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煤矿刮板输送机液压驱动系统

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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*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*舳虼斯伟迨渌突煽*舳⒅贫⒃诵*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。
电动机 液压泵 控制阀组 液压马达 减速器

油箱

电控系统

刮板输送机

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
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6 7 11 10 8

9
1.液压马达 2、5.梭阀 3.安全阀 4.双向*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*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*舳0凑丈瓒ǖ钠舳奔淇舯壤幌蚍В低沉髁恳喟凑赵ざǖ奶匦 曲线逐渐*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*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*衡阀4内部油路打开回油管路,实现其运动。由于*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*稳运动。特别是在下运倾斜煤层,刮板和煤的 自重在*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,*衡阀在回油侧的背压用来*衡此超越负载,使刮板*稳、匀速运动。另外,双向*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*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。
PQ 60 N — 功率(kW) N?

(1)

式中

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*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。
7 8

D1
5 6

D2

1

2

3

4

1、2、3、4. 主阀

5、6. 比例换向阀 图4 比例插装阀系统

7、8. 溢流阀

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*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。




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