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阀控型液力偶合器存在的问题及解决措施

作者:第一论文网 更新时间:2015年10月30日 10:03:34

张庚云

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司,山西 太原 030006)

摘 要:在分析阀控型液力偶合器闭式控制系统工作原理的基础上,指出存在系统复杂、维护工作量大,对水质要求高,用水量大和轴承蹿液失效4个方面的问题,其中前3个方面的问题最为突出且具有普遍性,为了解决上述问题,介绍了自动循环冷却(ACC)控制系统和自动液位保持控制系统两种开式控制系统的工作原理及特点,并归纳比较了三种偶合器控制系统的技术指标,通过分析认为,开式控制系统具有结构简单、对水质要求低、可靠性高、用水量少等优点,是目前使用比较成熟的偶合器控制方法。

关键词:刮板输送机;阀控型液力偶合器;ACC;自动循环冷却;自动液位保持

中图分类号:TD528;TD63+4 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2017.08.068

近年来,阀控型液力偶合器(以下简称偶合器)作为一种技术成熟且性价比较高的软起动装置,被广泛应用于煤矿综采工作面刮板输送机上,常见的驱动方式有两驱或三驱两种:两驱是指刮板输送机机头和机尾各布置一套驱动装置;三驱是指刮板输送机机头垂直方向和平行方向分别布置一台驱动装置,机尾布置一台驱动装置,它能够有效实现刮板输送机的重载软起动(可频繁启动,无次数限制)、过载保护(有效保护电机,防止电机烧毁)以及多电机驱动时的负载均衡[1-4]。

诚然,每一种新技术的应用都伴随着各种问题的出现和解决,偶合器在煤矿综采工作面刮板输送机上的应用亦是如此。从第一台进口阀控型液力偶合器在国内综采工作面刮板输送机上的应用开始,就一直出现很多问题,从而影响综采工作面的连续生产。

基于此,笔者总结分析了偶合器在现场使用中存在的普遍问题,提出解决此类问题除了从偶合器结构上进行优化,更重要的是改变偶合器控制方式,并介绍了两种经实践证明能够显著改善偶合器可靠性的开式控制系统,自动循环冷却(Automatic Cycle Cooling,ACC)控制系统和自动液位保持控制系统,以飨从事相关技术工作的读者。

1 闭式控制系统的工作原理和存在的问题

1.1 闭式控制系统的工作原理

阀控型液力偶合器最早使用的是闭式控制系统,也是出现问题最多的系统,为了更好地论述偶合器在现场使用中出现的问题,有必要对闭式控制系统的工作原理进行简要描述。以单台偶合器为例,其工作原理如下。

1)起动过程。电动机起动,此时排液阀常开,排出工作腔残留液体;当电动机达到额定转速,偶合器开始充液,直至压力传感器检测到水位压力,停止充液。

2)超温保护。当水温超过55 ℃时,充液阀和排液阀会打开,充入冷水,同时排出热水,直到温度传感器检测到水温低于40 ℃。

3)水位控制。一旦压力传感器监测到水位压力消失,充液阀会立即开启补水。

4)过载保护。当偶合器过载打滑,使水温达到80 ℃,排液阀会迅速排液,同时报警停机,保护传动系统。

1.2 闭式控制系统存在的问题

由上述分析可知:闭式控制系统的设计初衷是最完善的,既考虑到各种功能实现和对传动系统的保护,又能够最大限度节约用水量,但同时也暴露出很多问题,主要体现在以下4个方面。一是系统复杂,维护工作量大。系统主要包括:充液阀、排液阀、循环阀、压力传感器、温度传感器、速度传感器、控制器、冷却器各1个,电磁线圈2个,供水过滤管路、流量分配管路各1套,整个系统连接和控制逻辑都相当复杂,任何一个环节出现故障,都会影响系统运行。二是对水质要求极高。系统正常工作时,水温保持在40 ℃以下,而我国北方多为硬水,水中的钙离子、镁离子在一定温度下易结垢,导致控制阀中的细小孔堵塞,引发控制阀故障,严重影响工作面连续生产。三是用水量大。闭式控制系统要求供水流量为240 L/min,尽管充满后不需要继续充液,但是仍需要大量的冷却水对系统进行散热,因此,综合用水量仍然很大。四是轴承蹿液失效。根据现场了解,这类问题导致的故障不具有普遍性。在有些矿区,这类问题突出,曾出现仅使用3个月轴承就发生损坏的情况;然而在另一些矿区,却从未出现这类问题。笔者分析,这与偶合器内部结构的先天性缺陷和现场工人操作都有关系,其轴承完全伸入工作腔,当进液压力过大或者油封失效,均会导致水蹿至轴承内,导致轴承 损坏。

在这4个方面的问题中,前3个方面的问题尤为突出。系统越复杂,意味着故障点就越多,井下常因传感器、电气控制等故障,占用大量宝贵的生产时间,导致生产效率低下;控制阀由于水结垢堵塞阻尼孔而无法动作,则会导致整个工作面生产停顿,影响最为严重;如何在不影响生产的情况下最大限度减少用水量,同样是很多煤矿生产单位十分关心的问题。轴承蹿液失效问题导致的故障不具有普遍性,只是在个别矿区出现过。

因此,针对前3个方面的问题,笔者介绍两种偶合器开式控制系统,这两种开式控制系统在中国中煤能源集团有限公司王家岭煤矿和陕西煤业化工集团有限责任公司张家峁煤矿长期使用。实践证明,这两种开式控制系统是目前使用比较成熟的偶合器控制系统[5-8]。

2 偶合器开式控制系统

2.1 自动循环冷却控制系统

2.1.1 自动循环冷却控制系统的组成

自动循环冷却控制系统是德国福伊特(VOITH)集团公司提出的新型偶合器控制方法,系统包括:充液阀、电磁线圈、压力传感器、温度传感器、速度传感器、控制器各1个,供液管路1套;偶合器主机内部增加离心阀,离心阀的安装位置见图1。

离心阀的工作原理(见图2):当电机转速达到额定转速时,离心作用的惯性力大于弹簧力,钢球上升堵住排液口,偶合器不能排液;当电机转速低于额定转速时,离心作用的惯性力随之下降,小于弹簧力,钢球下降排液口打开,偶合器排液。

2.1.2 自动循环冷却控制系统的工作原理

以单台偶合器为例,其工作原理如下。

1)起动过程。电动机起动电机旋转时,离心阀将偶合器内部的水排到偶合器外壳中,借助排液泵管将水排出偶合器;当电动机达到额定转速,离心阀关闭,偶合器开始充液,水流量为240 L/min,在一定时间 (约20 s) 内完成,充液阀关闭。

2)额定运行。在该状态下,离心阀关闭,水一直保持在工作腔内,偶合器传递所需功率。

3)脉冲换水冷却。在水温达到55 ℃之前,为消除滑差产生的热量,控制器根据电流大小进行换水冷却,此时充液阀脉冲添加冷水,热水从排液泵管排出,换水过程偶合器始终保持充满状态,从而确保换水过程中的功率传递。

4)正常换水冷却。一旦水温达到55 ℃,即开始正常换水,充液阀打开添加冷水,热水从排液泵管排出,换水过程偶合器始终保持充满状态,确保换水过程中的功率传递,直到降至设定的温度后,充液阀停止充液。

5)停机。所有设备断电,当偶合器转速低于额定转速时,离心阀打开,偶合器内的大部分水被排出;当电机停机时,偶合器内尚未排空的水将排进壳体中,并通过溢流阀流出。

2.1.3 自动循环冷却控制系统的特点

1)系统明显简化,仅保留充液阀和电磁线圈各1个,控制逻辑简单。需要说明的是,该处的压力传感器与闭式控制系统中的压力传感器不同,它不是用来监测水位压力,而是安装在充液阀前,根据水压的大小控制充液时间。

2)自动换水冷却,偶合器出水保持低温,避免水垢生成,极大地提高了系统的可靠性。

3)用水量与闭式控制系统基本相同,无明显下降。

2.2 自动液位保持控制系统

2.2.1 自动液位保持控制系统的组成

自动液位保持系统包括:充液阀、电磁线圈、液位监测单元、速度传感器各1个,供液管路1套;偶合器主机内部也增加离心阀,其安装位置及功能与自动循环冷却控制系统相同。自动液位保持控制系统的基本思路是实时监测和自动控制偶合器内液位水平,其中的液位监测单元是其核心元件。

2.2.2 自动液位保持控制系统的工作原理

以单台偶合器为例,其工作原理如下。

1)起动过程。当电动机起动,电机旋转时,离心阀将偶合器内部的水排到偶合器外壳中,再借助排液泵管将水排出偶合器;当电动机达到额定 转速,离心阀关闭,偶合器开始充液,水流量为100 L/min(试验最低为50 L/min),液位监测单元开始自动监测偶合器内部水位压力。

2)液位控制。液位监测单元有3个接口,其中1个监测接口连接至偶合器压力开关处,1个控制接口连接至充液阀的先导控制口,1个排液口连接至设备外。当监测达到设定的水位压力值时,该压力克服弹簧力,使控制口关闭,充液阀也随之关闭,保证偶合器不过充;因排液口常开,偶合器的水位压力会逐渐降低,控制口自动打开,充液阀也随之打开补液;当再次达到设定水位压力值时,充液阀又自动关闭,如此“充液—排液”循环重复,实现偶合器自动保持液位水平。

3)换水冷却。偶合器运行时,“充液—排液”循环重复可实现自动冷却,不需额外冷却方式。

4)停机。所有设备断电,当偶合器转速低于额定转速时,离心阀打开,偶合器内的大部分水被排出;当电机停机时,偶合器内尚未排空的水将排进壳体中,并通过溢流阀流出。

2.2.3 自动液位保持控制系统的特点

1)系统最简单,仅保留充液阀、电磁线圈和液位监测单元各1个,控制逻辑简单。偶合器起动后,电磁线圈始终得电,且仅动作一次,直到偶合器停机为止才断电;充液阀的开启与关闭由液位监测单元自动控制。

2)自动换水冷却,当偶合器液位降低时,液位监测单元控制充液阀开启补液,同时补充的新鲜冷水对偶合器工作腔的液体进行冷却。经现场观察,出水口温度基本保持在25 ℃以下,能够有效避免因高温结垢而堵塞控制阀阻尼孔问题所导致的故障发生。

3)水量最少,启动时充液流量50~100 L/min并保持即可,运行时仅需少量补液[9-10]。

3 偶合器控制系统比较

为了对闭式控制系统、自动循环冷却控制系统和自动液位保持控制系统进行更直观的比较分析,笔者将三者的系统特点、供水系统要求流量、控制逻辑、超温换水、换水过程功率损失、过充现象、压力开关、用水量、阀组配置、阀组故障率和维护工作量,以及对现场人员要求等多方面技术指标进行归纳比较,见表1。

4 结束语

阀控型液力偶合器是重型刮板输送机上应用最普遍的软起动装置,闭式控制系统在使用过程中暴露出故障多、水质要求高、用水量大等问题,为了解决上述问题,介绍了以自动循环冷却控制系统和自动液位保持控制系统为代表的开式控制系统。目前,这两种开式控制系统在中国中煤能源集团有限公司、陕西煤业化工集团有限责任公司的多个矿区均有使用,采用开式控制系统后,控制阀结构实现了最简化,偶合器故障减少,刮板输送机开机率明显提高。

未来阀控型液力偶合器的发展将向自动化、智能化方向推进,应充分发挥偶合器的调速性能,研究如何实现采煤机割煤与刮板输送机运煤之间的负荷均衡与协作控制,提高工作面设备的生产效率,以应对各种新型软起动装置的冲击和挑战。