采煤機變轉速液壓牽引系統的設計與仿真

尹少波

（陽煤寺家莊有限責任公司綜采一隊， 山西 晉中 045300）

引言

煤礦企業的節能生產同樣是備受關注的話題。對于液壓牽引采煤機而言，由于其采用節流調速泵存節流損失和溢流的問題，導致其在節能方面無法滿足降耗的要求。因此，需對傳統液壓牽引采煤機的液壓系統進行改造，本文提出將變轉速技術應用于傳統液壓牽引采煤機中，從而大幅度提升液壓系統的節能率，從而降低液壓牽引采煤機的能耗。

1 采煤機變轉速液壓牽引系統的總體設計

傳統采煤機液壓牽引系統中的核心部件為主泵，當前所選用的主流主泵的類型為變量柱塞泵。盡管變量柱塞泵在實際應用不存在溢流損失，但是該泵的結構相對復雜，對乳化液泵站所提供乳化液的要求較高。因此，在日常生產中為了確保變量柱塞泵的使用壽命，需定期對其進行檢修，無形中增加了設備的維修費用，降低了采煤機的生產效率[2]。此外，基于變量柱塞泵的液壓牽引系統的自動化水平較低，無法與當前高自動化水平的綜采能力相匹配。為此，將變轉速技術應用于傳統采煤機的液壓牽引系統中，液壓原理圖如圖1 所示。

如圖1 所示，變轉速液壓牽引系統由檢測控制單元（1）、變頻器（2）、主泵電機（3）、定量泵（4）、壓力傳感器（5）、高壓安全閥（6）、背壓閥（7）、冷卻器（8）、單向閥（9）、電液比例方向閥（10）、牽引馬達（11）、液壓制動器（12）、二位三通電磁換向閥（13）、精過濾器（14）、補油泵（15）、補油電機（16）、溢流閥（17）、粗過濾器（18）以及油箱（19）組成。

基于變轉速技術所設計的液壓牽引系統具備如下特點：

1）本系統通過變頻器實現對電機轉速的控制，從而大大降低了作業人員的勞動強；

圖1 采煤機變轉速液壓牽引系統原理圖

2）電液比例閥的應用大大提升了系統的控制精度；

3）基于變轉速技術能夠實現采煤機電機以較低的轉速運行，從而降低了系統的損耗；

4）本系統設計的液壓元器件的種類及數量較少，大大提升了系統的可靠性[3]。

2 液壓牽引系統元器件的選型

本文所研究采煤機的型號為MG300-W，將其傳統的液壓牽引系統改造為變轉速液壓牽引系統后需對改造后牽引系統中的變頻器、電機、壓力傳感器等元器件進行重新選型設計。

經查閱MG300-W 采煤機的相關參數可得：液壓牽引系統中主油路的最高工作壓力為16 MPa，液壓牽引系統中最大流量為270 L/min，采煤機電機功率為90 kW[4]。

結合各元器件的選型原則及選型依據、計算公式等完成了改造后變轉速液壓牽引系統中關鍵元器件的選型，選型結果如下頁表1 所示。

3 變轉速液壓牽引系統性能的驗證

3.1 液壓牽引系統的仿真對比

為驗證不同液壓牽引系統的性能，分別對變量柱塞泵液壓牽引系統、負載敏感液壓牽引系統以及變轉速液壓牽引系統在階躍負載信號下，采煤機牽引系統馬達轉速的變化情況[5]。

階躍負載信號：階躍負載由0 階躍為500 N·m，并持續1 s 時長；在1 s 時刻階躍負載由500 N·m 階躍為800 N·m。仿真結果如圖2 所示。

如圖2 所示，變轉速液壓牽引系統的響應速度最快，其次為傳統變量液壓牽引系統，負載敏感液壓牽引系統響應速度最慢。此外，當系統受到載荷突變時，變轉速液壓牽引系統的超調量小，即速度剛性好。

表1 變轉速液壓牽引系統關鍵元器件選型

圖2 階躍負載下不同液壓牽引系統馬達轉速對比圖

3.2 不同工況下的仿真分析

本節對比采煤機分別在重載工況、輕載工況下的性能。

3.2.1 輕載工況下的仿真

當液壓牽引系統的流量為240 L/min 時，對比采煤機在輕載工況下泵的出口壓力與采煤機電機功率兩項指標。仿真結果如圖3 所示。

如圖3 所示，在流量一定的前提下，泵出口壓力從小到大依次為變量柱塞泵液壓牽引系統、變轉速液壓牽引系統、負載敏感液壓牽引系統。造成上述情況的原因在于：負載敏感液壓牽引系統在調速閥和電磁換向閥的共同作用下形成了兩次壓力損失，而變轉速液壓牽引系統僅由于電液比例方向閥而造成的一次壓力損失；傳統變量柱塞泵液壓牽引系統不存在壓力損失。電機功耗與泵出口壓力的情況相似。

圖3 輕載工況下性能對比

3.2.2 重載工況下的仿真

當液壓牽引系統的流量為240 L/min 時，對比采煤機在重載載工況下泵的出口壓力與采煤機電機功率兩項指標。仿真結果如圖4 所示。

分析圖4 可知，在出口壓力未達到16 MPa（牽引系統的最大工作壓力為16 MPa）時，三種牽引系統泵的出口壓力和電機功率的變化與輕載工況下的相似。當系統達到最大工作壓力時，變量柱塞泵液壓牽引系統泵的出口壓力最大，而變轉速液壓牽引系統泵的出口壓力瞬間被卸荷；對于電機功率，當系統達到最大工作壓力時，采煤機電機的功率以最快的速度將為至最低，而其余兩種液壓牽引系統的下降速度較小。

4 結語

圖4 重載工況下性能對比

目前，液壓牽引采煤機仍然應用于薄煤層的開采中，其在實際生產過程中存在可靠性低、能耗大等問題。變轉速技術在液壓牽引系統中的應用不僅降低了液壓牽引系統元器件的復雜程度，提升液壓系統的可靠性，而且變轉速液壓牽引系統在載荷突變工況下的響應速度最快，超調量最小，為采煤機的穩定運行奠定了扎實的基礎。此外，變轉速液壓牽引系統在重載工況下的節能效果最佳。因此，可將變轉速液壓牽引系統在實際生產中推廣應用。