液壓鑿巖機性能試驗臺液壓系統(tǒng)的設計*

林瑞波

（煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013）

0 前言

液壓鑿巖機在鐵路、交通、隧道建設、水電涵洞工程、煤礦與金屬礦山中應用廣泛，主要用于巷道掘進與放頂?shù)裙こ痰谋瓶?、探水探瓦斯孔、瓦斯抽放孔、注漿孔等煤巖孔鉆進以及井巷成孔鉆進。液壓鑿巖機主要由沖擊機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成，其中沖擊機構(gòu)實現(xiàn)沖擊破碎巖石，回轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)回轉(zhuǎn)切削巖石，這種鑿鉆孔方式大大提高了中硬巖層井巷施工效率。液壓鑿巖機沖擊性能、回轉(zhuǎn)性能以及兩者間的匹配關系是影響其在不同巖層中鑿鉆孔效率的關鍵因素。液壓鑿巖機性能試驗臺可實現(xiàn)對不同規(guī)格液壓鑿巖機沖擊性能、回轉(zhuǎn)性能、鉆進性能的測試，通過調(diào)節(jié)試驗臺液壓系統(tǒng)參數(shù)，可實現(xiàn)沖擊性能、回轉(zhuǎn)性能匹配關系的測試，從而得出其鉆進最佳工作參數(shù)。

1 試驗臺工作原理

試驗臺主要由運行臺架、受沖系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。運行臺架主要由被試件安裝平臺、升降機構(gòu)、左右平移機構(gòu)、前后推進機構(gòu)組成；受沖系統(tǒng)主要由受沖器、冷卻系統(tǒng)組成，回轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)主要由回轉(zhuǎn)引出裝置、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、磁粉制動器等組成。

試驗時，被試件安裝于運行臺架上，通過運行臺架中的左右平移缸、導向式升降缸、推進缸進行左右、上下、前后移動，使被試件通過釬桿與受沖系統(tǒng)對中，同時回轉(zhuǎn)性能通過回轉(zhuǎn)引出裝置與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器連接；受沖系統(tǒng)吸收被試件產(chǎn)生的沖擊能量，通過安裝于試驗臺架外的高速攝像儀采集被試件活塞位移、速度信號，進而計算出沖擊能；回轉(zhuǎn)性能通過磁粉制動器加載、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀采集信號測試轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。

圖1 試驗臺示意圖

2 液壓系統(tǒng)設計

為保證試驗臺的正常工作，設計了與之配套的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)實現(xiàn)對被試件的液壓動力輸出，同時實現(xiàn)對試驗臺輔助機構(gòu)的控制。試驗臺液壓系統(tǒng)主要由沖擊回路、回轉(zhuǎn)回路、輔助回路組成，其中沖擊回路負責給液壓鑿巖機沖擊機構(gòu)供油，回轉(zhuǎn)回路負責給液壓鑿巖機回轉(zhuǎn)機構(gòu)供油，輔助回路給試驗臺的調(diào)位機構(gòu)供油，以及給液壓鑿巖機測試過程中的受沖系統(tǒng)供油。

（1）沖擊、回轉(zhuǎn)回路

液壓系統(tǒng)沖擊回路、回轉(zhuǎn)回路選用功能相同的兩套回路，既能保證對外回轉(zhuǎn)式液壓鑿巖機的供油，又可以保證一定的互換性，方便維修。該液壓回路系統(tǒng)原理圖如圖2所示。在該系統(tǒng)中油泵選用A4V電控比例變量泵，油泵排量無級調(diào)節(jié)、與電磁鐵吸力成正比，即與電磁鐵控制電流信號（250～600mA）成正比，可以無級地按照程序控制泵的排量。A4V電控比例變量泵排量與電流關系曲線如圖3所示。該泵具有自吸性好、排量連續(xù)可變、允許連續(xù)工作壓力35 MPa等特點，能夠滿足目前所有規(guī)格液壓鑿巖機的動力需求。

圖2 沖擊回路液壓系統(tǒng)原理圖

圖3 A4V電控比例變量泵排量與電流關系曲線

該回路最大輸出壓力35MPa，最大輸出流量200L/min，通過電流信號控制油泵輸出流量，采用電控溢流閥調(diào)節(jié)回路壓力、液控單向閥控制回路通斷，可以根據(jù)被試液壓鑿巖機的需求提供供油壓力、流量、啟停設備等。

（2）輔助回路

輔助回路油泵選用恒功率負荷傳感變量泵，負荷傳感器是個流量控制閥，該閥工作時作為負載壓力的函數(shù)來調(diào)節(jié)泵的排量以使之與負載的需求相匹配，該回路液壓系統(tǒng)原理圖見圖4，其功率曲線見圖5。在低于功率曲線的整個范圍內(nèi)，泵的流量受裝在泵與負載之間的外部節(jié)流閥的影響，而不受負載壓力的影響。該閥比較節(jié)流孔前后的壓力并用節(jié)流孔壓降（壓差ΔP）把泵流量保持恒定。如果壓差增大，則泵輸出流量變小；如果壓差減小，則泵輸出流量變大，直到在閥中恢復平衡。恒功率控制和壓力切斷優(yōu)先于負荷傳感閥，即負荷傳感功能在低于設定功率曲線設定壓力時工作。該回路能夠根據(jù)調(diào)位油缸缸徑、速度的不同需求自動調(diào)節(jié)油泵排量，系統(tǒng)始終沒有多余流量，徹底消除系統(tǒng)溢流損失，自動化控制精度高，解決了原有回路通過手動控制精度低的缺點。

圖4 輔助回路液壓系統(tǒng)原理圖

圖5 沖擊回路液壓系統(tǒng)原理圖

該回路最大輸出壓力31.5 MPa，最大輸出流量60 L/min，流量可根據(jù)負載需要自動調(diào)節(jié)，能很好地用于不同流量需求的液壓回路。調(diào)位油缸的同步采用分流集流閥控制，既能保證油缸的同步精度要求，又能保證成本低廉；同時調(diào)位油缸采用液壓鎖鎖定，能很好的保證油缸調(diào)位后的穩(wěn)定性。

3 液壓系統(tǒng)特點

（1）自動化控制程度高

液壓系統(tǒng)中，液體的壓力、流量和方向均通過電磁閥控制，與電氣裝置配合，實現(xiàn)了液壓鑿巖機性能實驗臺的自動控制；并且輔助回路油泵選用恒功率負荷傳感變量泵，能夠根據(jù)調(diào)位油缸缸徑、速度的不同需求自動調(diào)節(jié)油泵排量；該液壓系統(tǒng)自動化控制精度高，解決了原有系統(tǒng)通過手動控制精度低的缺點。

（2）壓力流量無級可調(diào)

該液壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)選用4～20 mA電流控制的電磁溢流閥、流量調(diào)節(jié)選用電流信號（250～600 mA）控制的比例泵，能夠根據(jù)負載要求無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力、流量，控制精度高。

（3）降低發(fā)熱量、節(jié)約能源

輔助回路選用恒功率負荷傳感變量泵，能夠根據(jù)負載流量變化自動調(diào)節(jié)油泵排量，降低溢流閥的油液溢流量，進而降低液壓系統(tǒng)發(fā)熱量，有效節(jié)約能源，并且能夠保證輔助回路油缸等液壓元件的穩(wěn)定運行。

4 結(jié)語

液壓系統(tǒng)是液壓鑿巖機性能試驗臺的關鍵組成部分，既給被試液壓鑿巖機提供液壓動力，又給試驗臺調(diào)位機構(gòu)、受沖機構(gòu)提供輔助動力，從而保證液壓鑿巖機試驗的正常進行。該液壓系統(tǒng)采用電控比例控制技術，解決了原有試驗臺采用手動控制調(diào)位不準確、供油壓力和流量控制難的缺點，目前已應用于液壓鑿巖機試驗臺的制造、試驗，使用效果良好。

參考文獻：

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