中国煤炭科工集团太原研究院 山西太原 030006
摘要：随着近年来我国经济的快速发展，各行各业对于能源资源的需求也日益增多。我国是富煤贫油的国家，煤炭在我国能源结构中仍处于核心地位。针对煤矿机械中的液压传动技术，通过简要分析机械液压传动的应用前景，根据实际的应用状况与液压传动系统的类型选择，对采煤机液压传动系统的调速和控制方式进行设计，并在应用过程中提出液压传动技术存在的疑问，采取相应措施。
关键词:煤矿机械；液压传动；应用
随着中国工业不断发展，对煤炭的需求量越来越大，需进行大量开采。但煤炭的开采大多处于地下，空间狭小，环境恶劣，受煤炭开采空间和环境的限制，
对煤炭开采的设备也有一定影响。所以，为能有效促进煤炭开采，就需使用煤炭机械液压传动技术来进行。煤炭机械液压传动技术的工作原理是在电动机的转动下带动液压泵转动，然后将液压油排出，从而将机械能转变为液压能通过一定的方式传递到油马达。液动机作为一种能量转换装置又可将液压能再转换为机械
能，最后通过液压油传递能量促进工作机构进行运作。目前，液压传动技术发展十分迅速，也造福了很多行业，具有很大发展前景。
一、煤炭机械液压传动技术的发展前景
煤炭开采设备种类众多，但目前最普遍使用的就是高压大流量的液压系统及液压的元件两种，这两种煤炭开采设备促进了煤炭机械液压传动技术在煤炭开
采业的应用和发展。高压大流量液压系统在采煤业被广泛应用，例如，中国的双滚筒型采煤机械及很多其它的采煤矿机械都是应用高压大流量系统的油泵。这种油泵主要运用结构合理、变量机构完善的柱塞斜轴式柱塞油泵及斜盘式柱塞油泵。将这两种柱塞油泵进行比较分析，柱塞斜轴式柱塞油泵的油泵和油马达尺寸比较小大，在重型机械环境中很难进行使用。比较而言，斜轴盘式油泵不仅拥有合理的结构和完善的变量机构，且冲击性也比较强，相比较柱塞式斜轴式油泵，更适合工作于重型机械的工作环境中。以前的液压传动技术系统比较落后，要想建成一个液压传动系统，需使用成千上百的液压元件，且要跟系统管道相连接才可成型。目前，随着科技不断进步，液压传动技术系统的回路只需将控制阀及油马达联系在一起就可完成，且更加好安装和保养维修。同时，为避免加工过程中出现一些问题，还要进一步提高液压元件加工的精确度，这个过程不仅要使用先进的技术和设备，还要根据实际情况对抗污染、小体积、寿命长及高性能的液压元件进行研发，促进采煤行业进一步发展，保证采煤业安全有效。
二、煤矿机械液压传动技术概况
1.液压传动简介。液压传动是指一种以液体作为工作介质进行能源传输和控制的传动方式。其根据能量传输形式的差异可分为液压传动和液力传动。前者强调是利用液体压力进行能量转换，在煤矿机械上应用该技术可以有效的减轻作业强度、提升工作效率和可靠性并简化机械设备的设计结构；后者主要是指利用其本身动能进行能量转换的传动方式，常见的装置有液力耦合器。
2.液压传动技术发展背景。随着1650年科学家帕斯卡研究得出的静压传递原理逐步的完善，其逐渐应用在压力机、起重机等机械设备中。1795年，英国工业革命的兴起，采用液压传动技术的世界上第一台水压机诞生。20世纪60年代，随着IT技术、材料科学和微电子技术的高速发展和融合推动了液压传动技术发展到新的高度，已成为实现智能制造、生产自动化和提升劳动效率、减轻劳动强度的最有效方式之一。
3.液压传动对工作介质的要求。（1）液压传动系统的构成。①动力元件。其功能主要是将原动机输入的机械能转化为油液压力能，为液压系统提供压力油。常见的元件有液压泵。②执行元件。其功能主要是输出力矩和转速。常见的元件有液压缸。③控制元件。其功能主要是通过调整液压系统中油液的压力、流速和方向，配合执行模块完成预定的工作。常见的元件有换向阀。④辅助元件。其主要包括油管、压力表、滤油器、密封件、邮箱等功能器件，各元件紧密合作，共同完成液压传动工作。（2）液压介质。其主要起到传递动力和信号的作用。根据机械设备作业环境、作业需求的差异选择最适合、最经济、最可靠的液压油。
其中工作介质（如液压油等）是液压系统的重要组成部分。液压传动中的工作介质影响着液压传动技术的工作环境和质量，例如，据相关统计数据，液压系统出现故障的原因基本上有70%左右与工作介质相关，所以液压系统对工作介质有着严格的要求。例如，工作介质需要具备良好的黏温性和黏度、润滑性、抗乳化性、抗泡沫性，较强的化学稳定性、纯净的油液、低系数的热膨胀等特点。目前，液压传动技术所使用的工作介质大致为合成型、石油型、乳化型三类，而在实际的矿产生产过程中使用最为广泛的为高黏度指数、低温、高轨、强抗磨的石油液压型。
三、煤炭机械液压传动技术的优点
与传统的机械传动相比，液压传动技术主要体现了以下优点：（1）于液压传动主要采用液压油作为工作介质，因此提升了其润滑条件，可非常高效、便利的将旋转运动变成直线运动。这一工作特点非常适合类似煤矿机械中的液压支柱和液压支架等装置。（2）机械液压传动技术能实现大范围的、不受功率大小限制的无极调速，极大地提升了传动比，能实现高速启动和频繁转向。同时更便于集中和遥控操作，特别是类似矿井等危险作业环境。（3）液压传动技术有利于推动液压元器件的标准化和通用化，能有效的降低企业的设备采购和维护保养成本。
四、煤矿机械液压传动系统的分类和调速
煤矿机械液压传动均属于速度变换为主和多路复合液压系统,这些系统总起来说可以分为开式和闭式两种:开式系统对整个液压系统循环回路来说是不封闭的,整个系统在工作过程中,全部液压油不断通过回油管道流回油箱,同时又不断的从油箱被油泵吸入。油箱本身除了储存油液外还起着冷却、沉淀的作用,如液压支架泵站液压系统、采煤机摇臂调高液压系统等都属于开式系统(如图1)。这种系统比较简单,管路比较少。散热条件好,维修也比较方便。它的缺点是需要较大容积的油箱(一般应为油泵分流量的3~5倍以上),在工作中容易吸入空气而引起系统管路的振动。
闭式液压系统的特点是:整个系统成为一个封闭的循环回路,如(图居2)油马达(油缸)回油管直接与泵的吸油管连接,大部分工作过的油液不经油箱而直接被油泵吸入,这样周而复始的工作,油液不可避免的会很快发热。因而一般来说,闭式系统都要由辅助油泵补入新鲜的冷油同时溢出部分发热的油,称之为冷热油交换。煤矿机械功率大,液压设备安装的空间小,散热条件差,管路弯曲度大,工作阻力大,所以煤矿机械(如采煤机等)液压设备闭式系统冷热油交换所用的辅助油泵的补油量为主油泵流量的3 0%左右。采煤机浓压牵引部大都是采用闭式系统,这是由于闭式系统具有结构紧凑、体积小,不需要大容量的油箱,可以防止空气吸入和油的污染,整个液压系统工作比较稳定。在该系统中,如采用双向变量油泵就可以不需要安装换向阀,避免在换向过程中出现的浪压冲击和能量损失。但是闭式系统比开式系统复杂、散热条件差。在煤矿机械的液压传动中,根据工作条件有的不需要调速,工作机构的速度固定不变,如液压支架系统和采煤机摇臂调高液压系统等,这些设备可以应用定量油泵-马达(油缸)系统。而多数机械需要调节其工作速度而
且调速的范围还比较大,如采煤牵引部液压传动系统的调速、掘进机行走机械液压系统的调速等。液压传动的调速系统分节流调速和容积调速,节流调速是采用改变节流阀的流通面积来调节进入浓动机的油量大小而实现调速,用于定量泵、马达(油缸)系统的调速。根据节流阀的安装位置分进口节流、回油节流和旁路节流,节流调速系统比较简单,但调速杆调速效率低,一般用于功率比较小的液压系统,在煤矿机械液压传动中多用于辅助和控制回路的调速,如在ML S3一17 0型采煤机牵引部液压系统中的过压关闭阀的控制油路上安装一个可调节流阀,可以调节开关活塞的动作快慢(进口节流)。容积调速是直接用改变主油泵的流量和油马达工作排量的方法来进行液动机的工作速度的调节和改变,这种调速分变量油泵——定量油马达、定量汕泵—变量油马达和变量油泵—变量油马达。量油泵—定量油马达调速称恒转矩调速,在调速过程中油马达输出的最大转矩恒定,是煤矿机械液压传动调速系统中最常用的一种容积调速,采煤机牵引部液压传动大多数是应用这种调速方式,它的调速特性能够比较适应采煤机牵引机构的工作条件,调速范围比较大,速比为4 0左右。
五、如何对煤炭机械液压传动进行调速和控制
1.对煤炭机械液压传动技术系统进行调速设计。要想对煤炭机械液压传动技术系统进行调速设计，就要根据实际情况进行。有的工作机构的速度是需保持不变，像煤炭采购设备中采煤机的摇臂调高液压系统，只要拥有一定数量的马达或油泵就可以，所以类似设备就不需进行调速。还有的设备不能满足于此，像一些煤炭采购掘设备的牵引部分需不同的流量及容量，就需要对煤炭开采系统的流量及容量进行调速。前者进行调速主要是为了改变节流阀门的流通面积，通过对节阀门进行调整，可对油流量流入液动机的流量大小进行相应调节，完成对煤炭开采系统的调速设计。这一过程主要是在关闭阀的控制油路上安装可进行调节的节流阀门，可调节节流活塞运动快慢，这种设计大多适用于油马达液压等系统中，因为它们的功率比较小。相比较于前者，后者通过直接调节油泵流量及油马达排量进行调速。这种调速方式主要包括马达调速及恒转矩调速。马达调速比较适合在高速段中使用，而恒转矩调速只能适用于低速段中，两者相比，恒转矩调速可根据实际情况对调速范围进行调节。总之，不管是对系统的流量进行调节，还是对系统的容量进行调节，煤炭机械液压传动技术系统都可实现调速目标。
2.对煤炭机械液压传动技术系统进行控制方式设计。在实际工作过程中，煤炭机械液压传动技术系统拥有两种控制方式，分别是自动控制方式和手动控制方式。在实际工作中，不管是自动控制方式还是手动控制方式都是通过调节油泵的流量，这种调节主要是通过变量油缸进行的。自动控制方式和手动控制方式的原理基本相同，都比较复杂的。主要是将2条通路与油缸相连接，一条与主要的油路相连接，另一条与油箱相连接，通过伺服阀位置进行控制。图3为采煤设备牵引液压系统调速控制。根据图3分析，将伺服阀杆及反馈杆与图3的A、B两点相连接，将调速机与C点相连接。为了将A、B两点自动往另一个角度摆动，对油进入变量油缸的速度进行控制，就要对C点处输入相应位移信号来实现。同时，变量活塞会在也压力推动下朝向右方移动，同时会带动B进行45°角的摆动，一直摆动到静止，这时候A路就会出现自动关闭现象，设备都会停止运作，从
而实现调速。如果在工作过程中相关数据出现误差，立即进行修复以保证机械设备正常运行，以控制机械震荡的速度来控制准确度。
六、煤矿机械液压传动技术的应用疑问
在实际的煤矿机械液压传动技术的应用过程中，由于工作环境恶劣、载荷大等因素，极容易造成元件被损坏堵塞通道出现事故，因此，液压元件密封和液压设备工作参数监测以及液压元件设计参数的选择和回路安全保护等问题经常出现在应用中。液压元件密封是否完善会直接对煤矿机械液压传动的工作性能造成影响。如液压支架安全阀中，如果密封不够好，就会对立柱支撑顶板的恒阻性能造成影响。一般所采用的密封方式有间隙密封和原件密封，这2种密封方式都要在合理控制间隙公差和元件表面光洁度的条件下，以减少泄露完成密封。而工作参数的监测影响着液压元件的正常工作，减少元件使用寿命，可以利用安装监测装置的状况下，实时显示监控和监测系统，有效对液压支架顶板进行控制，并降低移架的速度。由于液压传动工作范围下视野不够清晰等，在选择设计参数时，如果出现错误，极容易影响设备工作的可靠性与寿命。其中，在液压元件中额定工作流量和压力是设计参数里最为重要的。如在油泵额定工作压力参数选择的时候，要在考虑实际工作条件和设备安装各因素条件下，满足合理压力储备的同时进行选择，只有这样才能提高机械工作的可靠性。
七、煤矿机械液压传动故障及解决方法
1.人为原因。掘进机的操作人员没有按照最优的操作规范和操作步骤进行操作，操作过程中缺乏对掘进机的保护意识，操作动作粗暴不合理，产生强烈的冲击负荷，增加液压系统传动故障的发生率。过大的冲击负荷会增加掘进机机械部件之间的磨损，严重情况下产生元件的断裂或破碎，产生漏油现象，影响液压系统的正常运作；
2.机械原因。（1）液压油温度散热失衡：①液压油的粘度过高会增加液压系统的摩擦，造成液压系统的功率降低并增大液压系统的压降，导致温度升高；②冷却器中的冷却水因为多种原因造成循环不通畅，大量的热量堆积无法排出，造成散热失衡；③液压油从损坏的密封元件处泄露，系统摩擦增加的同时影响液压油的散热功能；④掘进机的工作环境通风效果差，造成整体高温的积聚，散热器散发的热量不能有效的排出；⑤液压油箱内的液压油过少，液压油循环的散热功能降低；（2）机械振动。掘进机的作业过程产生机械振动和噪声，振动和噪声的共同作用导致工作环境的恶化，振动过程中液压油管和人工固定的零部件都会产生松脱或破裂老化，最终影响液压系统的正常工作。产生原因包括：①液压泵的吸液腔吸液不充分，产生的原因包括：液压油面太低、液压吸收泵转速过高、液压油粘度大、液压吸油滤清器堵塞、液压油吸油管径过细等，导致吸油泵吸油过程中出现真空状态，溶解在液压油中的空气被有效地分离，在气蚀作用下的分离空气出现震动；②吸油滤网外露、吸油密封元件的密封性能不好造成吸油过程中进入空气。③液压系统中的电动马达、吸油泵工作年限较长导致元件老化没有进行及时的养护或更换，影响正常功能的发挥；
3.故障的解决方法。建立规范的掘进机液压系统的管理维护制度，定期维护检修系统。经常检查紧固接头，对密封圈及时更换并进行软管的包扎；按照使用规范调整换向阀的流量设置；根据油温过高的具体原因进行不同的措施确保油温的冷却；定期更换液压油并清洗相关部件。
通过引进和吸取以及改进国外先进的液压传动技术，在保护液压元件可靠性和安全回路的条件下，可减少污染和稳定性能。为了使煤矿机械液压传动系统得到进一步完善，在设计的过程中以考虑煤矿特殊技术和工作可靠性与安全性为基础，提高液压传动工作性能和巩固煤矿机械化发展，将液压设备所使用的元件系列标准化。确保液压传动技术在工作环境中以体积小和寿命长、抗污染性强等优势领先应用于现代煤矿机械化中。
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项目：*中煤煤炭科工集团天地科技创新基金项目(2018-TD-MS044)
论文作者:徐志刚
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第08期
论文发表时间:2019/9/10
标签：液压论文; 液压油论文; 机械论文; 油泵论文; 工作论文; 煤矿论文; 系统论文; 《科学与技术》2019年第08期论文;