綜采面不同供液方式的壓力損失分析

李宇琛，吳娟,郭凱宇,王子浩

(1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西太原 030024;2.礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024；3.山西礦山流體控制工程技術(shù)研究中心，山西太原 030024)

0 前言

隨著國家能源需求日益旺盛，以煤炭為主的能 源結(jié)構(gòu)將持續(xù)很長一段時間，如何高效開采煤炭是目前較為棘手的問題。現(xiàn)代化綜采工作面采煤設(shè)備主要包括采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架，其中液壓支架占總投入的70%以上，其作用是采煤機(jī)割煤后及時跟進(jìn)，防止頂板冒落或下沉過多。液壓系統(tǒng)是井下液壓支架最重要也是最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，其能量損失不容忽視。液壓系統(tǒng)壓力損失不僅對泵閥匹配有影響，對液壓系統(tǒng)的可靠性也有影響。乳化液流經(jīng)多路閥和液壓管道都會產(chǎn)生壓力損失，過大的壓力損失會造成系統(tǒng)發(fā)熱、輸出功率降低，造成不必要的能量浪費(fèi)。液壓支架動力源來自供液系統(tǒng)輸出的充足的高壓乳化液。液壓管道是液壓系統(tǒng)中各元件相連接的紐帶，為整個系統(tǒng)輸送高壓乳化液和傳遞能量，但是在整個液壓管路中會有較大的壓力損失，壓力損失的大小將會直接影響支架動作的穩(wěn)定性與快速性，因此必須足夠重視管路中的壓力損失。唐小龍和王曉東對動載條件下液壓缸無桿腔的壓力進(jìn)行模擬分析，進(jìn)行了液壓缸動載過載的現(xiàn)場測試試驗(yàn)并同步檢測了無桿腔壓力波動,在此基礎(chǔ)上，對礦用液壓缸在不同工況下的動態(tài)特性進(jìn)行了仿真與計(jì)算。目前綜采工作面常用的供液方式有環(huán)形供液方式和梯形供液方式,而以前常用的是普通工作面單進(jìn)單回供液系統(tǒng)，該供液方式不適用于當(dāng)下較長綜采工作面。不同的供液方式有不同的壓力損失，且隨著管路參數(shù)的變化壓力損失隨之有著較大的變化。本文作者通過理論計(jì)算分析上述3種供液方式的壓力損失,利用Simulation X軟件對不同供液方式的壓力損失進(jìn)行仿真,并與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

1 供液管路壓力損失的計(jì)算

對于超長綜采工作面供液管路，管路內(nèi)乳化液的壓力損失主要包括順槽直管路和工作面直管路的沿程壓力損失與所有接頭和彎管處的局部壓力損失。

順槽進(jìn)回液管采用27SiMn鋼管，絕對表面粗糙度=0.032 mm，屬于水力粗糙管。通過查《液壓工程師技術(shù)手冊》，得光滑液壓橡膠管的表面絕對粗糙度為0.006～0.07 mm，含有加強(qiáng)鋼絲的液壓膠管的表面絕對粗糙度為0.03～4 mm,架間進(jìn)液管為含有加強(qiáng)鋼絲的液壓膠管，其絕對表面粗糙度為0.05 mm，同樣也屬于水力粗糙管。在管路系統(tǒng)中，管接頭個數(shù)較多，僅一條進(jìn)油管從液壓泵站到工作面第一架液壓支架處就有17個。

1.1 沿程壓力損失

順槽進(jìn)液管路的雷諾數(shù)：

(1)

計(jì)算得：

(2)

(3)

同理可計(jì)算得到架間進(jìn)液管的沿程阻力系數(shù)=0.02。為使計(jì)算結(jié)果更加安全可靠，所以使2種管路的沿程阻力系數(shù)統(tǒng)一取為=0.02。

沿程壓力損失：

(4)

(5)

式中：為沿程阻力系數(shù)，=0.02；為管路長度；為管路直徑；為乳化液密度，998 kg/m。

1.2 局部壓力損失

工作面液壓管路還存在較大的局部壓力損失，其主要由直通管接頭壓力損失和三通管接頭壓力損失兩部分組成。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》知，直通管接頭阻力系數(shù)為=0.29，三通管接頭阻力系數(shù)=0.335。

則局部壓力損失：

(6)

(7)

由式(5)和式(7)可計(jì)算出工作面液壓管道內(nèi)總的壓力損失Δ為

Δ=Δ+Δ

(8)

由上述分析可知綜采工作面供液系統(tǒng)的各參數(shù)值如表1所示。

表1 工作面供液系統(tǒng)各參數(shù)值

2 不同供液方式壓力損失的分析

2.1 單進(jìn)單回供液方式

單進(jìn)單回供液方式是一種由單條供液管路、單條回液管路構(gòu)成的供液方式。這種供液方式的優(yōu)點(diǎn)是管路布置簡單，適用于工作面較短的工況；缺點(diǎn)是當(dāng)工作面較長時，距離泵站較遠(yuǎn)的液壓支架壓力損失很大，會導(dǎo)致支架的初撐力不足、移架力不足等一系列問題，進(jìn)而影響支架的支撐質(zhì)量和移架速度。圖1所示為單進(jìn)單回供液系統(tǒng)的原理。

圖1 單進(jìn)單回供液系統(tǒng)原理

單進(jìn)單回供液方式第臺液壓支架的壓力損失：

(9)

式中:為順槽進(jìn)液管長度；為架間進(jìn)液管長度；為順槽進(jìn)液管內(nèi)徑；為架間進(jìn)液管直徑；為直通管內(nèi)徑；為三通管內(nèi)徑。

2.2 環(huán)形供液方式

環(huán)形供液方式是一種由兩條供液管路和兩條回液管路構(gòu)成的供液方式。此供液方式由首尾兩套高、低壓進(jìn)回液管路相連構(gòu)成，高、低壓管路形成一個環(huán)形的工作面供液系統(tǒng)。圖2所示為環(huán)形供液系統(tǒng)的原理。

圖2 環(huán)形供液系統(tǒng)原理

環(huán)形供液方式是雙管路供液，兩條管路的流量分別為和：

(10)

(11)

(12)

通過式(8)—(10)計(jì)算得環(huán)形供液方式第架的壓力損失為

(13)

式中：為工作面液壓支架數(shù)，一般為150～200。

2.3 梯形供液方式

梯形供液方式是在整個工作面布置有一條直徑較大的主進(jìn)回液管路，然后把工作面分成若干組，每組由若干臺支架組成，每一組進(jìn)回液管路支路分別交叉與主進(jìn)回液管路相連，形成梯形供液系統(tǒng)。這種供液方式大大減少了進(jìn)回液時的壓力損失，從而提高液壓支架的工作質(zhì)量和效率。圖3所示為梯形供液系統(tǒng)的原理。

圖3 梯形供液系統(tǒng)原理

(14)

(15)

(16)

(17)

由式(14)—(17)計(jì)算知，梯形供液方式的壓力損失為

(18)

從式(9)(13)(18)可以看出,不論是哪種供液方式，其順槽內(nèi)的沿程壓力損失是一樣的，3種供液方式的壓力損失差異主要體現(xiàn)在液壓支架工作面。可以看出:當(dāng)工作面較短，液壓支架數(shù)目較少時3種供液方式的壓力損失相差不多，這時應(yīng)多采用管路設(shè)置較為簡單的單進(jìn)單回供液方式;當(dāng)綜采工作面較長、液壓支架數(shù)目較多時，為確保距離泵站較遠(yuǎn)支架動作的穩(wěn)定性與快速性、減小管路的壓力損失，綜采面大多采用梯形供液方式。根據(jù)上述理論計(jì)算，假設(shè)工作面共有150臺支架，平均分為5組，每組30臺支架，計(jì)算得出不同供液方式下的壓力損失如表2所示。

表2 不同供液方式的壓力損失計(jì)算結(jié)果 單位:MPa

3 不同供液方式壓力損失試驗(yàn)原理與仿真

壓力損失現(xiàn)場測試平臺如圖4所示。在SloidWorks中完成液壓支架的建模，再將SloidWorks中的模型導(dǎo)入到Simulation X進(jìn)行仿真，該軟件可以完成復(fù)雜系統(tǒng)的搭建、分析與優(yōu)化，是一種高級的建模仿真平臺。為在Simulation X中搭建整個工作面系統(tǒng)時使系統(tǒng)簡潔，將模型在Simulation X軟件中進(jìn)行封裝，如圖5所示。

圖4 壓力損失現(xiàn)場測試平臺

圖5 基于Simulation X液壓支架封裝模型

由圖1—圖3可以看出：綜采面液壓支架供液系統(tǒng)主要由液壓泵站和液壓管路兩部分組成。在Simulation X中搭建不同供液方式的模型，由于實(shí)際的工作面長度較大，文中選取5組支架進(jìn)行模型搭建，以分析3種供液方式的壓力損失。液壓支架采用已封裝好的模型替代，3種供液系統(tǒng)模型分別如圖6—圖8所示。

圖6 單進(jìn)單回供液系統(tǒng)Simulation X模型

圖7 環(huán)形供液系統(tǒng)Simulation X模型

圖8 梯形供液系統(tǒng)Simulation X模型

在Simulation X軟件中進(jìn)行仿真，分別比較3種不同供液方式在各個支架上立柱升降過程中的壓力損失，結(jié)果如圖9所示。圖中0～6 s是液壓支架升柱過程，6～12 s是液壓支架降柱過程。圖(a)—(e)分別展示了第1、2、3、4、5臺支架的壓力損失。可知：采用單進(jìn)單回供液方式時壓力損失最大，其值高達(dá)14.0 MPa,環(huán)形供液方式和梯形供液方式的壓力損失較小，這2種供液方式的壓力損失大約為5.0 MPa,且梯形供液方式的壓力損失比環(huán)形供液方式小。仿真結(jié)果與上述計(jì)算所得的理論結(jié)果在壓力損失變化趨勢上保持一致。

圖9 基于Simulation X的不同供液方式的壓力損失

綜采工作面是由上百架液壓支架組成的，當(dāng)采用不同的供液方式供液時會帶來不同的壓力損失，即使是在一種供液方式下，由于各支架與泵站的距離不同，各支架上的壓力損失也不同。圖10中分別表示了單進(jìn)單回供液方式、環(huán)形供液方式、梯形供液方式下的各支架的壓力損失。可以看出：越靠近液壓泵站的支架壓力損失越小，距離泵站越遠(yuǎn)其壓力損失越大；在單進(jìn)單回供液方式下的第1架支架至第5架支架的壓力損失約為6.0 MPa,環(huán)形供液方式下約為1.5 MPa，梯形供液方式下約為1.0 MPa。

圖10 3種供液方式下不同液壓支架的壓力損失

4 結(jié)論

本文作者采用理論計(jì)算與仿真分析的方式對不同供液方式下供液管路的壓力損失進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)通過理論計(jì)算可以知道，當(dāng)工作面較短時，應(yīng)采用結(jié)構(gòu)較為簡單的單進(jìn)單回供液方式，工作面較長時應(yīng)選擇梯形供液方式，可有效地減小壓力損失，以保證液壓支架動作的穩(wěn)定性和快速性；

(2)通過理論計(jì)算與基于Simulation X對不同供液方式下各支架的壓力損失與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)要略大于仿真結(jié)果和理論計(jì)算值，這可能是由于現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境和泄漏引起的，但是整體的壓力損失趨勢保持一致。單進(jìn)單回供液方式的壓力損失最大，其值高達(dá)14.0 MPa，梯形供液方式的壓力損失最小，其值約為5.0 MPa，從而可以得出梯形供液方式下的沿程壓力損失最小，適用于目前較長綜采面供液系統(tǒng)；

(3)基于Simulation X對同種供液方式下的工作面的液壓支架的壓力損失作比較，結(jié)果表明：越靠近液壓泵站的支架壓力損失越小，距離泵站越遠(yuǎn)其壓力損失越大，即壓力損失的大小與距離泵站的距離呈正相關(guān)；

(4)基于Simulation X對同種供液方式下的工作面的壓力損失進(jìn)行比較，其中在單進(jìn)單回供液方式下的第1組支架至第5組支架的壓力損失約為7.0 MPa,環(huán)形供液方式下約為1.5 MPa，梯形供液方式下約為1.0 MPa，從而可知梯形供液方式適用于綜采面較長的工作面。