乳化液泵站液压系统可靠性分析

乳化液泵站液压系统可靠性分析

发表时间：2019-04-01T14:40:59.160Z 来源：《电力设备》2018年第28期作者：李强

[导读] 摘要：随着科学技术水平的提高，我国矿山生产过程中乳化液泵站液压系统的应用也逐渐受到重视。

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摘要：随着科学技术水平的提高，我国矿山生产过程中乳化液泵站液压系统的应用也逐渐受到重视。文章主要对乳化液泵站液压系统可靠性分析的重要性进行分析，并探讨可靠性优化策略。

关键词：乳化液泵站；液压系统；可靠性

引言

矿用乳化液泵站是综采工作面的关键设备,它一方面为机械化综采面单体液压支柱提供基础保障,另一方面将机械能转化为液压能为掘进设备提供转矩。在液压系统中,液压源的稳定性是液压系统稳定性的决定性因素。当系统液压源出现压力波动时,会引起整个系统的压力震荡,加快系统密封元件、管道和压力元件的损坏,严重时会引发系统故障,造成重大事故。

1常规乳化液泵站工作原理

乳化液泵站工作原理为:磁力启动器(6)闭合,给乳化液泵电机(4)供电,驱动乳化液泵(3)工作,将乳化液由液箱(15)经输液管道送到综采工作面液压支架(14),为液压支架提供动力。乳化液泵的输出能力,为单体液压支柱供液的应不小于18MPa,为综采液压支架供液的应不小于30MPa,并且不得超过31.5MPa。乳化液泵采用的是由电动机驱动的电动泵；在运动形式上，采取柱塞驱动的形式，这主要是因为柱塞泵排出压力范围广、可靠性高；从外观结构上，泵分为卧式泵和立式泵，此次设计采用卧式泵，方便维护、维修、操作，可保证工作效率；泵的联数、缸数及作用数也是总体设计时需要考虑的关键问题，在柱塞泵中，一根柱塞和其连杆的组合，称为一联，当柱塞间相位差不同，但一同排出时，联可以称为缸，缸数的多少影响泵的流量脉动。一般而言，缸数越多，其脉动越小，但考虑到制造工艺的方便，此次设计为五缸泵，柱塞往复一次吸入与排出介质的次数称为作用数，因为结构的关系，柱塞泵一般是单作用泵。

图1 常规乳化液泵站液压系统示意图

在乳化液泵站的出液口还安装安全阀(8),作为泵站的的高压保护零件,安全阀的调定压力为泵工作压力的110%~115%左右,超压时,乳化液通过安全阀回流入液箱。图1中蓄能器(11)的主要作用是补充高压系统中的漏损,从而减少卸载阀的动作次数,延长液压系统中液压元件的使用寿命;同时还能吸收高压系统的压力脉动。

2乳化液泵站液压系统可靠性分析的重要作用

综采工作面的支护体系主要由液压支架与乳化液泵站以及控制、调节、保护元件和辅助装置构成。其中，乳化液泵站液压系统是整个工作面支护体系完整系统的一部分。泵站液压系统既能安全可靠地向工作面输送液压支架等液压装置所需压力等级的高压液体，又能将通过回液管道流回乳化液箱的乳化液经过滤净化后，再次输送至工作面液压设备，形成连续无间断的循环供液模式。在功能方面，当液压支架动作时泵站液压系统可以满足其需要，系统可以即时供给高压液体;当液压支架不动作乳化液泵仍在运转时，系统能够自动卸载，保证乳化液泵站安全运行;当液压支架等液压设备动作受阻时，工作液压力超过限定值，系统能够限压保护。乳化液泵站液压系统是综采工作面泵站与液压支架及辅助元件组成的整体系统的一部分。不仅可以向工作面液压装置提供所需压力等级的乳化液体，还可以将输送完能量的乳化液进行回收、过滤后再进行加压，形成连续循环的供液体系。乳化液泵液压系统通常具有以下特点：乳化液泵站液压系统可以满足工作面液压支架及其附属装置的工作用液要求，当工作面液压支架需要压力时，乳化液泵站可以及时提供符合压力及流量要求的乳化液;工作面液压支架不需要供液时，泵站液压系统仍正常运转并自动卸载压力;系统压力超过调定值时，系统可以自动卸载，当压力降至调定值时，系统又可恢复正常工作;保护乳化液泵，空载启动减少对泵体自身的损害;系统内有完善的压力及流量缓冲装置、良好的过滤装置、压力指示装置以及自动配液装置等。

3乳化液泵站液压系统可靠性

3.1建立可靠性模型

在分析乳化液泵的可靠性时,首先要了解乳化液泵中每个元部件的功能、各个元部件之间在功能上的关系,以及各个元部件的功能和故障对整个乳化液泵的影响。用方框代表系统元部件,用短线把各个代表元部件的方框按照功能上的逻辑关系连接起来,就建立了整个系统的可靠性框图。根据可靠性理论,乳化液泵各个元部件之间都是串联关系,其中任何一个元件出现故障都可以导致乳化液泵站故障。因此,乳化液泵站的可靠性模型是由电动机、齿轮副、滑块、曲轴、缸体、进液阀和排液阀组成的串联系统。设U代表乳化液泵站无故障工作的事件,Ui 代表第i个元部件无故障工作的事件。因为乳化液泵站各个元部件之间是串联关系,所以U事件出现等于U1,U2,…Un,事件同时发生,即:U=U1U2…Un。依照概率计算的原则,假如乳化液泵站中各元部件是相互独立的,得出的乳化液泵站可靠度

设乳化液泵站的可靠度为Rs,则有

由此可知,串联系统的可靠度等于各个单元的可靠度的乘积,这就是一般情况下的可靠性乘积法则。

3.2控制系统仿真分析

在实际使用中,乳化液泵的工作压力为24~32MPa。当系统压力大于32MPa时,安全阀打开泄压;当系统压力小于24MPa时,辅助泵启动,系统升压。因此,该系统设定的额定压力为27MPa。根据系统硬件,选择系统参数,并将其设定于系统的动态控制方程。应用MATLAB仿真模块对系统进行仿真,仿真结果如图2所示。

图2 控制系统压力响应曲线

由图2垂直方向变化情况可知:系统压力稳定为27MPa。当系统压力信号为27MPa恒定时,系统的压力响应曲线随系统压力的变化而波动,但在27MPa时快速趋于稳定,因此该系统为压力稳定系统。由系统的压力响应曲线变化范围可知,系统压力最大值不超过30MPa,系统控制压力不超过系统最大压力值;系统压力值不低于24MPa,系统控制压力不低于安全范围最小值。因此,系统压力波动在安全范围内,不会出现液压冲击现象,符合实际工作中控制系统的安全要求。由图2水平方向变化情况可知:系统压力响应迅速,且频率波动较小,系统无明显振动和噪声。总之,在液压比例溢流阀的控制下,系统压力变化缓慢、安全且在合理的范围内。系统无传统机械溢流阀开启、关闭引起的液压冲击。该控制系统对系统结构和密封件有一定的保护作用,适用于煤矿安全系数要求较高的矿井。

3.3总体结构选型与设计

根据高可靠性、高自动化程度的总体设计原则,对乳化液泵的驱动方式、柱塞结构、外观结构、联数/缸数、机械传动部分、液力端部分、压力控制部分、冷却润滑部分进行选型和设计。乳化液泵采用的是由电动机驱动的电动泵;在运动形式上,采取柱塞驱动的形式,这主要是因为柱塞泵排出压力范围广、可靠性高;从外观结构上,泵分为卧式泵和立式泵,此次设计采用卧式泵,方便维护、维修、操作,可保证工作效率;泵的联数、缸数及作用数也是总体设计时需要考虑的关键问题,在柱塞泵中,一根柱塞和其连杆的组合,称为一联,当柱塞间相位差不同,但一同排出时,联可以称为缸,缸数的多少影响泵的流量脉动。一般而言,缸数越多,其脉动越小,但考虑到制造工艺的方便,此次设计为五缸泵,柱塞往复一次吸入与排出介质的次数称为作用数,因为结构的关系,柱塞泵一般是单作用泵。乳化液泵的机械传动部分包括减速器、曲轴、连杆等,电机与曲轴之间安装联轴器和斜齿圆柱齿轮减速器,考虑到需要的速度比相差并不大,因此运用相对简单的一级减速器;乳化液泵的液力端部分主要包括柱塞、吸排液阀等,柱塞的设计首先应保证其耐磨性和防腐蚀性,其次应考虑其密封性;压力控制部分设计时,应考虑其方便性和可靠性,选取机械电子卸载阀;冷却润滑系统是乳化液泵中很重要的系统,在泵站的各种存在相对运动的运动副中,为了减小摩擦、降低噪声,都需要润滑油进行润滑,此次设计的冷却润滑系统的动力源是一个齿轮润滑油泵,由曲轴带动将润滑油溅入乳化液泵内,对连杆机构、减速机构等产生润滑作用,润滑油工作压力约为0.2MPa~0.4MPa。

3.4回液过滤系统

相对于传统的泵站回液,回液过滤系统有以下优点:(1)增加了回液箱。工作面回液直接进入回液箱,降低了液压支架的背压,提高了效率;液体再经过泵输送到回液过滤站,回液压力值较小,不会对过滤器的滤芯产生冲击;在回液箱中,液体能够进行一定程度的沉淀,液体中一些较大、较重的杂质能够沉淀到回液箱中,使进入到过滤器的液体没有较大杂质且平稳,能够很好的保护滤芯。(2)回液过滤站过滤能力强、可靠性高。回液过滤站分为两组并列,每组都是三级过滤,过滤后的精度能够达到20μm;过滤网为多层不锈钢网制成,结实耐用而且具有反冲洗功能,保证了过滤精度,并有效的避免了滤网被堵塞,真正降低甚至消除了流动介质污染对系统元件的影响,从而提高了系统安全性。(3)反冲洗功能强度高。传统的过滤方式污染物一直聚集在滤芯上,只能人工拆卸清洗,回液过滤站的6个过滤器都具有反冲洗功能,使用的时候只需要关闭过滤器前面的不锈钢球阀,打开排污阀和气动球阀,旋转手轮即可实现滤网的反冲洗,来回反复操作即可完成整个过滤站的反冲洗;反冲洗具有强度高、操作简单、方便快捷的特点。

3.5能耗分析

乳化液泵在卸载期间,虽然不向液压系统输出液体,基本处于空载状态,但拖动乳化液泵的电机一直通电运转,造成了电能的浪费。乳化液泵恒压供液系统,在供液系统达到设定压力后,电机自动停止运转,降低了综采工作面的电能损耗,并最终降低了矿井的吨煤成本。据统计,我国综合机械化采煤工作面一台乳化液泵每天的运转时间是18h左右,而卸载状态所占的时间就高达12h,在这12h中,乳化液泵电机在不停的运转,却不对液压系统做功,也就是说这12h所消耗的电能就白白浪费掉了,加上乳化液泵机械部件的运转,加速了机械零部件的磨损,降低了寿命。而采用乳化液泵恒压供液系统完全克服了这些问题。

结语

以高可靠性、高自动化为原则设计出的移动泵站符合工程实际需求,具有良好应用效果,其具有以下的特点:泵站具有高可靠性,其故障率