李永安

(1.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

煤礦用MB670型掘錨機(jī)是為了加快巷道掘進(jìn)速度而設(shè)計(jì)的集掘進(jìn)、錨護(hù)及除塵一體化快速掘進(jìn)設(shè)備，具有截割、裝載、支護(hù)同步平行作業(yè)、一次成巷功能，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)不間斷采煤，具有安全性高、巷道成型質(zhì)量高的特點(diǎn)[1-4]。掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)控制回路及執(zhí)行元件多，部分元件結(jié)構(gòu)和原理復(fù)雜，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障現(xiàn)象多樣，原因各異，故障排查難度大。國(guó)內(nèi)，劉方振對(duì)ABM20型掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)的電磁閥和油液乳化等故障進(jìn)行排查[5]，王艷杰等對(duì)MB670型掘錨機(jī)多路閥中溢流閥在維修時(shí)彈簧安裝座裝配錯(cuò)誤問(wèn)題做了分析[6]。針對(duì)掘錨機(jī)在使用過(guò)程中液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的幾種典型故障，本文從關(guān)鍵元件的原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、技術(shù)工藝參數(shù)等角度出發(fā)，分析故障原因，提出故障解決或預(yù)防措施。

1 掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)主要功能及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)的組成

圖1為MB670型掘錨機(jī)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)掘錨機(jī))掘進(jìn)工藝簡(jiǎn)圖。掘錨機(jī)主要由截割部，裝載部，錨鉆系統(tǒng)，電控系統(tǒng)，底盤(pán)，水冷系統(tǒng)，轉(zhuǎn)載部，除塵系統(tǒng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)組成。其中液壓系統(tǒng)可分為泵站模塊，本機(jī)油缸控制模塊，行走、臨時(shí)支護(hù)和錨鉆供油控制模塊，頂錨、幫錨控制模塊以及增壓水泵、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊等。油缸控制模塊主要由多路閥控制掏槽，輸送機(jī)升降與擺動(dòng)，后機(jī)身支撐，截割滾筒的升降和擴(kuò)展，鏟板的升降與擴(kuò)展等執(zhí)行元件動(dòng)作。行走、臨時(shí)支護(hù)和錨鉆供油控制模塊主要包括行走的驅(qū)動(dòng)，制動(dòng)與解制動(dòng)，高低速切換，臨時(shí)支護(hù)機(jī)構(gòu)的控制，錨鉆系統(tǒng)供油流量、壓力以及頂錨和幫錨的邏輯閉鎖控制。增壓水泵、風(fēng)機(jī)控制回路主要用于控制水冷系統(tǒng)增壓水泵和除塵系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的啟停。

圖1 MB670型掘錨機(jī)掘進(jìn)工藝簡(jiǎn)圖

1.2 掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

該系統(tǒng)為開(kāi)式液壓系統(tǒng)，采用兩聯(lián)負(fù)載敏感和壓力切斷功能的A4V系列變量柱塞泵和雙聯(lián)葉片泵作為動(dòng)力源，分別為行走、錨鉆模塊，油缸控制模塊，增壓水泵和風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力。系統(tǒng)采用負(fù)載敏感多路閥作為主控制閥[7]，電磁換向閥或比例方向閥作為先導(dǎo)控制閥，除錨鉆系統(tǒng)外，其余與液壓相關(guān)動(dòng)作基本實(shí)現(xiàn)遙控操作。液壓系統(tǒng)流量約780L/min,額定壓力28MPa。系統(tǒng)執(zhí)行元件共有液壓馬達(dá)12件，油缸50件，使用膠管600余根，控制回路相對(duì)復(fù)雜。

2 典型故障現(xiàn)象原因分析及處理

2.1 開(kāi)啟行走時(shí)液壓系統(tǒng)的壓力劇烈振蕩

圖2為油源控制模塊液壓原理圖，電機(jī)1驅(qū)動(dòng)A4VSO變量柱塞泵2向系統(tǒng)供油，其中P1口去油缸控制回路，P2口去行走、臨時(shí)支護(hù)和錨鉆模塊，節(jié)流閥3和電磁閥4位于負(fù)載壓力反饋Ls回路，Ls1和Ls2分別取自油缸控制回路和行走、臨時(shí)支護(hù)和錨鉆模塊負(fù)載信號(hào)。

1—電機(jī)；2—A4VSO變量柱塞泵；3—節(jié)流閥；4—電磁閥圖2 油源控制模塊液壓原理

行走回路采用負(fù)載敏感變量泵-負(fù)載敏感比例多路閥-液壓馬達(dá)+減速器方案。開(kāi)啟行走時(shí)，系統(tǒng)壓力出現(xiàn)持續(xù)劇烈振蕩。

原因分析，泵的變量機(jī)構(gòu)——Ls負(fù)載反饋閥-主閥壓力補(bǔ)償閥，節(jié)流口組成一個(gè)復(fù)雜的壓力流量控制系統(tǒng)，所以壓力振蕩問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題[8]，而系統(tǒng)的穩(wěn)定性和諸多環(huán)節(jié)參數(shù)有關(guān)，就現(xiàn)場(chǎng)可操作性而言，有油泵負(fù)載敏感閥的壓差值、主閥的閥口開(kāi)度、反饋回路的阻尼大小等。本文通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)3單向節(jié)流閥減小節(jié)流口開(kāi)度，加大Ls反饋油路的阻尼特性，消除壓力振蕩。

2.2 液壓系統(tǒng)的壓力無(wú)法正常建立

理論上，造成壓力無(wú)法正常建立這一現(xiàn)象的因素很多，如變量泵2(圖2)上的負(fù)載敏感閥和壓力切斷閥故障，電磁閥4故障，多路閥故障等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，至于負(fù)載敏感變量泵Ls反饋油路的電磁閥4故障，引起液壓系統(tǒng)的壓力無(wú)法正常建立的幾率較大。這是因?yàn)殡姶砰y4用于通斷反饋信號(hào)，在回路中起安全作用，防止誤操作控制閥組時(shí)引起機(jī)構(gòu)工作。所以當(dāng)電磁鐵故障或閥芯卡滯時(shí)，來(lái)自控制閥組的反饋Ls信號(hào)可能被卸荷，油泵始終處在待命狀態(tài)，系統(tǒng)壓力維持在2.5MPa左右。

2.3 由于負(fù)載敏感比例多路閥引起的故障

掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)的技術(shù)方案，主要采用“負(fù)載敏感變量柱塞泵-負(fù)載敏感比例多路閥-執(zhí)行元件”的控制方案，技術(shù)策略相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，限于篇幅，文中不再附出由負(fù)載敏感多路閥控制回路的液壓原理圖。然而，負(fù)載敏感比例多路閥是一個(gè)由多個(gè)不同功能的插裝元件組成相互耦合的具有特定壓力、流量調(diào)節(jié)特性的集成度高的復(fù)雜元件[9]，由于原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)很多故障現(xiàn)象都和負(fù)載敏感比例多路閥有關(guān)，所以重點(diǎn)討論研究負(fù)載敏感比例多路閥的故障現(xiàn)象、原因和處理措施。圖3為負(fù)載敏感比例多路閥主閥(一片)的結(jié)構(gòu)圖，主要構(gòu)成元件有限位螺釘、主閥芯、二次溢流閥和壓力補(bǔ)償器組成。限位螺釘用來(lái)限制主閥芯的行程，二次溢流閥通過(guò)限制負(fù)載反饋Ls的壓力，進(jìn)而控制本片閥的最大輸出壓力，該片閥是否能給負(fù)載提供足夠的壓力主要和它相關(guān)，壓力補(bǔ)償器用于消除負(fù)載變化對(duì)該片主閥輸出流量的影響，同時(shí)也可以保證多片主閥在控制不同大小負(fù)載時(shí)，可以多片同時(shí)輸出流量，各片之間互不影響。

圖3 負(fù)載敏感比例多路閥主閥結(jié)構(gòu)

2.3.1 負(fù)載敏感比例多路閥先導(dǎo)電磁閥的卡滯

滑閥，特別是電磁鐵驅(qū)動(dòng)的滑閥，因固體顆粒物卡滯而失效的現(xiàn)象十分普遍[10-11]。早在1965年，美國(guó)的俄克拉荷馬州立大學(xué)的流體動(dòng)力研究中心就對(duì)電磁換向閥的污染卡緊力與污染濃度之間的關(guān)系做了實(shí)際測(cè)量[12-13]。吳小霞也分析了固體顆粒物對(duì)換向閥性能的影響，研究表明固體顆粒會(huì)滯留于配合間隙，產(chǎn)生污染卡緊力，當(dāng)電磁鐵推力不能克服所有阻力時(shí)，就會(huì)使得換向速度變慢甚至完全不能換向[14]。

MB670型掘錨機(jī)中先導(dǎo)電磁閥的閥芯與閥體配合間隙較小，為0.002～0.008mm,系統(tǒng)使用過(guò)濾精度10μm的過(guò)濾器，明顯大于閥芯與閥體配合間隙，未被過(guò)濾的顆粒物造成閥芯易卡滯。另外，先導(dǎo)電磁閥的電磁鐵采用本質(zhì)安全型電路，電路功率較小，瞬間驅(qū)動(dòng)功率約3W，保持功率為1.5W，此功率值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于市場(chǎng)上同等規(guī)格電磁閥的電磁鐵功率，所以電磁鐵提供的閥芯推力有限，造成閥對(duì)污染物敏感。圖4為出現(xiàn)卡滯的電磁閥閥芯，圖中I區(qū)域?yàn)榭廴疚锞奂帯，F(xiàn)場(chǎng)處理，可拆下電磁鐵，用煤油清洗閥芯和閥體，將清洗過(guò)的閥芯裝入閥體，推拉閥芯順暢、無(wú)卡滯感即可。其次，建議更換更高過(guò)濾精度的濾芯。

圖4 出現(xiàn)卡滯的電磁閥閥芯

2.3.2 負(fù)載敏感比例多路閥流量問(wèn)題

掘錨機(jī)的行走控制回路和臨時(shí)支護(hù)回路都采用一片閥控制一個(gè)馬達(dá)或油缸，使用過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)行走跑偏或臨時(shí)支護(hù)油缸兩邊不同步的問(wèn)題。一般情況下，可通過(guò)調(diào)節(jié)圖3中的限位螺釘來(lái)調(diào)節(jié)主閥芯的閥口開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的輸出流量，進(jìn)而改變執(zhí)行元件的速度。如果上述方法不能滿(mǎn)足要求，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓力補(bǔ)償器的螺桿，改變閥口前后壓差來(lái)改變閥的輸出流量。具體原理：

(1)

式中，Q為經(jīng)過(guò)閥口的流量；Cd為流量系數(shù)，定值；A為過(guò)流面積，與閥口開(kāi)度有關(guān)；ΔP為閥口前后壓差；ρ為油液密度，定值。

在圖3中，調(diào)控壓力補(bǔ)償器閥的螺桿可以改變芯的預(yù)壓縮力，進(jìn)而改變了主閥節(jié)流口前后壓力差ΔP，由流量公式(1)可知，閥口前后壓差ΔP變化，導(dǎo)致主閥輸出流量的變化，以達(dá)到調(diào)節(jié)執(zhí)行元件運(yùn)行速度的目的。

3 幾點(diǎn)故障預(yù)防措施和建議

(1)污染預(yù)防，特別是預(yù)防在更換液壓元件時(shí)引起的系統(tǒng)二次污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓系統(tǒng)故障75%以上是由于液壓介質(zhì)污染造成的[15]。由于煤礦井下潮濕，粉塵大，視野差，易造成液壓系統(tǒng)污染或二次污染。

(2)過(guò)濾器過(guò)濾精度的選擇應(yīng)考慮系統(tǒng)選用液壓元件工藝參數(shù)。建議將系統(tǒng)回油過(guò)濾器過(guò)濾精度提高到5μm,減小尺寸大于先導(dǎo)電磁閥閥芯閥體配合間隙的顆粒物卡滯進(jìn)入元件。

(3)液壓元件的選擇應(yīng)考慮工作環(huán)境的特殊性。如果有條件，可選用較大功率電磁鐵的先導(dǎo)電磁閥。通過(guò)提高電磁鐵的推力，提高先導(dǎo)閥的抗污染能力,增強(qiáng)其對(duì)井下多粉塵，液壓系統(tǒng)易被污染的惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。

4 結(jié) 論

(1)掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，故障現(xiàn)象和原因復(fù)雜多樣，系統(tǒng)故障原因分析應(yīng)考慮相關(guān)元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、原理、技術(shù)參數(shù)，甚至工藝參數(shù)。

(2)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐，驗(yàn)證了故障原因分析的正確性，故障處理措施的有效性，提高了掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)故障排查效率，有益煤礦采掘效率的提升。

(3)液壓系統(tǒng)過(guò)濾器過(guò)濾精度的選擇應(yīng)考慮系統(tǒng)元件的工藝參數(shù)；元件的選擇應(yīng)考慮主機(jī)的工作環(huán)境。

[參考文獻(xiàn)]

[1]司志群，田軍先，岳官奚.掘錨一體化實(shí)現(xiàn)煤巷快速掘進(jìn)的幾點(diǎn)思考[J].煤礦開(kāi)采，2006，11(4):22-24.

[2]楊小軍，韓 豐.MB670掘錨機(jī)在大柳塔煤礦的應(yīng)用實(shí)踐[J].煤礦現(xiàn)代化，2016，35(5):9-10.

[3]毋 凡.掘錨機(jī)在煤礦快速掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014(13)：49.

[4]肖 鵬，楊紅軍.MB670型掘錨機(jī)在煤巷快速掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2015(7)：166-167.

[5]劉方振.ABM20掘錨一體機(jī)液壓系統(tǒng)故障分析與處理[J].陜西煤炭，2011，30(2)：86-87.

[6]王艷杰,劉永會(huì).掘錨機(jī)溢流閥故障分析[J].煤礦機(jī)械,2017，38(6)：146-147.

[7]毋 凡.負(fù)載敏感系統(tǒng)在掘錨機(jī)的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電，2017 (2)：53-55.

[8]李永安.再談負(fù)載敏感比例多路閥在使用中應(yīng)注意的若干問(wèn)題[J].液壓氣動(dòng)與密封，2017，37(11)：70-73.

[9]王 靜,李永安,王佃武.負(fù)載敏感比例多路閥在使用中應(yīng)注意的若干問(wèn)題[J].液壓與氣動(dòng)，2014(7)：76-79.

[10]龔烈航.液壓系統(tǒng)污染控制[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[11]趙春玲，劉新強(qiáng)，冀 宏，等.均壓槽對(duì)滑閥配合間隙內(nèi)固體顆粒分布的影響[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，28(2)：92-96.

[12]Inoue R，Contaminant Lock in Spool Type Directional Control Valve-part：Experimental Exploration[J].The BFPR Journal,1980,(13)2:163-171.

[13]Izawa K.Proportional Control Valve-part：Contaminant Lock Sensitivity[J].The BFPR Journal，1982,(15) 4：485 -494.

[14]吳小霞.航空液壓閥污染敏感度測(cè)試系統(tǒng)研制[D].北京：北京化工大學(xué)，2007.

[15]林建亞，何存興.液壓元件[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.