0 引言

目前,国内外电缆卷放装置逐步升级，不断向智能化、自动化方向发展，较为常见的是液压泵与液压马达配套式电缆卷放装置[1-2]。与传统的电动机控制电缆卷放方式相比，采用液压系统控制电缆卷筒旋转的方式具有以下优点：优化了电缆卷放装置整体结构，简化了液压系统回路设计，提高了装置运行稳定性和可靠性；采用液压马达传动，有效提高了传动功率，适用于井下矿用电缆卷放；液压系统防爆性能好，可更好地避免电火花现象，提高了人员和生产的安全性[3-6]。液压泵是液压系统的动力元件，按排量是否可调分为定量泵和变量泵。定量泵只能为电缆卷筒提供恒定转矩和转速，虽然整体较为稳定，但无法实现变速收缆功能[7-9]。而变量泵控制回路复杂，精度要求高，难以推广。本文以12CM15型连续采煤机卷缆装置为例，在分析卷缆装置三级调速液压系统原理的基础上，结合采煤机速度变化特点，建立了三级调速液压系统模型，并通过仿真和测试分析验证了其可行性。该系统通过增加节流阀与压力补偿阀实现三级调速功能，设计简单、控制方便，可实现变速卷缆，达到了电缆卷放速度与采煤机行进速度同步的效果。

1 系统工作原理

矿用卷缆装置三级调速液压系统原理如图1所示。该系统主要通过液压马达带动电缆卷筒旋转实现电缆卷放功能。在实际工作中，采煤机前进速度多为三档控制，因此,需设置电缆卷筒转速为三档，以保证卷缆状态与采煤机行进状态的同步性[10-11]。

图1 矿用卷缆装置三级调速液压系统原理
Fig.1 Principle of hydraulic system with three-stage speed regulation of mine-used cable winding device

系统根据采煤机行进速度变化改变调速阀开口大小，调节整体回路流量，以控制液压马达转速变化，进而改变电缆卷筒转速，使电缆卷缆速度与采煤机行进速度保持一致。为保证调速阀控制精度，降低整体设计复杂性，在系统中并联3个调速阀，根据转速和流量变化要求，分别设定3个阀芯开口大小，当采煤机行进速度变化时，通过控制3个调速阀的通断状态，实现液压系统变速调节功能。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

根据矿用卷缆装置三级调速液压系统原理，利用AMESim仿真软件建立系统模型，如图2所示。

1-液压泵；2-压力补偿阀；3-节流阀1；4-节流阀2；5-节流阀3；6-电磁换向阀1；7-电磁换向阀2；8-电磁换向阀3；9-液压马达；10-溢流阀
图2 矿用卷缆装置三级调速液压系统模型
Fig.2 Model of hydraulic system with three-stage speed regulation of mine-used cable winding device

由于调速阀模型的基础模块较多，为简化回路设计，建模时采用3个节流阀与1个压力补偿阀组合的方式代替3个调速阀并联连接方式，这样既大大简化了模型，又避免了压力补偿阀不工作时带来的能量损耗，减小了其对分析结果的影响[12-13]。

模型参数：液压泵额定转速为1 000 r/min，排量为50 mL/r；节流阀1、2、3的调定流量分别为11，8，5 L/min；调速阀额定压降为0.3 MPa；液压马达额定转速为1 000 r/min，额定转矩为1 000 N·m；溢流阀调定压力为7 MPa。

2.2 仿真结果分析

仿真时3个节流阀的通断分别由电磁换向阀控制：0～3 s，电磁换向阀1接收电信号，节流阀1导通；3～6 s，电磁换向阀2接收电信号，节流阀2导通；6 s之后，电磁换向阀3接收电信号，节流阀3导通。在Run模式下运行仿真模型，得到3个节流阀流量变化曲线和液压马达转速变化曲线，分别如图3和图4所示。

(a) 节流阀1

(b) 节流阀2

(c) 节流阀3

图3 节流阀流量变化曲线
Fig.3 Flow curves of throttle valves

图4 液压马达转速变化曲线
Fig.4 Speed curve of hydraulic motor

由图3可知，0～3 s时，采煤机向液压系统传递快速前进信号，节流阀1导通，达到设定流量值11 L/min，节流阀2、3截止，流量均为0；同理，在3～6 s和6 s之后这2个时间段，分别是节流阀2、3导通并达到设定流量值8 L/min和5 L/min。由图4可知，在三级调速控制下，液压马达分别实现了110，80，50 r/min三级转速变化；由转速变化曲线的趋势可知，节流阀控制较为灵敏，回路流量变化较为稳定；虽然在节流阀导通和截止瞬间管道流量存在轻微波动，但不影响整体控制效果，实现了液压马达三级调速功能[14]。

液压系统管道压力变化曲线如图5所示。在压力补偿阀的作用下，系统管道压力基本稳定在14 MPa，达到了较好的稳压、控压效果，体现了系统设计的优越性。

图5 液压系统管道压力变化曲线
Fig.5 Pipeline pressure change curve of hydraulic system

3 测试分析

为进一步验证矿用卷缆装置三级调速液压系统的可行性，搭建试验台进行测试，测试装置包括电动机、YB1-100液压泵、Q-F6D-P调速阀、BM2-250液压马达、速度传感器、力矩传感器。通过手动开关调速阀实现液压系统变速调节，利用速度传感器和力矩传感器检测液压马达转速和转矩，并将测试结果与仿真结果进行对比，结果如图6和图7所示。考虑实际应用中流量波动变化大，稳定时间长，将测试时间改为100 s。

图6 液压马达转速仿真和测试结果对比
Fig.6 Comparison of simulation and test results of speed of hydraulic motor

图7 液压马达转矩仿真和测试结果对比
Fig.7 Comparison of simulation and test results of torque of hydraulic motor

由图6和图7可知，虽然测试得到的转速和转矩数值偏大，仿真测得的转速和转矩偏小，但二者变化趋势基本吻合，且转速差值稳定在30 r/min，转矩差值稳定在30 N·m，三级调速效果较为明显，符合设计要求，验证了三级调速液压系统的可行性。

4 结论

(1) 针对卷缆装置电缆卷放速度与连续采煤机行进速度不能同步的问题，对卷缆装置液压系统进行优化设计，通过并联3个调速阀并改变每个调速阀开口大小来调节回路流量，实现了三级调速功能，保证了电缆卷放速度与采煤机行进速度的同步性。

(2) 节流阀与压力补偿阀组合设计降低了设计复杂性，提高了系统稳定性；通过AMESim建模仿真和测试分析验证了三级调速液压系统的可行性，为卷缆装置液压调速系统优化设计提供了理论依据。

(3) 由于仿真条件与实际工况存在一定差异，为提高重型连续采煤机卷缆装置三级调速液压系统的可行性和现场应用价值，下一步考虑进行现场试验验证，以提高卷缆装置的适应性及实用性。

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