矿用乳化液泵数字式流量调控技术研究

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　　针对煤矿综采工作面三机设备与供液系统之间动态高效供需匹配的需求，提出数字式流量调控技术以实现乳化液泵站按需供液。首先阐述数字式流量调控技术原理，制定适配五柱塞泵进排液配流规律的执行机构工作策略;其次系统总结数字式流量调控方案;最后优选最佳调控方案并通过仿真验证其可靠性。结果表明：五柱塞乳化液泵共存在7种数字式流量调控方案，执行机构开启数目与流量脉动率呈负相关;调控区间根据方案不同分别为[0,π]或[0,3π/5)，流量可调范围为38%~100%。该技术既满足按需供液要求，又尽可能降低流量脉动率，可为综采工作面三机设备智能稳压供液技术提供参考。

　　关键词：乳化液泵;按需供液;数字式流量调控技术;流量脉动

　　论文《矿用乳化液泵数字式流量调控技术研究》发表在《液压与气动》，版权归《液压与气动》所有。本文来自网络平台，仅供参考。

　　0 引言

　　煤矿智能化开采是实现煤炭资源安全高效开发的有效途径，其关键技术支撑是液压支架精准推移与快速跟机。液压支架在高产高效煤矿综采工作面三机设备协调中扮演关键角色，需跟随采煤机割煤及时移动，保障工作面顶板支护与正常推进。

　　乳化液泵站作为液压支架的动力来源，供液动力直接影响液压支架执行动作的驱动力、速度与稳定性。为维持较高综采工作效率，乳化液泵站需根据用液需求及时调控。精准稳定的支架跟机运行依赖充足稳定的供液动力，因此乳化液泵供液流量调控与负载用液需求的动态匹配，是矿井三机设备智能化发展的重要技术，开展相关研究极具必要性。

　　众多学者已针对乳化液泵流量调控特性和策略展开研究，现有调控方式多为电磁卸荷或变频驱动，但这些方法易导致整泵压力波动和流量脉动，影响工作效率与系统寿命，而提出具体调控方案改善该问题的研究较少。

　　本研究以BRW630/37.5型五柱塞乳化液泵为研究对象，提出数字式流量调控技术及实施策略，制定可行调控方案;通过计算比较各方案流量脉动率，优选最佳方案;最后搭建仿真模型，在AMESim平台验证其可靠性。

　　1 乳化液泵数字式配流原理

　　1.1 乳化液泵进排液工作原理

　　BRW630/37.5型乳化液泵的泵头部分包含5个结构相同的柱塞腔，各柱塞腔的动力端和液力端分别并行排列。动力端由电机、减速机构、曲轴和连杆等组成，液力端主要包括柱塞、高压缸套组件、腔体及进排液阀等。

　　曲轴与动力端正向坐标轴始终保持一定曲轴转角θ，作为进排液过程的时长度量;柱塞腔总体积由可变体积Vₚ和不变体积Vₜ组成。进液过程中，柱塞向动力端运动，Vₚ增大，腔内压力降低，进液阀开启，流体介质进入柱塞腔，曲轴转动至π时，柱塞到达下死点，进液过程结束。排液过程中，柱塞向液力端运动，Vₚ减小，腔内压力升高，排液阀开启，流体流向后续用液系统，曲轴转动至2π时，柱塞到达上死点，排液过程完成。

　　由于动力端曲轴为五拐轴，各曲拐初始角度均匀间隔2π/5，使惯性力及惯性力矩平衡，提高整泵可靠性。其工作规律为：曲拐1至曲拐5依次进入新的进排液周期，曲拐5结束后从曲拐1重新循环。

　　1.2 五柱塞乳化液泵数字式配流技术原理

　　为实现数字式流量调控，在各柱塞腔进液阀的低压进液岐管侧加装执行机构，将自动单向进液阀改为可强制开启的数字式进液阀。排液过程中，执行机构强制打开进液阀阀芯并保持开启一定时长，使流体介质在柱塞挤压下流回液箱，此时间段内柱塞腔内无法形成高压，排液阀无法打开，无流体排出。通过对所有进液阀依次执行延迟关闭动作，可实现整泵排出流量的调控。

　　执行机构的工作策略分为三种工况：一是在整个排液过程内始终保持工作，进液阀强制开启区间内排液阀无法打开，流量为0;二是在部分排液过程内保持工作，进液阀开启一段时间后关闭，柱塞腔短暂排液;三是执行机构仅可在特定曲轴转角区间内开始开启动作，否则会影响流量调控效果。

　　2 数字式流量调控技术理论分析

　　2.1 五柱塞乳化液泵瞬时流量分析

　　BRW630/37.5型五柱塞乳化液泵单个柱塞腔的理论瞬时排出流量Qₚₒ可通过相关公式计算，以Aₚrω为因子进行无量纲化处理后，可得到各柱塞腔及整泵的无量纲化瞬时理论排出流量表达式。根据表达式绘制的流量曲线显示，五柱塞泵整泵排出流量按“2个柱塞腔供液→3个柱塞腔供液→2个柱塞腔供液→3个柱塞腔供液……”的规律循环。

　　2.2 数字式流量调控方案分析

　　以执行机构开启数目为区分依据，结合柱塞腔组合方式，可列举多种调控方案，但部分方案存在重合性。经归纳筛选，最终得到7种可行的数字式流量调控方案。

　　各方案的调控区间需控制在合理范围，避免整泵排出流量为0。相邻2个或多个柱塞腔参与调控时，调控区间τₙ为[0,3π/5);单个或均存在间隔的柱塞腔参与调控时，调控区间τₙ为[0,π]。

　　计算各方案可调目标流量占额定流量的比例(可调控范围R_d)发现，数字式流量调控技术的流量调控范围为额定出口流量的38%~100%，具体方案细则如下表所示：

　　| A | 1 | 1 | 80%~100% | [0,π] |

　　| B | 2 | (1,2) | 76%~100% | [0,3π/5) |

　　| C | 2 | (1,3) | 60%~100% | [0,π] |

　　| D | 3 | (1,2,3) | 63%~100% | [0,3π/5) |

　　| E | 3 | (1,2,4) | 56%~100% | [0,3π/5) |

　　| F | 4 | (1,2,3,4) | 51%~100% | [0,3π/5) |

　　| G | 5 | (1,2,3,4,5) | 38%~100% | [0,3π/5) |

　　3 流量调控方案仿真与优选

　　3.1 仿真模型搭建

　　BRW630/37.5型五柱塞乳化液泵的关键参数如下：曲轴转速500r·min⁻¹，电机功率450kW，公称压力37.5MPa，公称流量630L·min⁻¹，柱塞数目5个，柱塞直径60mm，柱塞行程110mm。

　　根据上述参数在AMESim仿真平台搭建仿真模型，在各进液阀位置加装开关式执行机构，并在曲轴连杆机构部分加装角度传感器，方便根据曲轴转动角度变化进行有效控制。仿真中选用节流阀作为负载，阀口两侧压降为37.5MPa。

　　3.2 结果对比与分析

　　为模拟实际工况，将整泵出口流量下调至额定流量的85%作为目标流量，对7种方案进行仿真实验，并对比理论与仿真调控结果。

　　结果显示，利用执行机构进行流量调控时，瞬时排出流量曲线会出现波谷，执行机构开启时长越长，波谷越深;随着开启的执行机构数量增多，波谷变浅，流量脉动状况越接近正常排量。流量脉动率是衡量流量脉动现象的关键指标，包括上流量脉动率δᵤₚ和下流量脉动率δₗₒw。计算分析表明，7种方案的上流量脉动率均相等，下流量脉动率随执行机构开启数量增多而降低，方案G(开启5个执行机构)的下流量脉动率最低，抑制流量脉动效果最佳，因此优选方案G为最佳调控方案。

　　对比仿真曲线与理论曲线发现，仿真曲线波动更小、波谷更浅，流量脉动率相对较低，这是由于仿真环境考虑了配流阀启闭过渡过程和上下游压差力影响，说明实际应用中对流量脉动的抑制效果会更优。

　　4 结论

　　1. 对五柱塞乳化泵应用数字式流量调控技术，经精简后共存在7种配流方案，其中2种方案的调控区间为[0,π]，其余5种方案的调控区间为[0,3π/5)，流量调控范围为额定出口流量的38%~100%。

　　2. AMESim仿真与理论计算结果表明，执行机构开启数目与流量脉动率呈负相关关系，开启5个执行机构的方案G为最佳调控方案，其流量脉动抑制效果最优。

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