“第三十七屆科技論文交流會”二等獎?wù)撐?
刨煤工作面端頭支架液壓系統(tǒng)改造
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曉南礦 ? 吳春濤
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摘要： 全自動化刨煤設(shè)備在薄煤層開采中的廣泛應(yīng)用，越來越發(fā)揮出應(yīng)有的效能。但在使用中與之配套端頭液壓支架推移裝置液壓控制系統(tǒng)仍然采用手動控制，不能按工作需要既能實現(xiàn)與工作面液壓架同步自動推移，又能在需要手動時也實現(xiàn)手動控制的目的。同時還存在工人勞動強度大，生產(chǎn)效率低，維修量大等諸多問題。對端頭液壓支架液壓控制系統(tǒng)的改造工作迫在眉睫。利用工作面1#液壓支架電液控制系統(tǒng)做為控制源，實現(xiàn)端頭液壓支架1#、2#、3#支架的手動、自動控制雙 功能 控制，實現(xiàn)端頭液壓支架配合工作面支架同步推進的需要。
關(guān)鍵詞： 端頭液壓支架、電液控制（自動控制）、同步推移
1 ． 全自動化刨煤系統(tǒng)應(yīng)用及配套的端頭液壓支架控制系統(tǒng)使用中存在的問題分析
全自動化刨煤機系統(tǒng)在薄煤層回采工作面的應(yīng)用，實現(xiàn)薄煤層回采工作面的“采、運、移”自動化。在德國DBT公司和國內(nèi)科研單位及各煤機廠家合作下，鐵法能源公司從1998年開始進行技術(shù)洽談和設(shè)備配套設(shè)計工作，2000年12月第一套刨煤設(shè)備在鐵法能源公司小青礦W1E—703工作面安裝調(diào)試，2001年1月5日開始試生產(chǎn)，7月中旬轉(zhuǎn)入W1W—712工作面投入生產(chǎn)，至8月末生產(chǎn)煤炭45.7萬t。到目前為止鐵法能源公司歷時十年先后引進第二套、第三套、第四套、第五套全自動化刨煤設(shè)備，先后在小青礦、曉南礦、大明礦、曉明礦等礦井成功使用，收到可喜的經(jīng)濟效益和社會效益。
全自動化刨煤機系統(tǒng)自2001年1月5日開始試采，8月末進入第二個工作面（小青礦W1W—712）回采，受采區(qū)運輸能力的制約，共采煤45.73萬t，平均日產(chǎn)3417t，最高日產(chǎn)5300t，達到了年產(chǎn)120～150萬t的水平。采用自動化系統(tǒng)采煤，大大減少了原煤生產(chǎn)人員，提高了勞動效率，降低了生產(chǎn)成本?！ ?/span>
全自動化刨煤機應(yīng)用計算機技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制， 為薄煤層合理回采開辟了一條最佳的技術(shù)途徑。該技術(shù) 不同于傳統(tǒng)的綜采設(shè)備操作技術(shù)。全自動化技術(shù)對煤礦工人來說是一種全新的技術(shù)，需要會外語、懂計算機知識的高素質(zhì)人員才能操作。 然而在使用中，與之配套的上下順槽所用的端頭液壓支架雖然出廠時已經(jīng)安裝了全自動推移系統(tǒng)，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電纜接線繁瑣、端頭支架操作空間狹小，給操作和維護帶來很大的難度。多年來端頭液壓支架一直采用人工手動完成端頭支架的各種動作。由于自動化刨煤系統(tǒng)工作液壓支架的推移步距是根據(jù)刨深的變化自動推移，一般情況下刨深在30～100mm之間,刨深是由煤的硬度及設(shè)備情況而決定的，要求工作面端頭液壓支架的推移步距隨時變化。這樣就一直存在如下問題：
（1）人工操作次數(shù)多，頻率快，控制步距不準(zhǔn)確；
（2）三組端頭支架需要3個人同時同步推移，實現(xiàn)同步推移難度大；
（3）常出現(xiàn)機頭搶上情況，增加了刨深，增大了刨削阻力，刨鏈、鏈環(huán)聯(lián)接易磨損，受沖擊載荷大造成斷鏈，降低了刨煤機的使用壽命；
（4）溜槽錯差增大，過渡槽連接螺栓易于損壞；
（5）推移千斤頂、推移桿與轉(zhuǎn)載機的聯(lián)接部件極易損壞；
（6）端頭液壓支架推移步距小，常達不到所規(guī)定的刨深，也就減小刨深，降低了生產(chǎn)效率；
（7）顫動大，增加液壓千斤頂?shù)臎_擊和振動，推移運動不平穩(wěn)，不利于安全生產(chǎn)；
（8）操縱閥頻繁動作，常發(fā)生竄液、漏液現(xiàn)象。
鑒于上述情況，對端頭液壓支架推移裝置的控制系統(tǒng)進行改造勢在必行。
2. 刨煤機工作面端頭液壓支架推移裝置控制系統(tǒng)改造
對端頭液壓支架液壓控制系統(tǒng)進行改造，是為了滿足生產(chǎn)中要求端頭液壓支架既能手動操作，又能實現(xiàn)電液自動控制的要求，并達到既節(jié)省設(shè)備投資，又能實現(xiàn)與工作面支架同步推移的目的。所以，利用工作面1#液壓支架電液控制系統(tǒng)為控制源，實現(xiàn)端頭液壓支架1#、2#、3#支架的手動和自動控制雙控制，實現(xiàn)端頭液壓支架配合工作面支架同步推進，如圖2—1所示。
3. 端頭液壓支架推移裝置控制系統(tǒng)改造的組成和原理
3.1. 主要組成部件及作用
（1） 工作面1#支架電液控制閥組：由PMC-R電液控制器控制，當(dāng)接收到操作信號后，電液控制閥就可直接啟動，完成支架各個動作，同時為端頭液壓支架1#、2#、3#的自動推移提供控制源，實現(xiàn)了端頭液壓支架與工作面1#支架自動同步推移的目的。
（2）端頭液壓支架三位四通換向閥（Y型機能閥）：操作者通過扳動三位四通換向閥手把將高壓液分配到所需要部位，完成各種不同的動作，如升降、移架、推溜等。
（3）單向節(jié)流閥（阻壓閥）：對液壓缸進液口進行整流，可以使活塞桿獲得較為平穩(wěn)的運動速度，在浮動狀態(tài)下的液壓缸具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力，拉（移）架時，液流主要通過單向閥快速回液。
（4）交替閥：可實現(xiàn)液壓缸在工作（推移）時有兩個（自動、手動）不同動作攜帶另一個動作或兩個動作均需向某一液壓腔供液，完成預(yù)期的工作任務(wù)。
（5）溢流閥：它并聯(lián)安裝在液壓管路中，限定系統(tǒng)（管路）的最大壓力為28～30MPa（可根據(jù)泵站工作壓力和管路承載能力調(diào)定），起過載保護作用。由順序閥改裝，把進油口油液引到閥芯底部與彈簧力平衡，控制進液口壓力，常態(tài)下閥口關(guān)閉，閥的出液口液體經(jīng)回液斷路閥流回主回液管道。
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圖1? 刨煤工作面端頭液壓支架自動推移裝置液壓系統(tǒng)圖
P— 進液管路；T—回液管路；V、H、F、E—前端頭架和1#支架管路；A、B、C、D—回液斷路器；? 1—精過濾器；2—單向閥；3、5—二位三通電液控制閥；4、6—二位三通先導(dǎo)控制閥；7、13、21、28—單向節(jié)流閥（阻尼閥）；8、15、23、30—液控單向閥；11、19、26—粗過濾器；9、14、18、22、25、29、32—交替閥；12、20、27—三位四通換向閥；17—溢流閥；10、16、24、31—推移千斤頂。
（6）液控單向閥（鎖）：是液壓支架的重要液壓元件之一，并使推移千斤頂?shù)幕钊麠U在任意位置鎖定（倒裝），防止橫向反力（承受外載產(chǎn)生的增加阻力），液控單向閥和安全閥組合一起使之承載的控制之件
（7）液壓控制缸：是液壓系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，一般用于直線往復(fù)運動，實現(xiàn)支架自身前移和刮板輸送機前移的裝置。
（8）回路斷路閥(單向閥)：一是防止主回液管由于相鄰支架動作而產(chǎn)生較高的背壓液體進入支架液壓系統(tǒng)引起千斤頂誤動作；二是液壓支架檢修液壓元件及拆卸管路不影響正常工作，防止回液管道液體逆流；三能提高執(zhí)行元件的運動平穩(wěn)性。一般背壓為0.3～0.8MPa之間。
3.2. 控制原理
3.2.1. 手動操作：
推溜過程：將端頭1#液壓支架三位四通換向閥27手把扳到左位，工作液（高壓液）經(jīng)三位四通換向閥左位→交替閥29→液控單向閥30→推拉缸31活塞桿腔，同時推拉缸活塞腔液體→液控單向閥（鎖）30d點→交替閥32→回液斷路閥D（單向閥）→主回液管道；此時，開始推移（溜）。同理，扳動端頭2#、3#液壓支架三位四通換向閥20、12，可分別實現(xiàn)液壓缸推溜過程。還可通過按下工作面1#液壓支架電液控制閥組電液控制閥按鈕5，就可實現(xiàn)端頭1﹟、2﹟、3﹟與工作面1﹟支架同時推移輸送機、轉(zhuǎn)載機。
移架過程：將三位四通換向閥27扳到右位時，工作液（高壓液）→經(jīng)三位四通換向閥右位→交替閥32→液壓單向閥（鎖）30d點→推拉缸31活塞腔。同時打開液壓單向閥30，推拉缸31活塞桿腔液體→液控單向閥30→交替閥29→三位四通閥27右位→回流斷路閥D（單向閥）→回液管道。此時，降柱即可拉移端頭1﹟支架。同理將三位四通換向閥21、12扳到右位，可分別拉移端頭2﹟、3﹟支架。
3.2.2. 自動操作：
刨頭在工作面往返運行及液壓支架的各種動作和輸送機推移均由計算機遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進行控制，當(dāng)刨煤機通過工作面1#（當(dāng)前）支架一段距離后PM4電液控制器開始控制工作面1#、2# ?……依次進行推移；工作面1#液壓支架電液控制閥組動作：控制液（高壓液）經(jīng)→電液控制閥5（二位三通方向控制閥）→工作閥（二位三通先導(dǎo)控制閥）6→分別進入E、F、H、V四條液路：
工作面1#支架E:→單向節(jié)流閥7→液控單向閥8→移拉缸活塞腔10；同時，推拉缸10活塞腔液體 →交替閥9→差動連接——端頭3#支架 F: →單向節(jié)流閥13→交替閥14→液控單向閥（鎖）15→推拉缸16的活塞桿腔（倒裝）。同時，推拉缸16活塞腔的液體→液控單向閥15b點→交替閥18→回液斷路閥B（單向閥）→回液管道。
端頭2#支架H: →單向節(jié)流閥21→交替閥22→液控單向閥23（鎖）→推拉缸24的活塞桿腔，同時推拉缸24活塞腔液體→液控單向閥23C點→交替閥25→回液斷路（單向閥）C→回液管路。
端頭1#支架V: →單向節(jié)流閥28→交替閥29→液控單向閥（鎖）30→推拉缸31活塞桿腔。同時推拉缸31活塞腔液體→液控單向閥30d點→交替閥32→回液斷路閥（單向閥）D→回液管路。
此時工作面1#支架與端頭1#、2#、3#支架液壓缸10、31、24、16，同時開始同步自動推移。
若端頭1#、2#、3#液壓支架三位四通閥換向閥（中位為y型機能）可不需要交替閥18，交替閥25、交替閥32，分別液控單向閥15b、23c、30d→三位四通閥12、20、27，中位→回液斷路閥→回液管路。
3.2.3. 端頭支架與工作面支架同步推移的方法：
3.2.3.1. 利用單向節(jié)流閥的調(diào)速回路
通過調(diào)節(jié)端頭1#、2#、3#支架單向節(jié)流閥（阻尼閥）13、21、28的流通面積的大小，改變輸入到推拉缸16、24、31的流量，從而使推拉缸（執(zhí)行元件）的速度得以調(diào)節(jié)，達到多個液壓缸運動中保持位置不變、速度相同，即可實現(xiàn)同步。
L 端頭1#= L端頭2#= L端頭3#=L工作面1#——（3—1）
?L —工作面推移歩距（mm）。
3.2.3.2. 利用并聯(lián)進口節(jié)流調(diào)速回路
端頭1#、2#、3#支架液壓缸31、24、16結(jié)構(gòu)尺寸、布置方式相同，影響同步精度的因素，有液壓缸的外負(fù)載、泄漏、摩擦阻力；如圖2所示，速度負(fù)載特性，缸在穩(wěn)定工作時，受力平衡方程式為：
p1A1=F+p2A2
液壓缸速度為? ：
? ????????????????????????????? ——（3—2）
式中 p1、p2——缸的進油腔壓力和回油腔壓力，由于回油腔通油箱，p2可視為零； A1——活塞桿腔工作面積；A2——活塞腔工作面積；C——有節(jié)流口形式、液體狀態(tài)、油液性質(zhì)等因素決定的系數(shù)；φ——節(jié)流閥指數(shù)對于細(xì)長孔φ=1、對于薄板孔φ=0.5，介于兩者之間的取φ=0.5～1；AT——節(jié)流口通流面積mm2；△P——節(jié)流閥兩端的壓力差；F——液壓缸的外負(fù)載；V——液壓缸運動速度；qv1——經(jīng)節(jié)流閥進入液壓缸的流量；pp——泵的出口壓力；由（3—2）式可見，液壓缸速度v與節(jié)流閥通流面積AT成正比，調(diào)節(jié)AT可實現(xiàn)無極調(diào)速，這種回路面積AT成正比，調(diào)節(jié)AT可實現(xiàn)無極調(diào)速，這種回路的調(diào)速范圍較大。當(dāng)調(diào)節(jié)AT調(diào)定后，速度隨負(fù)載的增大而減小。在相同負(fù)載工作時，節(jié)流閥通流面積小的比大的速度低，并聯(lián)向液壓缸供液，各液壓缸承受外負(fù)載均勻，即可實現(xiàn)同步。
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圖2? 推移千斤頂工作原理示意圖
P1 、P2—進液腔壓力和回液腔壓力； A1—上腔活塞受力面積；A2—下腔活塞受力面積；F—外負(fù)載；V—千斤頂伸縮速度；Ar—節(jié)流口正向流通面積； Qv1—單向節(jié)流口反向流通面積； Pv—泵站的出口壓力。
4. 改造實施后的應(yīng)用效果
端頭液壓支架與工作面液壓支架整體同步推移實現(xiàn)電液控制、手動控制的雙功能操作?，F(xiàn)已在曉南礦N1-1501、N1-1402二個工作面成功應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。主要體現(xiàn)在操作系統(tǒng)方便靈活，支架工作性能穩(wěn)定，動作準(zhǔn)確，安全程度高，效率高，材料消耗低，數(shù)據(jù)顯示準(zhǔn)確。同時大大延長設(shè)備的使用壽命。????????????????????????? ????????
核算統(tǒng)計表明：維修故障率減少85％，材料消耗減少90％，人工費用節(jié)省降低70％。
實踐表明：刨煤工作面端頭支架推移裝置控制系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)電液控制、手動控制的雙功能操作 ， 解決了一直存在刨煤機工作面支架與端頭支架整體同步推移的難題, 從而實現(xiàn)全部自動循環(huán)過程， 達到了安全、經(jīng)濟、高產(chǎn)高效目標(biāo)， 推 動了煤炭行業(yè)整體技術(shù)水平的進一步提高。
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作者簡介： 吳春濤(1978--) ，男，工程師職稱，繼續(xù)教育本科，2013 年 4 月畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)機械工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)于鐵法能源公司曉南礦刨煤隊任支部書記。電話：15898015780，76827750-77436。
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