， ，

(1. 江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇徐州 221116； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇徐州 221008)

引言

煤倉(cāng)安裝于煤礦井下，是原煤采出后臨時(shí)儲(chǔ)藏和轉(zhuǎn)運(yùn)的重要裝置。然而，由于受煤炭開(kāi)采工藝的影響，原煤采出后自身會(huì)攜帶一定含量的水分，隨著含水原煤對(duì)煤倉(cāng)的不斷輸入與輸出，會(huì)使得原煤在煤倉(cāng)壁上形成一層粘結(jié)物，稱之為粘煤。粘煤的積累會(huì)使煤倉(cāng)壁表面粗糙不平，并使原煤在煤倉(cāng)中的運(yùn)輸嚴(yán)重受限。這種缺陷制約了井下原煤的運(yùn)輸，使生產(chǎn)效率嚴(yán)重降低。為保證生產(chǎn)過(guò)程的不間斷，需要經(jīng)常性地對(duì)煤倉(cāng)進(jìn)行清理[1-2]。

由于機(jī)械化和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的人工清理煤倉(cāng)方式顯然難以滿足大型煤礦的生產(chǎn)需要。

近年來(lái)，隨著液壓技術(shù)在煤礦產(chǎn)業(yè)中的運(yùn)用，人們對(duì)于液壓設(shè)備工作的可靠性也愈發(fā)認(rèn)同。因此，本研究設(shè)計(jì)了一種中心回轉(zhuǎn)式全液壓清倉(cāng)機(jī)，并對(duì)其液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析與研究，旨在實(shí)現(xiàn)礦用清倉(cāng)設(shè)備的智能化和自動(dòng)化，為礦井安全建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 中心回轉(zhuǎn)式清倉(cāng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理

本研究旨在解決直徑為5 m、高度為40 m的立筒式煤倉(cāng)積煤清理的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)井下設(shè)備布置情況、巷道設(shè)置情況的考察，發(fā)現(xiàn)煤倉(cāng)口位置的空間較為局促，不利于大型設(shè)備的安裝，因此擬采用結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊的液壓驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力源。

針對(duì)割煤的問(wèn)題，本研究借鑒滾筒式煤機(jī)的割煤方法，使用截錐體形式的截割頭進(jìn)行銑削落煤。通過(guò)參照傳統(tǒng)的滾筒式采煤機(jī)工作原理，擬在工作臂末端設(shè)置1個(gè)截割頭，該截割頭前端均勻布置了成45°角的3排切割頭，以滿足切煤要求；同時(shí)，本研究擬設(shè)計(jì)一回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，用于驅(qū)動(dòng)工作臂沿煤倉(cāng)軸向旋轉(zhuǎn)，該回轉(zhuǎn)力用于克服截割頭回轉(zhuǎn)割煤時(shí)的阻力；清倉(cāng)機(jī)工作時(shí)，需要由一套提升設(shè)備下放至工作位置，為了盡量減少配套設(shè)備數(shù)量，擬采用液壓絞車(chē)提升下放；液壓泵站則放置在煤倉(cāng)倉(cāng)口，供工人操作。

圖1為所設(shè)計(jì)的中心回轉(zhuǎn)式液壓清倉(cāng)機(jī)具體結(jié)構(gòu)。

1.工作臂 2.支撐臂 3.懸吊機(jī)構(gòu) 4.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 5.主機(jī)架 6.配重裝置 圖1 中心回轉(zhuǎn)式液壓清倉(cāng)機(jī)

(1) 工作臂，工作臂作為清倉(cāng)機(jī)重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，承擔(dān)著最主要的切割煤任務(wù)；2個(gè)工作臂對(duì)稱布置，并由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；在割煤過(guò)程中，工作油缸緩慢進(jìn)給，在保證割煤效率的同時(shí)，避免由于進(jìn)給量過(guò)大，造成清倉(cāng)機(jī)超負(fù)荷工作的情況；工作臂回轉(zhuǎn)環(huán)繞式的割煤方式，不存在工作死角，運(yùn)行穩(wěn)定、效率高；

(2) 支撐臂，本研究所設(shè)計(jì)的支撐臂并不需要提供足以撐起整個(gè)清倉(cāng)機(jī)的摩擦力，因?yàn)槌兄氐娜蝿?wù)主要由鋼絲繩承擔(dān)，支撐機(jī)構(gòu)只是防止因整機(jī)重心偏離而產(chǎn)生的傾覆現(xiàn)象；其主要工作機(jī)構(gòu)為3個(gè)沿煤倉(cāng)徑向均布的支撐油缸；摩擦力由支撐油缸與煤倉(cāng)壁接觸表面提供；

(3) 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可繞煤倉(cāng)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝有液壓馬達(dá)，為了達(dá)到合理的轉(zhuǎn)速，同時(shí)避免馬達(dá)承受徑向力和軸向力，故采用一對(duì)開(kāi)式齒輪進(jìn)行傳動(dòng)；

(4) 主機(jī)架，主機(jī)架由上下兩層安裝盤(pán)所組成，為保證主機(jī)架的強(qiáng)度，主機(jī)架上多處設(shè)有筋板；安裝盤(pán)上設(shè)置可供起吊使用的吊環(huán)盤(pán)，與液壓絞車(chē)的鋼絲繩相連接；

(5) 配重裝置，由于液壓馬達(dá)處于整機(jī)單側(cè)，為與之相平衡，故設(shè)有配重裝置，避免因重心偏移導(dǎo)致整機(jī)傾覆。

2 液壓系統(tǒng)的工作原理

本研究設(shè)計(jì)的清倉(cāng)機(jī)采用單泵開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)，滿足截割參數(shù)、回轉(zhuǎn)參數(shù)、支撐參數(shù)和提升參數(shù)的要求，其中單泵的結(jié)構(gòu)形式為定量泵，供油工作油缸、支撐油缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)和液壓絞車(chē)4個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這4個(gè)機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)割煤、旋轉(zhuǎn)、支撐、提升的功能，調(diào)速方式為進(jìn)油節(jié)流調(diào)速，圖2為具體液壓原理圖。

1.液壓泵站 2.調(diào)速裝置 3.三位四通換向閥 4.液壓絞車(chē) 5.回轉(zhuǎn)馬達(dá) 6.液壓鎖 7.工作油缸8.支撐油缸 9.分流集流閥圖2 中心回轉(zhuǎn)式清倉(cāng)機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

(1) 液壓泵站，該泵站安裝在煤倉(cāng)口位置，包含有礦用防爆電機(jī)、定量泵、溢流閥、二位二通手動(dòng)換向閥、過(guò)濾器和油箱。

其中，定量泵的結(jié)構(gòu)形式為齒輪泵，具有抗污染能力強(qiáng)，故障率低的特點(diǎn)，適于井下使用；液壓泵站的定量泵出口壓力的穩(wěn)定由溢流閥控制。

(2) 調(diào)速裝置，其中工作油缸和支撐油缸速度的控制是由單向節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)的，它由1個(gè)節(jié)流閥和單向閥組成；另外2個(gè)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度，是通過(guò)調(diào)速閥進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

(3) 手動(dòng)換向閥，本研究所使用的是三位四通換向閥，4個(gè)換向閥具有2個(gè)中位機(jī)能：O形和M形。其中，O形中位機(jī)能的特點(diǎn)是換向閥在中位時(shí)具備保壓功能，M形中位機(jī)能的特點(diǎn)是當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，系統(tǒng)可以直接卸載。

(4) 液壓絞車(chē)，內(nèi)含1組制動(dòng)裝置，當(dāng)換向閥處于右位時(shí)，制動(dòng)油缸內(nèi)的彈簧推出活塞桿將液壓絞車(chē)制動(dòng)；當(dāng)換向閥處于左位時(shí)，梭閥選取兩側(cè)油路中的高壓，推動(dòng)活塞桿縮回，液壓絞車(chē)開(kāi)始工作；當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，系統(tǒng)直接卸載，馬達(dá)不工作。

(5) 回轉(zhuǎn)馬達(dá)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)內(nèi)設(shè)有雙向溢流閥，以減少在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的保護(hù)。

(6) 液壓鎖，液壓鎖由2個(gè)液控單向閥組成，當(dāng)換向閥位于中間時(shí)，實(shí)現(xiàn)支撐回路、變幅回路中油路鎖緊進(jìn)行保壓的功能。

(7) 工作油缸，推送截割頭到煤倉(cāng)積煤位置，進(jìn)行回轉(zhuǎn)割煤的工作。

(8) 支撐油缸，主要為了防止清倉(cāng)機(jī)重量分布不均而產(chǎn)生的傾覆，中部法蘭連接安裝支撐頭，以加大與煤倉(cāng)壁的摩擦系數(shù)。

(9) 分流集流閥，目的是保證在回路的工作過(guò)程中，支撐油缸中3個(gè)油缸速度一致，以及工作油缸中2個(gè)油缸的速度一致，進(jìn)而使清倉(cāng)機(jī)處于煤倉(cāng)中心位置，提高工作效率。

3 仿真分析

3.1 回轉(zhuǎn)回路

回轉(zhuǎn)回路是清倉(cāng)機(jī)液壓系統(tǒng)中重要的工作回路，它需要提供給工作機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)割煤時(shí)所需的壓力和流量，滿足其轉(zhuǎn)速和輸出扭矩的要求[3-5]。本研究所設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)回路是典型的定量泵-定量馬達(dá)系統(tǒng)，采用進(jìn)油節(jié)流調(diào)速的方式對(duì)回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)該回路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，可較為直觀地得出回轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、壓力、流量等參數(shù)的變化[6-8]。

通過(guò)液壓元件子模型庫(kù)可構(gòu)建出回轉(zhuǎn)回路進(jìn)油節(jié)流調(diào)速仿真模型，如圖3所示。表1是仿真回路中各元件參數(shù)的設(shè)置。

圖3 回轉(zhuǎn)回路仿真模型

液壓元件子模型參數(shù)設(shè)置參數(shù)值泵PU001泵排量/mL·r-120.1泵額定轉(zhuǎn)速/r·min-11480馬達(dá)MO001馬達(dá)排量/mL·r-1664馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速/r·min-1600負(fù)載轉(zhuǎn)矩FR1R000庫(kù)侖摩擦轉(zhuǎn)矩/N·m1200轉(zhuǎn)動(dòng)慣量RL02轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m21.25溢流閥RV00安全閥開(kāi)啟壓力/MPa16

具體仿真工況設(shè)置為：其中節(jié)流閥通徑規(guī)格為10 mm，仿真時(shí)間設(shè)置為15 s，仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。前5 s，換向閥處于中位，回轉(zhuǎn)馬達(dá)靜止，此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)定為0；后10 s，換向閥處改變到右位，回轉(zhuǎn)馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)定為1200 N·m。最終可得到以下仿真結(jié)果。

圖4 回轉(zhuǎn)馬達(dá)壓力變化曲線

圖5 回轉(zhuǎn)馬達(dá)流量變化曲線

圖6 回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線

由仿真結(jié)果可以看出，在仿真過(guò)程中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)出一種階躍性的變化，用于模擬截割頭與積煤接觸瞬間的負(fù)載變化；由圖4可以看出，回轉(zhuǎn)馬達(dá)的輸入壓力為11.4 MPa；從圖5中可以看出，通過(guò)設(shè)定節(jié)流閥合理的開(kāi)口量，使得回轉(zhuǎn)馬達(dá)在換向瞬間，輸入流量提升至26.6 L/min，而后趨于穩(wěn)定；由圖6可知，馬達(dá)最終的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為40 r/min。以上結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 支撐回路仿真模型

3.2 支撐回路

中心回轉(zhuǎn)式清倉(cāng)機(jī)在開(kāi)始工作時(shí)，為使其處于在煤倉(cāng)中間，必須確保支撐回路中的3個(gè)支撐油缸的工作狀態(tài)一致。圖7為搭建支撐回路仿真模型，支撐回路中各元件仿真參數(shù)的設(shè)置如表2所示。

表2 支撐回路仿真模型參數(shù)設(shè)置

具體仿真工況設(shè)置為：設(shè)置仿真時(shí)間為60 s，設(shè)置控制安全閥的壓力為16 MPa。煤倉(cāng)內(nèi)部的直徑會(huì)因積煤而經(jīng)常發(fā)生變化，且本研究針對(duì)支撐回路的仿真主要是為了校驗(yàn)其同步性能，因此0～60 s負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)定為0不變，使油缸自由運(yùn)動(dòng)至其極限位置。圖8、圖9為3個(gè)支撐油缸的進(jìn)口壓力變化曲線及流量變化曲線。

圖8 支撐油缸壓力變化曲線

圖9 支撐油缸流量變化曲線

分析圖8和圖9知，3個(gè)油缸的壓力、流量曲線數(shù)據(jù)保持一致，說(shuō)明中心回轉(zhuǎn)式清倉(cāng)機(jī)的支撐油缸在工作時(shí)同步率較高，能夠符合中心回轉(zhuǎn)式清倉(cāng)對(duì)支撐油缸同步性的要求。

3.3 工作油缸回路

通過(guò)液壓元件子模型庫(kù)構(gòu)建的工作油缸回路仿真模型如圖10所示。工作油缸回路中各元件仿真參數(shù)的設(shè)置如表3所示。

圖10 工作油缸回路仿真模型

液壓元件子模型參數(shù)設(shè)置參數(shù)值泵PU001泵排量/mL·r-120.1泵額定轉(zhuǎn)速/r·min-11480油缸HJ020活塞直徑/mm90活塞桿直徑/mm63活塞行程/m1.08液控閥CV005單向閥開(kāi)啟壓力/MPa0.3節(jié)流閥OR0000-1節(jié)流口直徑/mm3溢流閥RV00安全閥開(kāi)啟壓力/MPa16

具體仿真工況設(shè)置為：其中節(jié)流閥通徑規(guī)格為10 mm，將仿真時(shí)間設(shè)置為20 s。0～15 s間，換向閥處于右位，負(fù)載設(shè)置為0，模擬工作油缸自由伸出，未接觸到煤倉(cāng)積煤的工況；15～20 s間，換向閥保持右位不變，模擬工作油缸末端的工作頭接觸到煤倉(cāng)積煤，并繼續(xù)進(jìn)給搗松積煤時(shí)的工況，負(fù)載設(shè)定為60 kN。通過(guò)合理設(shè)置節(jié)流閥的開(kāi)口量，使進(jìn)入兩工作油缸的流量符合設(shè)計(jì)要求，仿真結(jié)果如圖11～圖13所示。

圖11 工作油缸壓力變化曲線

圖12 工作油缸流量變化曲線

圖13 工作油缸速度變化曲線

從仿真結(jié)果可以看出，由于兩工作油缸的負(fù)載相同，因此輸入壓力均為9.5 MPa，符合設(shè)計(jì)要求；從圖12中可以看出，通過(guò)進(jìn)油節(jié)流調(diào)速，最終進(jìn)入兩工作油缸的流量均為9.97 L/min，在工作油缸末端的截割頭接觸到積煤的瞬間，流量曲線出現(xiàn)短時(shí)間振蕩，但最后趨于平穩(wěn)，仿真結(jié)果合理；分析圖13，可知工作油缸回路中這2個(gè)工作油缸的活塞運(yùn)動(dòng)速度為-0.025 m/s。之所以會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，是因?yàn)榕c系統(tǒng)默認(rèn)方向相反，活塞實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度為0.025 m/s，仿真結(jié)果亦符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

(1) 對(duì)于回轉(zhuǎn)回路，進(jìn)行了調(diào)速特性仿真分析，得出采用進(jìn)油節(jié)流調(diào)速方式具有速度調(diào)節(jié)范圍廣和壓力波動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)；

(2) 對(duì)于支撐回路，通過(guò)仿真分析得出采用分流集流閥的仿真回路，3個(gè)支撐油缸壓力和流量始終保持一致，進(jìn)而論證了該回路滿足同步動(dòng)作的實(shí)際工況；

(3) 對(duì)于截割回路，通過(guò)仿真分析可以得出系統(tǒng)壓力波動(dòng)小，截割馬達(dá)回轉(zhuǎn)平穩(wěn)的結(jié)論。

通過(guò)對(duì)以上3個(gè)基本回路的仿真分析，可以對(duì)本設(shè)計(jì)中心回轉(zhuǎn)式清倉(cāng)機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行較好的性能評(píng)估，以便優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)清倉(cāng)機(jī)整機(jī)與實(shí)際工況更好地匹配。