閥配流乳化液泵新型流量調節策略及其特性分析

任煜，李永康，廉自生

(太原理工大學機械與運載工程學院，山西太原 030024)

0 前言

液壓支架是綜采工作面的關鍵設備，它與采煤機、刮板輸送機配套使用，實現煤礦綜采工作面的采煤機械化。液壓支架系統的動力源是乳化液泵站，采煤過程中液壓支架系統壓力、供液流量隨支架升柱、降柱、推溜和拉架等動作動態調節。采煤的效率取決于液壓支架的動作速度，要求泵站能及時根據需求對用液量進行調節。同時，供液流量的變化對液壓支架運行的穩定性有很大的影響，且隨著供液距離的增加明顯加劇。因此，對乳化液泵站的流量調節方式以及對液壓支架運行特性的影響開展相關研究很有必要。

國內外眾多學者對液壓支架的供液特性與策略進行了研究。液壓支架在執行不同的動作時所需要的泵站流量是不同的，所以需要根據支架的具體動作調節泵站流量。煤礦井下大多通過變頻器控制電機轉速達到控制泵流量的目的。付翔通過對液壓支架運動過程流量壓力變化進行分析，設計了液壓支架的新型供液策略。LI和DENG提出增大供液流量可以加快支架的動作速度，并用AMESim仿真驗證。仉志強等建立了AMESim 管路模型和液壓支架系統模型,分析了管路長度、管路通徑、管路初始壓力對支架動作的影響。高宇龍等搭建了ZF6000/20/40D型液壓支架及液壓系統的仿真模型，并對該液壓支架的升柱、降柱作了仿真分析。上述研究分析了不同供液條件對支架動作的影響，其中供液流量的變化影響較大。此外國內外有許多文獻論述了多泵聯動的控制策略：LI和WEI通過分析液壓支架的工作特性，分析了乳化液泵站供液下支架運行數量與乳化液泵運行數量相匹配的控制問題。楊濤和李文英具體闡述了多泵聯動的控制邏輯方法和程序設計。馮廣生進一步研究并細化了多泵聯動的控制方法，同時對控制順序和判斷條件作了進一步的優化。劉金麗用AMESim建立乳化液泵液壓系統模型，對柱塞位移與吸、排液閥的啟閉特性，以及腔內壓力與吸、排液閥啟閉的關系進行了研究。以上文獻有對單泵特性進行分析，也有對泵站排量進行調節，但調節方式多采用變頻調節，無法解決傳統變頻調節應用于遠距離供液時的滯后問題。因此，尋求一種新的流量調控方法尤為重要。

本文作者提出了乳化液泵流量調節新的方法，即采用比例閥短接泵的吸液閥，基于AMESim軟件建立BRW500/31.5乳化液泵仿真模型，并以該泵為液壓源同時建立綜采工面支架液壓系統模型。對所提出的流量調節方法與傳統變頻調速下流量變化過程進行對比，驗證流量調節方法的可行性，為實現綜采工作面支架液壓系統優化設計奠定基礎。

1 支架供液系統與流量調節工作原理

綜采工作面液壓支架供液系統的工作原理如圖1所示。當電液換向閥8切換到立柱上升工作位置，主進液管9中介質經由液控單向閥進入立柱4的無桿腔，立柱快速升起，先后經過升柱初撐階段、增阻承載階段及溢流承載階段。在溢流承載階段，壓力值達到安全閥5的調定壓力，使得安全閥開啟卸載直到立柱下腔壓力降到安全閥關閉壓力時，安全閥關閉。當操縱閥置于推溜位置，使液壓介質進入推移千斤頂6活塞腔，千斤頂活塞桿腔回液, 此時推移千斤頂以支架為支點，使活塞桿伸出，將輸送機推向煤壁。其降柱與拉架動作相反，不再細述。

圖1 液壓支架原理

鑒于傳統變頻調速響應慢的問題，為提高泵站的響應特性，文中提出如圖2所示的泵流量調節原理，即采用流量調節裝置將吸液閥并聯。工作原理如下：電機經聯軸器驅動曲軸旋轉，推動柱塞作往復運動從而吸排工作介質。進液閥并聯的5個裝置可以單獨開啟、關閉與開度調節，從而實現流量調節。在支架動作所需流量較小時，調節裝置開啟，吸液行程不受影響，排液時部分介質流回液箱，泵流量減小；當支架動作所需流量較大時，開啟程度適當減小使泵流量增大，以滿足支架不同動作的不同流量需求。

圖2 BRW500/31.5乳化液泵單個柱塞

2 液壓系統建模

2.1 泵基本參數與仿真模型

文中建立的液壓泵仿真模型以 BRW500/31.5型乳化液泵為基礎。該模型忽略泵中潤滑系統、殼體支撐等系統，僅對柱塞、吸排液閥構成的供液系統進行建模，參數設置如表1所示。

表1 BRW500/31.5仿真參數

BRW500/31.5仿真模型如圖3所示。電機直接驅動曲軸，省略實際工況中的減速器。調節裝置一端連接乳化液箱，一端連接柱塞腔進液通道，由信號元件控制開啟程度。

圖3 BRW500/31.5單個柱塞仿真模型

2.2 液壓支架供液方式

綜采工作面液壓支架供回液管路系統包括主供液管路和主回液管路，其布置方式主要有環形供液、梯形供液及三進三回供液，早期也有單進單回供液方式。單進單回供液方式比較簡單。環形供液方式是將工作面首尾兩套進回液管路分別相連；梯形供液方式在環形供液的基礎上，每隔若干數量的支架又增加了一組進回液管路，其首尾兩端與環形進回液管路相連。車鵬等人對各種供液方式的壓力損失進行了理論分析和計算，得出梯形供液方式大幅度減小了由于長距離工作面造成的供液壓力損失，提高了末端支架初撐力，加快了液壓支架的移架速度。所以文中選擇梯形供液方式進行仿真建模。

2.3 管路系統簡化

液壓系統的管路主要由各種管道、接頭、彎頭、閥類零件組成，如果將零件全部在模型中搭建出來，會使得模型計算復雜，增加計算難度與時間，所以在不影響仿真正確性的前提下對管路中管接頭進行簡化。

在串聯油路中, 流過管道中各接頭的流量相同，總壓差等于各個接頭兩端壓差之和, 可以得出串聯油路中多個管接頭的簡化公式為

(1)

根據上式可以將個串聯接頭簡化為一個當量接頭。同理, 當個管接頭并聯時, 并聯油路的兩端壓力差是相等的, 總流量等于各并聯油路的流量之和, 可以得出并聯油路中多個管接頭的簡化公式為

(2)

式中：為簡化后的當量管接頭；、分別為管道中串聯和并聯的多個管接頭。

2.4 液壓支架模型設置及搭建

液壓支架仿真模型以ZY6000/18.5/38掩護式液壓支架為基礎搭建，仿真各參數如表2所示。

表2 支架仿真參數

搭建仿真模型如圖4所示。模型中考慮重力影響，液壓缸質量均設置為500 kg。該模型著重仿真降柱、移架，升柱、推溜4個主要動作。同時將乳化液泵柱塞模型作為液壓源加入系統，構成綜采工作面整體仿真模型。

圖4 液壓支架仿真模型

3 結果與討論

3.1 不同流量調控方法對比

為驗證所提出的新型泵流量調節方式的效果，對比分析了變頻調速下相同流量變化時的情況。參照BPQJ-(3×400,480)/1140礦用隔爆兼本質安全型交流變頻器，其頻率變化范圍0.5～50 Hz的加減速調節時間最快為5 s左右。以變頻工況30～40 Hz所對應的流量為例，對應電機轉速280.8～374.4 r/min。在仿真中設置加速調節時間為1 s，變頻加速方式為直線加速，如圖5所示。

圖5 變頻器頻率變化

圖6所示為2種流量調節方法下的流量曲線。新調節方式在仿真開始時是空載運行，流量較大，在0.8s左右開始推動負載，流量逐漸穩定在300 L/min；流量調節從=1 s開始,1～2 s時間段內流量由300 L/min直線增加到400 L/min，新調節方式下的泵流量快速增加到400 L/min，到達峰值流量時間約為0.25 s，而傳統變頻方法到達峰值時間為1.15 s。

圖6 2種流量調節方式流量對比

3.2 調節裝置開啟數量對流量的影響

圖7(a)所示分別為流量400 L/min且空載時，調節裝置數量從1個增加至5個的流量變化情況，以及泵正常排量500 L/min時的流量曲線。可以看出：5個調節裝置同時開啟時流量波動最小，和泵正常排量時的波動情況相近。隨著調節裝置開啟數量減少,泵流量的波動幅度越來越大；當只開啟1個時波動幅值最大達到了350 L/min。對比圖7(b)所示帶負載時泵的流量變化曲線，可以看出：在泵正常工作與分別開啟4個與5個的情況下，泵流量的波動幅度與空載時基本相同。當開啟3個和2個調節裝置時，帶負載的流量波動略大于空載，只開啟1個時，帶負載流量波動幅度明顯加劇，甚至在某一瞬時流量為0。

圖7 泵流量變化

3.3 支架立柱液壓缸無桿腔壓力變化分析

系統流量的波動會導致液體壓力產生波動。圖8(a)、圖8(b)分別為液壓支架在執行升柱和降柱動作時液壓缸無桿腔的壓力變化。

在開始的0.8 s左右是仿真的初始化時間，之后支架開始升柱。升柱動作開始的1 s內，6種調節情況下的壓力都有相似的波動且波動幅值較大。而在此之后，如圖8(b)中，在泵正常工作與開啟5個調節裝置2種情況下壓力都有小幅度的波動，并且波動幅度隨著時間逐漸減小，在2.5 s左右波動消失；而在圖8(a)中當開啟1—4個調節裝置時，波動幅度雖然隨著時間減小，但壓力波動一直存在，整體波動呈現一定的規律性，直到升柱結束波動消失。在降柱階段，圖8(b)中2曲線在降柱初期壓力出現波動，隨著時間推移波動逐漸減小，在降柱中期波動消失；而圖8(a)中4條曲線在降柱階段其壓力隨著時間變化呈現有規律的波動，且幅值越來越大，同時隨著調節裝置開啟數量的減少，壓力波動的幅值也在變大。

圖8 支架立柱無桿腔壓力變化

4 結論

針對傳統變頻流量調節響應滯后問題，提出一種閥配流柱塞泵新的流量調節方法。以BRW500/31.5乳化液泵為對象，基于AMESim軟件對提出的閥配流柱塞泵流量調節方法進行驗證，同時以該泵模型作為液壓源對ZY6000/18.5/38型液壓支架供液系統進行建模仿真和分析，得到以下結論：

(1)采用調節裝置短接進液閥的結構來調節泵流量的方法是可行的。根據仿真結果，在目標流量一定時，新型調節策略下泵能更快達到目標值，當泵流量從300 L/min增加到400 L/min時，調節時間減少了0.9 s左右；

(2)柱塞泵使用新型流量調節策略時，隨著開啟的調節裝置數量的減少，不論是空載還是帶負載，流量波動幅度都會變大；

(3)系統流量的波動會影響液壓缸無桿腔壓力的波動，隨著調節裝置開啟數量的減少，液壓缸無桿腔壓力波動在變大，相比正常工作時其波動時間也更長。因此在流量調節時如果對流量波動和壓力波動有要求，最好采用5個調節裝置同時開啟的方法以減小系統流量與壓力的波動。