淺談節能環保設計在掘進機液壓系統中的應用

閆 晶

（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

掘進機是一種廣泛用于煤礦巷道掘進的短壁設備，由切割機構、裝載機構、運輸機構、行走機構、液壓系統、噴霧冷卻系統、電氣系統組成，是一種能夠實現切割、裝載、運輸、轉載煤巖，并可調動行走、噴霧除塵的聯合機組。掘進機的所有動作均由液壓系統完成，如支撐和調動整機，驅動裝載部和刮板運輸機，張緊履帶鏈和刮板鏈，截割部升降和回轉。掘進機一般用作煤礦巷道的 “開路先鋒”，所處工作面復雜、惡劣、多變，需要面對沖擊載荷、粉塵彌漫、局部透水、煤巖掉落、瓦斯突出等種種危害，極易導致掘進機液壓系統過載高溫，液壓元件砸傷、擠傷，液壓油泄漏污染，噪聲污染。不僅影響正常生產，而且會出現液壓系統效率降低，密封件和液壓油加速老化，各類故障頻發，工人身心受損等問題。因此，掘進機液壓系統的節能環保設計非常重要。

1 液壓系統節能環保設計

在設計液壓系統時，從可靠性、穩定性、經濟性的角度看，應該優先考慮節能環保設計，突出其重要性。要求能滿足整機技術性能、人機工程學，在空間上實現合理布局，同時又要兼顧經濟成本，合理匹配液壓元件，最終使得液壓系統在性能達到最優。如此，能使液壓系統效率高、能耗低、故障少、更加安全可靠，真正實現經濟、安全效益雙豐收。節能環保設計的主要內容為：

1.1 節能設計

一般情況下，液壓系統的動力源電機輸出功率為定值，泵的輸出功率為變值。節能設計的關鍵在于如何降低系統發熱帶來的功率損耗[1]?？梢詮囊韵氯齻€方面考慮：

（1）對于定量液壓系統。系統壓力不斷變化，而進入系統的流量始終為定值，并有大量液壓油溢流回油箱，使得功率損耗大、效率低。在設計液壓系統之初，選用額定壓力高的液壓元件和輔件，盡量提高系統壓力；在滿足執行元件速度要求的前提下，盡量降低系統流量。

（2）對于變量液壓系統。系統的壓力和流量都在變化，但兩者的乘積——功率可以為一個定值，這樣就有機會降低系統流量，提高系統效率。因此，應該盡量選擇泵控變量系統，采用變量泵、帶LS 負載反饋的比例閥等液壓元件，最終實現壓力與流量的合理匹配。

（3）對于壓力損失帶來的功率損耗，盡量減少管路連接選用板式集成閥，縮短膠管長度，增大膠管管徑和采用壓力、流量補償液壓技術等方法加以解決。

1.2 環保設計

污染是液壓系統的重要危害之一，包含了液壓油污染和噪聲污染。液壓油污染又可分為兩部分： 一是處理故障或更換液壓元件時，雜質進入液壓系統后，使液壓元件磨損加劇，內泄量增大，發熱嚴重，效率降低，進而壽命下降，更換頻繁，最后進入一個惡性循環，使生產成本大大增加。二是液壓油對掘進機周邊人員和設備造成的污染。液壓油具有一定的可燃性和腐蝕性，泄漏到系統外后，會對井下造成安全隱患，對工人的健康形成威脅，不利于井下作業的開展。噪聲污染在掘進機工作時最為嚴重，液壓元件的選用不正確或質量不合格，液壓系統的設計不合理，組裝質量的不過關，極易產生約110～120 分貝的噪聲。這種噪聲在這種井下狹窄的工作面里聚集、放大，會對工人的耳膜、心臟等器官造成嚴重的生理傷害。據統計，工人在110～120 分貝的噪聲下工作30 分鐘就會產生間歇性聽覺障礙、惡心嘔吐、頭暈腦脹的生理現象，久而久之會對身體造成器質性損傷和心理問題[2]。既然液壓系統污染難以避免，環保設計就是為了將污染控制在規定的、合理的范圍?？梢詮囊韵聨讉€方面考慮：

（1）液壓系統環保設計應首先考慮液壓元件的選用。能選板式連接的閥組就不選管式連接的，盡量多選擇插裝閥、模塊式閥，不僅便于安裝調試，而且也便于更換，可降低工作介質的污染。

（2）盡量選擇多年從事液壓元件生產的供應商，因這些供應商的設計理念先進、加工工藝優良，體積小，易于操控，最重要的是質量有保障。

（3）為了能夠及時、有效清除液壓系統中的雜質，盡量多設置各級精度的過濾器，如此必然會增加濾芯的損耗，但從長遠計，能夠保護成本相對昂貴的泵、閥、馬達等關鍵液壓元件，對降低維護成本有很重要的作用。

（4）對于如閥塊等外委加工件，要從實現各項性能指標、安裝空間方面考慮原材料材質、尺寸，可以有效降低發熱帶來的液壓油變質。更要考慮加工工藝，使毛刺、鐵屑易于清理。

（5）在設計結構件、覆蓋件時，既要滿足足夠的強度、美觀，又要考慮必要的液壓膠管保護措施，以免執行機構動作時造成膠管的異常磨損。

（6）在降低噪聲污染方面，液壓系統的主要噪聲來源于高速旋轉的泵和傳動連接件，在設計泵站時要加裝減震墊，并使用彈性聯軸節傳動、可以有效減震、降噪。

2 節能環保設計在掘進機液壓系統的應用[3]

2.1 節能設計在掘進機液壓系統中的應用

（1）部分掘進機液壓系統屬于定量系統，即由定量泵、普通直動閥組等液壓元件組成，具有油箱體積大、結構不緊湊、發熱量大的特點。在設計這種液壓系統時，假使要求輸出功率為定值，那么就要盡量選用額定壓力高的液壓元件和輔件，最大程度提高系統壓力，這樣輸出流量就會降低，溢流流量也就會降低，發熱量就會減少；假使要求輸出流量為定值，那么可以提高系統的額定壓力，使液壓系統的輸出功率增大，從而提高系統的效率。

（2）部分掘進機液壓系統采用泵控變量系統，選用具有恒功率控制、壓力切斷控制、負載敏感控制等多種控制模塊的變量泵作為動力源，具有LS 負載敏感反饋的比例閥作為控制元件，壓力和流量可根據負載變化做出最佳調整，會使發熱量降到最低，泄漏、溢流損失降到最少，效率達到最高。如，掘進機工作時，隨著液壓系統壓力的增大，變量泵的排量會降低，供向執行元件的流量也會降低，發熱量就會顯著降低；甚至達到系統設定的最大壓力時，泵幾乎不向執行元件提供流量，僅有很小的流量內泄，此時的功率損耗最小，見圖1。

圖1 具有恒功率控制、壓力切斷控制和負載敏感控制的變量泵[3]Fig.1 With the constant power control,cut off pressure variable pump control and load sensing control[3]

2.2 環保設計在掘進機液壓系統中的應用

為了能夠有效治理掘進機液壓系統所帶來的污染，環保設計應采取 “預防為前、治理在后、防治結合” 的思路。即在系統設計之初、元件閥塊加工、成品采購檢驗、裝配過程質量控制等方面采取有效的預防措施，一旦出現雜質進入液壓系統、液壓油流入環境、噪聲等問題，再輔以適當的治理策略和方法加以解決。

環保設計在控制液壓油污染方面。設計時，在泵與油箱之間設置精度為20μm 的粗過濾器，保證泵能夠充分吸油的同時，過濾較大的雜質。在泵與控制閥前之間設置5～10μm 的精過濾器，阻止細小的雜質顆粒損壞執行元件。選擇通過顏色變化直觀反映濾芯狀態的發訊器為佳，如圖2 所示。

圖2 設計之初，過濾器的設置[3]Fig.2 At the beginning of design, the filter settings[3]

加工閥組、閥塊時，嚴控密封件安裝處倒角加工質量，可有效防止損壞密封件；清理干凈孔道中毛刺，以免鐵屑帶入液壓系統。

液壓系統組裝之前，每個液壓元件和輔件都經過了外觀檢驗、清洗、加灌液壓油，并及時消除毛刺、纖維、油污等異物，特別注意利用壓縮空氣將膠管中的雜物吹干凈。在組裝過程中，液壓元件的外露接口及時用金屬堵頭密封或用塑料袋蓋好并扎緊。組裝完成后，調試前，液壓油通過專門的濾油小車進行加注。

液壓系統調試時，通過負載的變化，仔細觀察是否漏油、過濾器發訊器顏色是否變紅、泵的聲音，并記錄溫度變化，保證設備出廠前的液壓系統無污染。液壓系統調試過程中如發現工作介質變質，打開油箱底部的放油塞，將臟油放掉，補充新油。

在井下使用掘進機時，由于故障等原因致使大量液壓油泄漏到周邊環境，對于廢油，用合適的容器收集起來后，集中處理；對于加注的新油，必須與系統中的原油型號一致。

2.3 環保設計在控制液壓系統噪聲方面

液壓系統的噪聲有兩種： 機械噪聲和流體噪聲。

（1）對于機械噪聲。掘進機泵站電機和變量泵之間采用彈性聯軸節進行軟連接，既能滿足煤礦防爆要求，又能有效降低噪聲。泵站電機和泵的轉速都較高，電機存在低頻電流聲、泵能產生80 分貝以上的高頻聲響，在護板內側加裝玻璃絲材質的降噪片，便可有效降低噪聲。掘進機經常承受變化的負載，在泵站電機和操作臺的底部加裝減震墊，可以有效的吸收震動、降低噪聲，見圖3 和圖4。

圖3 泵站處的環保設計[3]Fig.3 Environmental protection design of pump station[3]

（2）對于流體噪聲。這種噪聲主要是由于壓力和流速的快速變化產生的。以泵為例，吸油和壓油過程中，周期性的壓力和流量變化會形成壓力脈動，在系統中會引起液壓振動，并經出油口傳播至整個液壓系統，同時，閥、馬 達，油 缸、管路等液壓元件反射一部分液壓脈動，如此反復交織便產生波動，與泵發生共振，產生噪聲。因此，掘進機液壓系統動力源采用進口柱塞變量泵，能使壓力脈動降至最低；選擇既能滿足流量要求、又能便于合理布置的管徑較粗的膠管，能吸收設備工作時的機械震動和液壓系統壓力脈動。泵的吸油口設置距油箱底部200～400mm 處，能有效防止泵吸入空氣或箱底雜質。

圖4 操作臺處的環保設計[3]Fig.4 Environmental protection design of operation platform[3]

3 結束語

綜上所述，節能環保設計在掘進機液壓系統中已得到較為廣泛、深入的應用。節能和環保是相輔相成的，相互促進的。在節能設計方面，提升掘進機整機性能同時，液壓系統的效率也得到大幅提高，這種變量系統較之定量系統，效率提高近30%。而且，元件有著很強的抗污染能力、低噪聲輸出能力。在環保設計方面，液壓系統的維護工作量和噪聲危害顯著降低，關鍵液壓元件和輔件的更換率降低了約50%，液壓油消耗降低了約40%，噪聲能夠控制在80 分貝以下，有效降低了對井下工人身心健康的危害。這種低損耗、低污染的節能環保設計，取得了突出的經濟效益，預計每年能夠節約生產成本約25%，而產生經濟效益提高了約20%。

[1] 雷天覺.液壓工程手冊[M].北京：機械工業出版社，1990

[2] 何存興，張鐵華.液壓傳動與氣壓傳動[M].武昌：華中科技大學出版社，2000.

[3] 張成剛.綠色環保設計原則在掘進機液壓系統中的應用[J].黑龍江：煤礦機械，2011，2.