部缺乏喷雾设备，且使用外喷雾降尘时，喷嘴数量少，效果差。

2 原有液压控制系统的分析

该液压系统使用的压力油主要基于一台交流电机，通过在油箱内的轴向柱塞变量泵经联轴器予以提供。该电机额定转速为1450 r/min、功率为11 kW。当切割煤岩的软硬程度不同时，则需要有不同的切割速度，而切割头所需的不同速度，主要依靠泵体的输出流量得以调控。主要的调控过程为，通过操作油箱上的回转立轴调整所需输出流量对应的泵体位置。如果调整泵体在位置1，使其切割头切割硬岩，则输出的流量为34 L/min，相应供给切割头速度73.6 r/min；如果调整泵体在位置2，使其切割头切割软岩，则输出的流量为40 L/min，相应供给切割头速度88.5 r/min。在整个施工工程中，固定好泵体的位置，将其作为定量泵，使输出流量保持不变。

垂直摆动和左右摆动油缸的控制系统，由两个手动的换向阀来控制切割壁的摆动，其摆动方向主要是通过工人操作手柄进行控制，操作方向与实际摆动方向一致。垂直摆动油缸的控制回路主要包括2个油缸、3 个液控单向阀以及1 个单向节流阀。液控单向阀的主要作用是使油缸达到自锁且工作更加稳定；单向节流阀的主要作用是提升掘进安全性，防止由于切割臂崩裂造成下降事故的发生，其背压可被调定为12～13 MPa。左右摆动油缸的控制回路则包括2 个齿条油缸、2 个液控单向阀以及2 个溢流阀。2 个液控单向阀的作用与上述垂直摆动油缸中的作用一致，用于提高设备的工作稳定性；2 个溢流阀实则为安全阀，主要针对回转台中的齿条油缸以及齿条-齿轮副中的压缩张紧弹力圈进行安全控制。该型号掘进机的传统控制回路如图1 所示。

图1 AM-50型号掘进机的传统控制回路

3 新改液压控制系统的分析

悬臂式掘进机在工作过程中主要依靠切割电机使切割头进行旋转，并通过液压控制系统来摆动悬臂且控制其摆动的速度和摆动的方向进行切割煤岩。鉴于原液压控制系统在实际生产中面临控制精度不足、响应速度慢的问题，对原液压控制系统做如下改进：采用电液比例中的比例节流进行调速，采用比例方向阀替代原方向阀实现对方向的控制。

比例节流调速方式涉及的节流元件主要包括比例方向阀、比例调速阀以及比例节流阀，供油方式是定量泵供油，主要调节节流口前后的压差以及通流的面积，进而控制执行器的进入流量完成最终调速。该方法适合被应用于具有较小功率的场景，具有高控制精度、快速响应的能力、简单结构、低损失以及高效率。对速度与方向的控制均采用比例方向阀，方向的控制主要基于电磁铁的得失电。

除此之外，整个液压系统的速度传感器与位移传感器分别检测并调控该掘进机的速度以及方向。采用速度传感器可检测活塞的速度，并输出相关的电信号，通过信号放大器对比设置速度的信号，控制方向阀的开口程度基于电磁铁，完成调节速度；采用位移传感器检测活塞的位置，通过信号放大器比较与原设置位置的信号并放大[3-4]。AM-50型号掘进机的新改控制回路如图2 所示。