王清科

（国能神东煤炭智能技术中心西安研究所，榆林 719315）

随着煤矿井下综采工作面的高产、高效发展及对设备降本节能的广泛需求，节能变频系统在乳化液泵站的应用越来越普及。但是，在实际使用过程中，乳化液泵站系统直接进行变频改造后，变频运行带来的效果并不明显，特别是在4 m 采高以上的高产、高效工作面中缺点尤为显著。变频乳化液泵站系统对支架用液反应慢，即使采用了支架用液反馈，在提前加速的情况下仍不能满足用液的阶跃性变化。使用变频恒压供液的综采工作面，还出现了拉架速度慢等问题[1]。

目前，乳化液泵站一般采用卸载阀调节所需流量，虽然满足液压支架的用液需求，但是工作信号为0-1（完全断开/输出）模式，机械冲击较大，缩短了设备的使用寿命，造成管道、阀门及泵站损坏。变频恒压供液应能缓慢降低转速，减少液压冲击，以保护管道、阀门及泵站，延长整个系统的使用寿命。

通过分析支架油缸动作的阶段性变化可知，要采用变频恒压供液，需要使用较大容量的蓄能器对阶跃性用液负载进行平波抑制。当达到变频恒压供液的相关条件时，会减少各台乳化泵电液卸载阀的动作次数。增加蓄能器还可以补充高压系统中的漏损，延长液压系统中液压元件的使用寿命，同时吸收高压系统中的压力脉冲，消除脉冲产生的管路抖动现象。但是，蓄能器选择过大会增加乳化液泵站的数量，且蓄能器的危险性威胁使用安全，需要选择适当的蓄能器容量，既满足变频恒压供液的需求，又减少空间占用，提升安全性[2]。

1 工作面与设备的基本情况

工作面情况：国能神东石圪台31306 工作面，采高为3.2 ～3.6 m，长度为265 m。

设备情况：采煤机型号JOY 7LS6C；4.5 m 高支架共133 架，工作阻力为18 000 kN；乳化液泵站型号BRW630，6 泵3 箱，即4 台变频乳化液泵（3 用1 备）、2 台喷雾泵。

采用电磁卸载阀和变频系统调节乳化液系统压力。电磁卸载阀系统流量调节方式为阶梯通断式，如果乳化液泵站系统为3 台泵运行，一般将泵卸载压强设置为32 000 kPa、30 500 kPa、29 000 kPa。当系统压力P＜29 000 kPa 时，3 台泵全部加载；当29 000 kPa ≤P＜30 500 kPa 时，1 台泵卸载，2 台泵继续加载；当30 500 kPa ≤P＜32 000 kPa 时，2 台泵卸载，1 台泵继续加载；当P≥32 000 kPa 时，3 台泵同时卸载。在使用初期电磁卸载阀频繁动作，变频泵站未达到恒压供液的目的。变频器运行数据导出分析如图1 所示。

图1 变频器数据分析图

经过数据导出分析可知：变频电机加载与卸载时间间隔2 s 左右，电磁卸载阀打开时乳化液泵卸载，乳化液泵空载运行，电机电流突然下降；电磁卸载阀关闭时乳化液泵加载，乳化液泵满载运行，电机电流突然升高；变频泵站未起到变频恒压供液的效果，并且出现变频器高温等问题。

2 负载分析

乳化液泵主要驱动工作面液压支架基本动作如下。

（1）收护帮板：护帮板油缸收缩收回护帮板。

（2）支架拉架：立柱油缸降柱（自重降柱，不需要用液）→调低油缸抬起（停止操作后自动下降）→推移油缸拉架→立柱油缸升柱→护帮板伸出。

（3）支架推溜：一般8 台支架成组推溜，推移油缸伸出推出刮板运输机形成蛇形弯。自动化程序一般设置煤机每前进1 架开始推移（每架推移），每根推移油缸推出100 mm，总体油缸行程为800 mm。人工操作时习惯煤机每前进2 架推溜一次（每2 架推移），推移动作时间为2 s，推移人员需要补拉漏架等。

支架跟机如图2 所示，其中横轴数据为支架号。

图2 支架跟机

因为支架拉架过程中每个油缸动作时间基本固定，所以拉架时间也基本确定为15 s，而支架的步距为确定的常数，常用支架宽度有1 750 mm 或2 050 mm两种。

跟机支护速度需要与煤机前进速度相匹配，计算公式为

式中：Vz为支架拉架跟机支护速度，等于煤机前进速度；W为支架步距，为支架宽度与间隙之和，属于常数；n为支架同时拉架的数量；t为支架拉架时间，取15 s。

由式（1）可知，支架同时拉架的数量与煤机前进速度的关系如下：当n≤1 时，可采用单架跟机拉架支护；当1 ＜n＜2 时，会出现2 架同时拉架的情况；当2 ＜n＜3 时，会出现2 架或3 架同时拉架的情况，此时需要隔架拉架，相邻2 架不能同时处于拉架过程。

采用1 750 mm 宽度支架的情况：n=1 时，最大煤机速度Vmax=7.2 m·min-1；n=2 时，Vmax=14.4 m·min-1；n=3 时，Vmax=21.6 m·min-1。

采用2 050 mm 宽度支架的情况：n=1 时，Vmax=8.4 m·min-1；n=2 时，Vmax=16.8 m·min-1；n=3 时，Vmax=25.2 m·min-1。

由此可见，煤机速度决定了同时跟机拉架的支架数量。煤机速度小于7 m·s-1时，每次拉1 台支架；煤机数度大于7 m·s-1时，会出现每次拉2 架的情况（隔架2 架同时拉架）。一般神东矿区4 m 以上采高工作面煤机平均速度为14 m·min-1，需要每次拉2 架才能跟上煤机行走速度。拉架时间10 ～20 s 时，取平均值15 s[3]。

如图2 所示，采煤机运行到第10 架位置时，第3 架开始收护帮板，第16 架开始跟机拉架，第22 ～29 架共8 架开始成组推溜，每架推溜行程为100 mm，总计行程为800 mm。根据液压支架参数，忽略实际使用中很少动作的平衡油缸和顶梁侧推油缸动作情况。

由于成组推溜的8 架支架是从煤机后第9 架开始，设定支架动作周期为一组推溜结束到下一组支架推溜开始，一个支架动作周期（采煤机向前行进1 架）内所需乳化液变化情况如图3 所示。

图3 液压支架用液图

根据图3 可以看出，4 ～18 s 为一个周期，T=14 s。根据液压支架油缸动作流程的用液特点可以看出，目前采用的电磁卸载阀符合液压支架负载用液情况（阶跃用液）。要使用变频泵站恒压供液需要改善用液情况，此时可以采用蓄能器进行平波[4]。

3 乳化液泵站供液分析及蓄能器的选择

BRW630 泵的每台泵每秒供液流量Qb为10.5 L。目前，乳化液泵站采用电磁卸载阀调节流量，需要3 用1 备，即3 台泵同时运转来满足推溜时的用液量33.49 L·s-1。已知液压支架动作过程一个周期内所需流量QT为223 L，则每秒需要流量Qs为15.92 L。

如果乳化液泵站系统中选择的蓄能器足够大，在支架用液量小于Qs时，蓄能器存储液压油，用液量大于Qs时蓄能器存释放液压油补偿用液，则需要2 台BRW630 泵进行变频驱动，即可满足使用要求。

蓄能器有效容积计算公式为

式中：V0为蓄能器的容积，L；Vx为蓄能器的有效工作容积，L；P1为系统最低工作压强，MPa；P2为系统最高工作压强，MPa；P0为蓄能器充气压强，MPa。

蓄能器能向液压系统提供的容积被称为蓄能器的有效容积，其数值只占蓄能器容积的10%～20%，通过蓄能器容积计算公式就可以计算出蓄能器规格的大小[5]。蓄能器的有效容积V0确定后，根据系统压强允许波动范围选择蓄能器，本案例波动范围为32 000 ～29 000 kPa。

蓄能器的选择需要满足在一个周期内吸收用液小于Qs时的用液量积分，并满足用液高于Qs时的用液量输出。已知蓄能器的有效容积Vx为67 L，根据公式及蓄能器型号选择100 L 蓄能器6 个，V0=600 L。

乳化液泵负载中，变频器的加速时间经过实际调节，电机在不出现过流保护的情况下最快启动加速时间为25 s 左右，其中电机转速为0 ～1 480 r·min-1。变频器加速时间设置为25 s 时，每秒可调节流量∆Q为0.4 L。变频器采用比例-积分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）控制进行调速，系统压力负反馈，恒压给定31 000 kPa。变频恒压供液分析如图4 所示。蓄能器释放流量时系统压力降低，变频器加速；蓄能器吸收流量时系统压力升高，变频器减速[6]。

由于负载用液量变化快，呈阶跃形态，变频器在流量调节方面的作用显得比较微弱，即使采用双变频对系统的影响也较小，对减小蓄能器容量起不到很好的效果。蓄能器有效容积选择为65 L，同样选择6 个100 L 个蓄能器，V0=600 L，可见采用变频器并未改变蓄能器的容量选择。

4 结论

随着我国煤矿开采科技水平的提高，人们对供液系统提出了更高的要求。文章在查阅大量文献的基础上，与国能神东煤炭集团煤矿实际工况相结合，分析了综采液压支架与乳化液泵站负载及恒压供液条件，提出蓄能器是乳化液泵站实现恒压供液的关键[7]。通过本文分析可以得出4 点结论：

（1）在综采工作面液压支架-泵站系统这种小系统中，由于液压支架负载动作过程中用液不连续，用液流量呈现阶跃性变化，进行变频恒压供液改造及设计时，需要采用适当的蓄能器对系统阶跃性变化的负载进行平波，使得负载用液波形满足变频恒压的供液条件；

（2）增加蓄能器可以平抑液压支架-乳化液泵站系统中阶跃负载的冲击，满足变频恒压供液的条件；

（3）增加变频泵站数量对系统平波用蓄能器容量的影响很小；

（4）增加蓄能器的变频恒压供液系统可以减小乳化液泵站容量，降低油泵的驱动功率，节约能源，降低噪声，消除脉动，保护管道及泵站，延长整个系统的使用寿命，降低设备运行成本。