EBZ160懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　， 　， 　(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng)　110168)

引言

懸臂式巷道掘進(jìn)機(jī)是一種集切割、行走、裝運(yùn)、噴霧滅塵于一體的綜合掘進(jìn)設(shè)備，因其生產(chǎn)效率高、掘進(jìn)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、調(diào)動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)而在井下機(jī)械化采煤作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]，且有向大功率、重型化發(fā)展的趨勢(shì)。這類掘進(jìn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)中，除截割頭旋轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，其余均為液壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)對(duì)提升整機(jī)工作性能具有關(guān)鍵性作用。

1　懸臂式掘進(jìn)機(jī)組成及工作過程

懸臂式掘進(jìn)機(jī)通常分為行走部和工作部，行走部由履帶行走機(jī)構(gòu)組成，工作部包括工裝機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)，如圖1所示。其中工裝機(jī)構(gòu)由截割和煤巖裝運(yùn)裝置組成，輔助機(jī)構(gòu)則指電氣和輔助裝置等。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作循環(huán)為：電機(jī)帶動(dòng)液壓泵驅(qū)動(dòng)行走馬達(dá)使履帶移動(dòng)，整機(jī)靠近煤巖工作面，截割頭在伸縮缸作用下鉆進(jìn)，伸縮缸推至最大行程時(shí)操縱回轉(zhuǎn)缸使截割頭擺動(dòng)進(jìn)行水平截割， 到最大擺動(dòng)角時(shí)升降缸驅(qū)動(dòng)截割頭沿垂直方向截割一定的高度，如此往復(fù)循環(huán)直到完成對(duì)巷道工作面的完整截割，截割下的煤炭經(jīng)裝運(yùn)機(jī)構(gòu)后送[2]。

1.截割機(jī)構(gòu)　2.行走機(jī)構(gòu)　3.電氣、輔助機(jī)構(gòu)　4.裝運(yùn)機(jī)構(gòu) 5.履帶　6.張緊裝置　7.行走架　8.馬達(dá)、行星減速器圖1　懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)組成

2　掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)功能分析

液壓系統(tǒng)的作用在于為主機(jī)各工作機(jī)構(gòu)的相關(guān)動(dòng)作提供動(dòng)力和控制保障，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要對(duì)主機(jī)主要功能的實(shí)現(xiàn)方式做出分析。

(1) 由于巷道底板狀況惡劣，掘進(jìn)機(jī)采用履帶底盤行走，這里選用高速馬達(dá)匹配行星減速器驅(qū)動(dòng)；

(2) 截割時(shí)，截割頭在工作面上確定截割位置后，需在鉆進(jìn)方向施加較大軸向力的同時(shí)分別沿水平和垂直方向依次截割，這里設(shè)置驅(qū)動(dòng)截割頭頂進(jìn)的伸縮油缸、控制截割方向的水平和垂直油缸；

(3) 裝運(yùn)機(jī)構(gòu)需要將截割落于鏟板上的煤炭渣粒通過2個(gè)弧形三齒星輪匯集，然后經(jīng)皮帶運(yùn)輸機(jī)后送，均為低速大扭矩馬達(dá)，分別驅(qū)動(dòng)三齒星輪、運(yùn)輸機(jī)；

(4) 截割頭鉆進(jìn)截割前，為保證整機(jī)穩(wěn)定需將鏟板和后支撐落地，兩個(gè)動(dòng)作均選用相應(yīng)油缸完成。

2.2　系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)整機(jī)負(fù)載大、執(zhí)行元件較多且相互間多有動(dòng)作復(fù)合，為有效減少功率損失，系統(tǒng)采用具有負(fù)載敏感特性的雙聯(lián)柱塞泵為動(dòng)力源，其中一聯(lián)用于行走和裝載機(jī)構(gòu)回路，另一聯(lián)則驅(qū)動(dòng)截割和輔助回路。綜合考慮各機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)EBZ160型懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)原理，如圖2所示。

1.變量泵　2.冷卻器　3.運(yùn)輸馬達(dá)　4.星輪馬達(dá)　5.行走馬達(dá)　6、12.溢流閥　7.制動(dòng)缸　8.梭閥　9.減壓閥 10、13.多路閥　11.液控閥　14.雙向平衡閥　15.鏟板缸　16.后支撐缸　17.伸縮缸　18.回轉(zhuǎn)缸　19.升降缸圖2　EBZ160懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)

1) 行走部液壓系統(tǒng)

變量泵1的左聯(lián)為2個(gè)行走馬達(dá)構(gòu)成的并聯(lián)回路提供壓力油，由多路閥10控制換向，變量泵提供的油液經(jīng)液控閥11流入多路閥，回路中的梭閥8用于感知壓力變化，并通過溢流閥6控制壓力。

2) 工作部液壓系統(tǒng)

(1) 截割頭工作油路變量泵1的右聯(lián)分別為伸縮缸17、回轉(zhuǎn)缸18和升降缸19供油，構(gòu)成三個(gè)并聯(lián)回路，由多路閥13控制，油液經(jīng)液控閥11流入多路閥，回路中配置安全型雙向平衡閥14以確保油缸工作時(shí)安全使用和可靠鎖緊；

(2) 裝運(yùn)機(jī)構(gòu)工作油路變量泵1的左聯(lián)為裝運(yùn)回路提供壓力油，其中裝運(yùn)機(jī)構(gòu)用2個(gè)星輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，煤渣落料經(jīng)2個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的第一運(yùn)輸機(jī)向后輸送，兩組馬達(dá)采用并聯(lián)回路由多路閥12控制，并通過溢流閥控制壓力。

3) 輔助液壓系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)用于行走機(jī)構(gòu)制動(dòng)、截割時(shí)的整機(jī)支撐裝置驅(qū)動(dòng)，其中制動(dòng)缸7與行走馬達(dá)5并聯(lián)，通過多路閥10控制在行走馬達(dá)動(dòng)作之前打開；鏟板缸15和后支撐缸16均由變量泵1的右聯(lián)提供壓力油，通過多路閥12控制換向，2個(gè)回路呈并聯(lián)且設(shè)置有平衡閥，防止油缸失控下滑。

3　掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

這里以行走機(jī)構(gòu)回路為例，進(jìn)行液壓系統(tǒng)主要元件參數(shù)的選擇計(jì)算。

3.1　行走機(jī)構(gòu)牽引力分析

行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎不與掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)、爬坡同時(shí)進(jìn)行，掘進(jìn)機(jī)原地轉(zhuǎn)彎時(shí)單邊履帶提供所需牽引力最大，依據(jù)表1給出的整機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算履帶最大行駛阻力如下[3]。

表1　掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)主要參數(shù)

(續(xù)表)

單側(cè)履帶阻力：

單側(cè)履帶轉(zhuǎn)向最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

Mr=T1×r=110×0.6=66 kN·m

式中：G為掘進(jìn)機(jī)整機(jī)重力，f為履帶底板滾動(dòng)摩擦系數(shù)，r為驅(qū)動(dòng)輪半徑，L為單側(cè)履帶板接地長(zhǎng)度，μ為履帶機(jī)構(gòu)與底板轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)，B為履帶板寬度，n為履帶縱向偏心距。

3.2　行走馬達(dá)匹配計(jì)算

最大負(fù)載工況為坡道上原地轉(zhuǎn)向，此時(shí)行走馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

式中：η1為履帶鏈傳動(dòng)效率，取0.92；η2為液壓系統(tǒng)容積效率，取0.95[4]，i為減速器速比。

取行走回路工作壓力21.5 MPa，則馬達(dá)排量應(yīng)滿足：

實(shí)際選用的行走馬達(dá)額定排量VM額=KVM，K是排量系數(shù)，一般在1.2～1.6[4]，這里取1.4。

據(jù)此選用A2FE160/61W-VZL100馬達(dá)，排量160 mL/r、額定壓力21.5 MPa、最高壓力30 MPa。

3.3　馬達(dá)選用驗(yàn)算

掘進(jìn)機(jī)履帶行走機(jī)構(gòu)提供的牽引力應(yīng)滿足掘進(jìn)機(jī)最大坡度工作要求。EBZ160掘進(jìn)機(jī)最大設(shè)計(jì)爬坡18°，在這種坡道上原地轉(zhuǎn)向時(shí)掘進(jìn)機(jī)單側(cè)履帶所需牽引力為：

式中，θ為設(shè)計(jì)爬坡坡度。

此時(shí)單側(cè)履帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

Mr2=T2×r=145×0.6=87 kN·m

則行走馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩需滿足：

=463 N·m

而選配的行走馬達(dá)可輸出轉(zhuǎn)矩：

=493 N·m

可知：Mmax>Mm2，所選馬達(dá)滿足輸出扭矩要求。

相關(guān)研究表明，最大負(fù)載工況在行走時(shí)發(fā)生，最大流量工況在截割、裝載和運(yùn)輸機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作時(shí)出現(xiàn)[5]，據(jù)此系統(tǒng)選用A11VO145LRDS/10R+A11VO 190LRDS/10R型雙聯(lián)負(fù)載敏感泵(限于篇幅計(jì)算過程略)，前泵排量為145 mL/r，后泵排量為190 mL/r，額定壓力21.5 MPa、最高壓力30 MPa。

由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1470 r/min，可得驅(qū)動(dòng)行走回路的前泵最大輸出流量qp=189 L/min。

單側(cè)馬達(dá)理論流量為：

液壓馬達(dá)輸出的最大轉(zhuǎn)速：

=562.5 r/min

可獲整機(jī)最大行走速度：

=9 m/min

所選馬達(dá)滿足最大行走速度υ=7 m/min要求。

3.4　系統(tǒng)其他主要元件選配

根據(jù)各機(jī)構(gòu)相應(yīng)執(zhí)行元件的負(fù)載和速度分析計(jì)算，可選配其它相關(guān)元件，對(duì)應(yīng)參數(shù)見表2、表3[6]。

4　結(jié)論

本研究所設(shè)計(jì)的EBZ160懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)已實(shí)際用于某廠掘進(jìn)機(jī)定型產(chǎn)品上，實(shí)際運(yùn)行表明系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)指標(biāo)，工作穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1) 采用負(fù)載敏感泵，通過回路中的梭閥引出最高負(fù)載壓力作用于變量泵控制機(jī)構(gòu)，控制泵的輸出流量與負(fù)載相匹配，有效保證了液壓系統(tǒng)效率；

表2　主要執(zhí)行元件參數(shù)

表3　主要控制元件參數(shù)

(2) 由一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩泵、兩聯(lián)集成控制閥控制不同機(jī)構(gòu)油路，可保證多機(jī)構(gòu)互不干擾地同時(shí)動(dòng)作；

(3) 泵閥集成度高、可靠性好、管路配置簡(jiǎn)潔緊湊，組裝和維護(hù)方便。

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