采煤機液壓制動系統研究分析

張少鵬

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006）

1 采煤機液壓制動系統工作原理

當采煤機運行中出現問題時，控制系統發送信號給電磁閥，電磁閥進行斷電處理，促使制動裝置里的液壓油快速返回油箱，壓力油腔的壓力迅速下降，制動器碟形彈簧給活塞推力并促使其移動，基于碟簧的作用力使制動裝置壓下摩擦片，形成制動力，對采煤機下滑動作進行有效控制。采煤機故障解除后，液壓系統在啟動狀態下提供高壓油液制動系統，使制動盤的碟簧壓縮，分開采煤機與摩擦片，采煤機向前方運行。

2 采煤機液壓制動系統仿真模型的建立

2.1 參數配置

在構建制動系統仿真模型過程中，對各元件進行參數配置，具體數據見表1。

表1 液壓制動系統仿真參數

2.2 蓄能器數學模型的建立

本次研究的采煤機液壓制動系統蓄能器屬于囊式結構的蓄能器，數學模型用式（1）表示。

式中：Pi是進油腔內的壓力；P0是其預充氣壓力；ke是預充氣體的剛度系數；V0是其充氣體積；A0是截面積；ce是預充氣阻尼系數。

當油液彈性模量設定為0 時，蓄能器在進油腔位置的受力情況通過式（2）計算。

式中：P1是進口閥芯位置壓力；An是其進油口閥芯位置截面積。me是進入油液的等效質量；Be是油液的等效黏性系數。

結合式（1）、式（2），可得式（3）。

3 仿真模型分析與討論

3.1 管路直徑與長度對采煤機液壓制動系統性能的影響

（1）管路直徑。管路對液壓控制系統而言，起到的是連接各元器件的作用，為液壓油在系統中貫通提供相應的通道。管路直徑不同，液壓油的液組具有一定的差異，因此，為探討其對采煤機液壓制動系統形成產生的影響，以AMESim 仿真軟件為基礎進行模型分析。

在確保其他參數配置不調整的情況下，改變管路直徑，分別使采煤機液壓制動系統處于管路直徑35 mm，25 mm，15 mm，8 mm 等4 個參數狀態下運行。

管徑直徑在（15～35）mm 狀態下，發揮制動效應過程中，管路中油液壓力雖然都會逐漸下降為0，但管徑越大油液壓力降為0 的時間越長，即液壓制動系統的制動動作會因管路直徑的擴大而變得緩慢，仿真試驗中，管徑為8 mm 時，液壓系統油液壓力下降到0 的時長最長。原因是管路直徑較小，會給液壓油流動帶來較大阻力，造成油液的流動性差、速率低，因此，采煤機液壓制動系統的制動性能與系統管路直徑密切相關。為保證采煤機液壓制動系統最大程度發揮制動作用，應對管路直徑進行科學選用。

（2）管路長度。為探討管路長度對采煤機液壓制動系統制動性能產生的影響，以AMESim 仿真軟件為基礎進行模型分析。在其他參數不調整的情況下，改變管路長度，分別使采煤機液壓制動系統管路長度為8 m，4 m，2 m，1 m 這4 個參數狀態下運行。長度的增加會影響液體的流動時間，在仿真試驗中，液壓制動動作的時間隨著管路長度的增長而變長，兩者呈現正相關關系。數據表明，當管長度設定為4 m 時，制動耗時0.29 s，而改變為8 m 時，耗時5 s，這違背了煤礦安全生產中的相關規程，超出規范標準0.3 s 的安全極限值。因此，采煤機液壓制動系統的制動性能與液壓系統的管路長度相關。采煤機制動系統在管路長度配置過程中，應控制在4 m 范圍內。

3.2 制動器彈簧剛度對制動壓力的影響

為了探討制動器彈簧剛度對采煤機液壓制動系統制動壓力的影響，以AMESim 仿真軟件為基礎進行模型分析。在其他參數配置不調整的情況下，對制動器彈簧剛度進行設定，分別使其處于5300 N/mm，5000 N/mm，4700 N/mm 的參數狀態下，制動過程中制動壓力幾乎沒有受到制動器彈簧剛度的制約。彈簧預緊力確定時，為避免制動器摩擦片過于損耗而影響其可靠性，可以通過適度加強彈簧剛度從而縮減制動器活塞運動間距，提高制動器結構性能。

3.3 制動器彈簧預緊力對制動油壓的影響

對制動器的彈簧預緊力進行設定，分別使其處于3000 N，2400 N，1800 N 的參數狀態下。隨著彈簧預緊力的增加，油壓呈降低趨勢，且越來越快，相應的制動消耗時長也變短。制動器彈簧預緊力處于3000 N 狀態下時，制動僅用0.2 s。通過這一參數的仿真分析，給制動系統快速反應帶來了新的實踐思路。實際運行中，如果管路長度不能實現縮減、管路彎頭較多并不能減少的情況下，采取加大制動器彈簧預緊力的措施使制動響應更迅速。

3.4 蓄能器不同預充氣壓力對液壓制動系統的影響

把蓄能器放置在系統內，制動器發揮制動作用過程中的動力源由蓄能器控制，使系統感應制動信號后迅速進行制動，保障采煤機制動器有可靠性的制動。為保障有充足的制動壓供制動器制動，保證蓄能器在控制制動器碰觸制動盤之后仍存留一部分高壓油液，需要合理設定蓄能器的預充氣壓力。

設定蓄能器的預充氣壓力，分別使其處于3 MPa，4 MPa，5 MPa，6 MPa，7 MPa 的參數狀態下，基于AMEsim 仿真分析軟件的蓄能器不同預充氣壓力下制動盤與制動油缸的相關數據，如圖1、圖2 所示。

當蓄能器預充氣壓力7 MPa 狀態下，制動盤運行速度以及制動油缸壓力下降到0 的時間非常快，主要是因為蓄能器預充氣壓力相比較額定工作壓具有很小的壓差，使很少的油液進入蓄能器，制動盤油缸油液需求無法得到滿足。

制動系統制動速度隨著預充氣壓從6 MPa 減小到3 MPa，出現減緩的趨勢。尤其預充氣壓力為3 MPa 的狀態下，制動時間0.5 s，不能符合迅速制動的采煤機運行需求。分析圖2 制動結構沖擊振動發現，蓄能器預充氣壓力在增加的過程中，采煤機制動過程中制動結構的沖擊振動隨之下降，到達6 MPa 時，沖擊振動最低。因此，蓄能器預充氣壓力6 MPa 狀態下，不但制動系統動作快速、有效，而且還能夠減小系統的沖擊和振動，有利于延長采煤機液壓制動系統的壽命。

圖1 蓄能器預充氣壓力—制動盤速度曲線

圖2 蓄能器預充氣壓力—制動油缸壓力曲線

4 結論

（1）采煤機液壓制動系統的制動性能與液壓系統管路直徑和長度密切相關。為保證采煤機液壓制動系統最大程度發揮制動作用，應對管路直徑、長度進行科學選用，將管路長度控制在4 m 范圍內。

（2）在制動過程中制動壓力幾乎沒有受到制動器彈簧剛度的制約。可以通過適度加強彈簧剛度縮減制動器活塞的運行間距，避免制動器摩擦片過度損耗。

（3）制動器彈簧預緊力的控制給制動系統快速反應帶來了新的實踐思路。實際運行中，如果管路長度不能縮減、管路彎頭較多且能減少的情況下，加大制動器彈簧預緊力可使制動響應更迅速。

（4）蓄能器的配置及蓄能器預充氣壓力的合理設定，對于采煤機快速制動有著積極意義，特別是蓄能器預充氣壓力處于6 MPa 的狀態下，不但制動系統動作快速、有效，而且還能夠減小系統的沖擊和振動，有利于延長采煤機液壓制動系統的使用壽命。