綜采乳化液泵站的負(fù)載與變頻恒壓供液分析

王清科

（國(guó)能神東煤炭智能技術(shù)中心西安研究所，榆林 719315）

隨著煤礦井下綜采工作面的高產(chǎn)、高效發(fā)展及對(duì)設(shè)備降本節(jié)能的廣泛需求，節(jié)能變頻系統(tǒng)在乳化液泵站的應(yīng)用越來(lái)越普及。但是，在實(shí)際使用過(guò)程中，乳化液泵站系統(tǒng)直接進(jìn)行變頻改造后，變頻運(yùn)行帶來(lái)的效果并不明顯，特別是在4 m 采高以上的高產(chǎn)、高效工作面中缺點(diǎn)尤為顯著。變頻乳化液泵站系統(tǒng)對(duì)支架用液反應(yīng)慢，即使采用了支架用液反饋，在提前加速的情況下仍不能滿(mǎn)足用液的階躍性變化。使用變頻恒壓供液的綜采工作面，還出現(xiàn)了拉架速度慢等問(wèn)題[1]。

目前，乳化液泵站一般采用卸載閥調(diào)節(jié)所需流量，雖然滿(mǎn)足液壓支架的用液需求，但是工作信號(hào)為0-1（完全斷開(kāi)/輸出）模式，機(jī)械沖擊較大，縮短了設(shè)備的使用壽命，造成管道、閥門(mén)及泵站損壞。變頻恒壓供液應(yīng)能緩慢降低轉(zhuǎn)速，減少液壓沖擊，以保護(hù)管道、閥門(mén)及泵站，延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。

通過(guò)分析支架油缸動(dòng)作的階段性變化可知，要采用變頻恒壓供液，需要使用較大容量的蓄能器對(duì)階躍性用液負(fù)載進(jìn)行平波抑制。當(dāng)達(dá)到變頻恒壓供液的相關(guān)條件時(shí)，會(huì)減少各臺(tái)乳化泵電液卸載閥的動(dòng)作次數(shù)。增加蓄能器還可以補(bǔ)充高壓系統(tǒng)中的漏損，延長(zhǎng)液壓系統(tǒng)中液壓元件的使用壽命，同時(shí)吸收高壓系統(tǒng)中的壓力脈沖，消除脈沖產(chǎn)生的管路抖動(dòng)現(xiàn)象。但是，蓄能器選擇過(guò)大會(huì)增加乳化液泵站的數(shù)量，且蓄能器的危險(xiǎn)性威脅使用安全，需要選擇適當(dāng)?shù)男钅芷魅萘浚葷M(mǎn)足變頻恒壓供液的需求，又減少空間占用，提升安全性[2]。

1 工作面與設(shè)備的基本情況

工作面情況：國(guó)能神東石圪臺(tái)31306 工作面，采高為3.2 ～3.6 m，長(zhǎng)度為265 m。

設(shè)備情況：采煤機(jī)型號(hào)JOY 7LS6C；4.5 m 高支架共133 架，工作阻力為18 000 kN；乳化液泵站型號(hào)BRW630，6 泵3 箱，即4 臺(tái)變頻乳化液泵（3 用1 備）、2 臺(tái)噴霧泵。

采用電磁卸載閥和變頻系統(tǒng)調(diào)節(jié)乳化液系統(tǒng)壓力。電磁卸載閥系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)方式為階梯通斷式，如果乳化液泵站系統(tǒng)為3 臺(tái)泵運(yùn)行，一般將泵卸載壓強(qiáng)設(shè)置為32 000 kPa、30 500 kPa、29 000 kPa。當(dāng)系統(tǒng)壓力P＜29 000 kPa 時(shí)，3 臺(tái)泵全部加載；當(dāng)29 000 kPa ≤P＜30 500 kPa 時(shí)，1 臺(tái)泵卸載，2 臺(tái)泵繼續(xù)加載；當(dāng)30 500 kPa ≤P＜32 000 kPa 時(shí)，2 臺(tái)泵卸載，1 臺(tái)泵繼續(xù)加載；當(dāng)P≥32 000 kPa 時(shí)，3 臺(tái)泵同時(shí)卸載。在使用初期電磁卸載閥頻繁動(dòng)作，變頻泵站未達(dá)到恒壓供液的目的。變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出分析如圖1 所示。

圖1 變頻器數(shù)據(jù)分析圖

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)導(dǎo)出分析可知：變頻電機(jī)加載與卸載時(shí)間間隔2 s 左右，電磁卸載閥打開(kāi)時(shí)乳化液泵卸載，乳化液泵空載運(yùn)行，電機(jī)電流突然下降；電磁卸載閥關(guān)閉時(shí)乳化液泵加載，乳化液泵滿(mǎn)載運(yùn)行，電機(jī)電流突然升高；變頻泵站未起到變頻恒壓供液的效果，并且出現(xiàn)變頻器高溫等問(wèn)題。

2 負(fù)載分析

乳化液泵主要驅(qū)動(dòng)工作面液壓支架基本動(dòng)作如下。

（1）收護(hù)幫板：護(hù)幫板油缸收縮收回護(hù)幫板。

（2）支架拉架：立柱油缸降柱（自重降柱，不需要用液）→調(diào)低油缸抬起（停止操作后自動(dòng)下降）→推移油缸拉架→立柱油缸升柱→護(hù)幫板伸出。

（3）支架推溜：一般8 臺(tái)支架成組推溜，推移油缸伸出推出刮板運(yùn)輸機(jī)形成蛇形彎。自動(dòng)化程序一般設(shè)置煤機(jī)每前進(jìn)1 架開(kāi)始推移（每架推移），每根推移油缸推出100 mm，總體油缸行程為800 mm。人工操作時(shí)習(xí)慣煤機(jī)每前進(jìn)2 架推溜一次（每2 架推移），推移動(dòng)作時(shí)間為2 s，推移人員需要補(bǔ)拉漏架等。

支架跟機(jī)如圖2 所示，其中橫軸數(shù)據(jù)為支架號(hào)。

圖2 支架跟機(jī)

因?yàn)橹Ъ芾苓^(guò)程中每個(gè)油缸動(dòng)作時(shí)間基本固定，所以拉架時(shí)間也基本確定為15 s，而支架的步距為確定的常數(shù)，常用支架寬度有1 750 mm 或2 050 mm兩種。

跟機(jī)支護(hù)速度需要與煤機(jī)前進(jìn)速度相匹配，計(jì)算公式為

式中：Vz為支架拉架跟機(jī)支護(hù)速度，等于煤機(jī)前進(jìn)速度；W為支架步距，為支架寬度與間隙之和，屬于常數(shù)；n為支架同時(shí)拉架的數(shù)量；t為支架拉架時(shí)間，取15 s。

由式（1）可知，支架同時(shí)拉架的數(shù)量與煤機(jī)前進(jìn)速度的關(guān)系如下：當(dāng)n≤1 時(shí)，可采用單架跟機(jī)拉架支護(hù)；當(dāng)1 ＜n＜2 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)2 架同時(shí)拉架的情況；當(dāng)2 ＜n＜3 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)2 架或3 架同時(shí)拉架的情況，此時(shí)需要隔架拉架，相鄰2 架不能同時(shí)處于拉架過(guò)程。

采用1 750 mm 寬度支架的情況：n=1 時(shí)，最大煤機(jī)速度Vmax=7.2 m·min-1；n=2 時(shí)，Vmax=14.4 m·min-1；n=3 時(shí)，Vmax=21.6 m·min-1。

采用2 050 mm 寬度支架的情況：n=1 時(shí)，Vmax=8.4 m·min-1；n=2 時(shí)，Vmax=16.8 m·min-1；n=3 時(shí)，Vmax=25.2 m·min-1。

由此可見(jiàn)，煤機(jī)速度決定了同時(shí)跟機(jī)拉架的支架數(shù)量。煤機(jī)速度小于7 m·s-1時(shí)，每次拉1 臺(tái)支架；煤機(jī)數(shù)度大于7 m·s-1時(shí)，會(huì)出現(xiàn)每次拉2 架的情況（隔架2 架同時(shí)拉架）。一般神東礦區(qū)4 m 以上采高工作面煤機(jī)平均速度為14 m·min-1，需要每次拉2 架才能跟上煤機(jī)行走速度。拉架時(shí)間10 ～20 s 時(shí)，取平均值15 s[3]。

如圖2 所示，采煤機(jī)運(yùn)行到第10 架位置時(shí)，第3 架開(kāi)始收護(hù)幫板，第16 架開(kāi)始跟機(jī)拉架，第22 ～29 架共8 架開(kāi)始成組推溜，每架推溜行程為100 mm，總計(jì)行程為800 mm。根據(jù)液壓支架參數(shù)，忽略實(shí)際使用中很少動(dòng)作的平衡油缸和頂梁側(cè)推油缸動(dòng)作情況。

由于成組推溜的8 架支架是從煤機(jī)后第9 架開(kāi)始，設(shè)定支架動(dòng)作周期為一組推溜結(jié)束到下一組支架推溜開(kāi)始，一個(gè)支架動(dòng)作周期（采煤機(jī)向前行進(jìn)1 架）內(nèi)所需乳化液變化情況如圖3 所示。

圖3 液壓支架用液圖

根據(jù)圖3 可以看出，4 ～18 s 為一個(gè)周期，T=14 s。根據(jù)液壓支架油缸動(dòng)作流程的用液特點(diǎn)可以看出，目前采用的電磁卸載閥符合液壓支架負(fù)載用液情況（階躍用液）。要使用變頻泵站恒壓供液需要改善用液情況，此時(shí)可以采用蓄能器進(jìn)行平波[4]。

3 乳化液泵站供液分析及蓄能器的選擇

BRW630 泵的每臺(tái)泵每秒供液流量Qb為10.5 L。目前，乳化液泵站采用電磁卸載閥調(diào)節(jié)流量，需要3 用1 備，即3 臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)滿(mǎn)足推溜時(shí)的用液量33.49 L·s-1。已知液壓支架動(dòng)作過(guò)程一個(gè)周期內(nèi)所需流量QT為223 L，則每秒需要流量Qs為15.92 L。

如果乳化液泵站系統(tǒng)中選擇的蓄能器足夠大，在支架用液量小于Qs時(shí)，蓄能器存儲(chǔ)液壓油，用液量大于Qs時(shí)蓄能器存釋放液壓油補(bǔ)償用液，則需要2 臺(tái)BRW630 泵進(jìn)行變頻驅(qū)動(dòng)，即可滿(mǎn)足使用要求。

蓄能器有效容積計(jì)算公式為

式中：V0為蓄能器的容積，L；Vx為蓄能器的有效工作容積，L；P1為系統(tǒng)最低工作壓強(qiáng)，MPa；P2為系統(tǒng)最高工作壓強(qiáng)，MPa；P0為蓄能器充氣壓強(qiáng)，MPa。

蓄能器能向液壓系統(tǒng)提供的容積被稱(chēng)為蓄能器的有效容積，其數(shù)值只占蓄能器容積的10%～20%，通過(guò)蓄能器容積計(jì)算公式就可以計(jì)算出蓄能器規(guī)格的大小[5]。蓄能器的有效容積V0確定后，根據(jù)系統(tǒng)壓強(qiáng)允許波動(dòng)范圍選擇蓄能器，本案例波動(dòng)范圍為32 000 ～29 000 kPa。

蓄能器的選擇需要滿(mǎn)足在一個(gè)周期內(nèi)吸收用液小于Qs時(shí)的用液量積分，并滿(mǎn)足用液高于Qs時(shí)的用液量輸出。已知蓄能器的有效容積Vx為67 L，根據(jù)公式及蓄能器型號(hào)選擇100 L 蓄能器6 個(gè)，V0=600 L。

乳化液泵負(fù)載中，變頻器的加速時(shí)間經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)節(jié)，電機(jī)在不出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)的情況下最快啟動(dòng)加速時(shí)間為25 s 左右，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速為0 ～1 480 r·min-1。變頻器加速時(shí)間設(shè)置為25 s 時(shí)，每秒可調(diào)節(jié)流量?Q為0.4 L。變頻器采用比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）控制進(jìn)行調(diào)速，系統(tǒng)壓力負(fù)反饋，恒壓給定31 000 kPa。變頻恒壓供液分析如圖4 所示。蓄能器釋放流量時(shí)系統(tǒng)壓力降低，變頻器加速；蓄能器吸收流量時(shí)系統(tǒng)壓力升高，變頻器減速[6]。

由于負(fù)載用液量變化快，呈階躍形態(tài)，變頻器在流量調(diào)節(jié)方面的作用顯得比較微弱，即使采用雙變頻對(duì)系統(tǒng)的影響也較小，對(duì)減小蓄能器容量起不到很好的效果。蓄能器有效容積選擇為65 L，同樣選擇6 個(gè)100 L 個(gè)蓄能器，V0=600 L，可見(jiàn)采用變頻器并未改變蓄能器的容量選擇。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采科技水平的提高，人們對(duì)供液系統(tǒng)提出了更高的要求。文章在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，與國(guó)能神東煤炭集團(tuán)煤礦實(shí)際工況相結(jié)合，分析了綜采液壓支架與乳化液泵站負(fù)載及恒壓供液條件，提出蓄能器是乳化液泵站實(shí)現(xiàn)恒壓供液的關(guān)鍵[7]。通過(guò)本文分析可以得出4 點(diǎn)結(jié)論：

（1）在綜采工作面液壓支架-泵站系統(tǒng)這種小系統(tǒng)中，由于液壓支架負(fù)載動(dòng)作過(guò)程中用液不連續(xù)，用液流量呈現(xiàn)階躍性變化，進(jìn)行變頻恒壓供液改造及設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用適當(dāng)?shù)男钅芷鲗?duì)系統(tǒng)階躍性變化的負(fù)載進(jìn)行平波，使得負(fù)載用液波形滿(mǎn)足變頻恒壓的供液條件；

（2）增加蓄能器可以平抑液壓支架-乳化液泵站系統(tǒng)中階躍負(fù)載的沖擊，滿(mǎn)足變頻恒壓供液的條件；

（3）增加變頻泵站數(shù)量對(duì)系統(tǒng)平波用蓄能器容量的影響很小；

（4）增加蓄能器的變頻恒壓供液系統(tǒng)可以減小乳化液泵站容量，降低油泵的驅(qū)動(dòng)功率，節(jié)約能源，降低噪聲，消除脈動(dòng)，保護(hù)管道及泵站，延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命，降低設(shè)備運(yùn)行成本。