煤矿刮板输送机液压驱动系统.doc

刮板输送机是煤矿井下运煤关键设备，其驱动装置作为刮板输送机的动力系统，设计的合理性及可靠性至关重要。目前刮板输送机常采用双速电机驱动、单速电机加液力偶合器驱动及变频电机驱动等形式，其应用上各有利弊。液压驱动由于其功率质量比大、运行平稳、大范围无级调速、控制维护方便等优点，在各种机械行业得到了广泛应用，而在刮板输送机上的应用尚属空白，因此对其进行可行性研究具有重要意义。
1 液压驱动基本组成
刮板输送机工作时，负载在空载、满载、超载之间不断变化，持续时间无规律，且需要频繁启动和重载启动，因此刮板输送机可控启动、制动、运行平稳、过载保护等特性是设计的重点。针对刮板输送机的工作特点，设计其液压驱动装置，如图1所示。

图1 液压驱动装置
该驱动装置中液压马达可以与链轮轴伸直接联接，也可以在液压马达与链轮之间加装一级行星减速器，以满足链轮对转速及转矩的匹配要求。电动机、液压泵及控制阀组可以作为独立部件，布置于设备列车上，用高压胶管与马达相连。电控系统可以实现远程操作及工作状态监控，以提高系统智能性和工作安全性。
2 液压驱动工作原理

1.液压马达 2、5.梭阀 3.安全阀 4.双向平衡阀 6.比例换向阀
7.负载敏感阀 8.压力切断阀 9.变量活塞 10.变量泵 11.电动机
图2 液压驱动系统原理图
图2为液压驱动系统原理图，采用变量泵作为驱动元件，由负载敏感阀7、压力切断阀8、变量活塞9、变量泵10组成泵控负载敏感系统。其基本特征是：泵供给系统的流量只和输入的控制信号有关，而不受负载压力变化和电动机转速波动的影响；且泵出口压力仅比负载压力高出一个定值，在最高压力限定范围内泵始终能自动适应负载的变化，没有溢流损失，具有明显的节能效果。
该系统的原理及可实现的功能特性如下：
(1)流量控制
该系统执行元件为定量马达，其速度大小取决于系统流量大小，故流量控制即为速度控制。图2中负载压力经过梭阀5作用于负载敏感阀的右腔，使泵出口压力高于负载压力一个定值，即比例换向阀6前后压差恒定，系统流量只与其开口大小有关，而不受负载压力变化的影响。刮板输送机工作时，系统流量保持恒定，马达转速亦恒定，保证了工作面三机配套中对刮板输送机链速的要求。调节比例换向阀开口大小，系统流量相应变化，实现液压马达在一定范围内无级调速，使刮板输送机可以在不同速度下运行，如正常运行时的速度调整，日常维护中的验链速度调整。切换比例换向阀工作位置，实现电动机不停机而马达正、反转运行。当遇到卡链停转情况时，尝试马达低速反转-正传-反转-正转，直到正常运行，有效地解决了卡链问题。由于液压马达转速可调，该系统兼顾紧链功能，即可以将驱动系统和紧链系统合二为一，使系统得到简化，提高了系统可靠性和经济性。
(2)启动特性
该系统不工作时，在弹簧力作用下，负载敏感阀和压力切断阀均工作于右位机能，变量泵斜盘位于最大排量处。电动机启动，控制液体推动负载敏感阀向右移动，液体进入变量活塞右腔，推动变量活塞使变量泵排量迅速减小至接近零，对系统不供液。此时，泵出口压力维持在负载敏感阀设定压力值上，此压力仅有几十到几百千帕，变量泵处于“低压待命状态”，电动机相当于空载启动。按照设定的启动时间开启比例换向阀，系统流量亦按照预定的特性曲线逐渐平缓增加，液压马达达到额定转速，系统转入正常运行。该过程实现了刮板输送机的“软启动”，动负荷较小，减小了对刮板链及链轮的启动冲击。
(3)制动特性
该系统采用双向平衡阀制动回路。当换向阀处于左位或右位时，高压液体通过单向阀进入马达，同时通过平衡阀4内部油路打开回油管路，实现其运动。由于平衡阀的自身结构，在回油侧形成一定的背压，保证了液压马达平稳运动。特别是在下运倾斜煤层，刮板和煤的自重在平行于中部槽方向上的分量作为刮板运动的超越负载，使刮板链产生向前运动的趋势，平衡阀在回油侧的背压用来平衡此超越负载，使刮板平稳、匀速运动。另外，双向平衡阀还可以保证液压马达不会自由转动，起到闭锁作用。
(4)过载保护
该液压驱动系统在设计上可以实现对刮板输送机的双重过载保护。其一为液压泵变量保护，过载时系统压力升高，当达到压力切断阀8的设定压力时，回路打开，液体推动变量活塞使液压泵排量减小至接近零，马达停转，实现了电动机的安全脱离。此时变量泵工作于“高压待命状态”，当故障排除，系统压力能够克服负载时，变量泵排量逐渐增大，系统转为正常运行。其二为安全阀卸荷保护，当负载突然增大，如遇到压溜或卡链情况，系统压力迅速升高，系统流量来不及做出调整，高压液体经过梭阀2，由安全阀3卸荷，对系统起到了过载保护作用。
(5)拆装方便、维护简单
刮板输送机传统的驱动方式都是将电动机、传动装置与链轮联接，悬空而置，联接强度和对中性要求较高，机头（机尾）体积庞大，对于井下狭小的空间，其拆装较为困难。对于液压驱动系统，只需将液压马达固定于机头（机尾），其它元件独立布置，较为灵活，降低了对空间的要求，拆装、维护简单。
3 液压驱动系统优化
通过以上分析可见，从系统原理和功能特性上，液压驱动可以满足刮板输送机的工作要求，下面从功率匹配方面进行分析。
（1）
式中 N — 功率（kW）
P — 压力（MPa）
Q — 流量（L/min）
式(1)给出了液压驱动系统功率、压力和流量的换算关系。以功率N=400 kW为例，取工作压力P=26 MPa，则系统流量Q=924 L/min。
由以上计算可知，当功率为400 kW时，系统所需流量达到了924 L/min，目前刮板输送机驱动装置功率已达到了上千千瓦，并随着国内外煤矿综采产量的提高，刮板输送机向着大运量、大功率方向发展，对系统流量的需求将不断提高。
可见，当刮板输送机装机功率较大时，系统流量需求很大，由于普通滑阀式结构控制阀受流通能力的限制，不能工作于大流量系统，而插装式结构控制阀即插装阀具有流阻小、流通能力大、密封性好、适于水介质、响应快、抗污染能力强等优点，广泛应用于高压、大流量系统，因此采用比例插装阀对该系统进行优化设计。

图3 系统主回路
图3为系统主回路，由比例换向阀和双向平衡阀组成，其流通能力决定了系统的最大流量，故对系统主回路进行优化设计，如图4所示。

1、2、3、4. 主阀 5、6. 比例换向阀 7、8. 溢流阀
图4 比例插装阀系统
图4为比例插装阀系统，当两个比例换向阀电磁铁D1、D2都不动作时，P口关闭，不向系统供液，工作A、B口锁紧，液压马达自锁；当电磁铁D1动作，插装阀主阀2弹簧腔乳化液回油箱，阀芯开启，P与A接通，泵向马达供液，此时主阀2相当于图3中的单向阀；B口液体经过比例换向阀6到达溢流阀8，当压力大于其弹簧力时，液体回油箱，主阀4打开，B与T接通，马达排液，此时溢流阀8作为插装阀组的先导阀，相当于图3中平衡阀的背压阀。用该比例插装阀组对系统主回路进行优化，满足了系统对流量的要求，并改善了系统的密封性，提高了系统抗污染能力。
另外，上世纪80年代以来，比例技术开始和插装阀控制技术相结合，出现了比例插装阀控制系统[8]，各种变量泵、比例泵相继出现，基于整体陶瓷柱塞、斜盘、配流盘及缸体的轴向柱塞泵、耐水密封元件、内曲线径向柱塞马达成功研制与应用，使紧凑型液压驱动方案成为可能[9]。这些成果都为刮板输送机应用液压驱动提供了硬件支持及选型参考，并推动了其发展。
4 结论
(1)刮板输送机应用液压驱动具有原理及功能上的可行性，且具有明显优势，对该新型驱动装置的研究、开发具有重要意义。
(2)负载敏感系统具有较好的流量特性及明显的节能效果，适宜在刮板输送机及其它煤矿设备液压系统中推广应用。
(3)采用比例插装阀对系统进行优化，使其满足高压、大流量的工作要求，为刮板输送机向大运量、大功率发展创造了条件。