礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)優(yōu)化探析

潘洪偉

（潞安集團(tuán)漳村煤礦， 山西 長治 046000）

引言

目前，使用最廣泛的懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的電機(jī)功率大多處于100 kW以上，額定流量處于400 L/min以上，而郵箱的容量僅僅為幾百升。油箱的殼體有著較大的厚度，并且大多處于主機(jī)的內(nèi)部，對其散熱造成了阻礙。除非工作現(xiàn)場有著較為理想的冷卻水流量及溫度，否則將會(huì)導(dǎo)致液壓油出現(xiàn)較高的溫度。在實(shí)際工作中操作人員監(jiān)控不當(dāng)，油溫超出70℃后掘進(jìn)機(jī)依舊處于長時(shí)間的運(yùn)行狀態(tài)，因此，依據(jù)回路設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定的層面出發(fā)來增強(qiáng)液壓系統(tǒng)的效率，避免功率的損耗，減少油溫的上升，從而使系統(tǒng)運(yùn)行具備較高的可靠性。

1 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)構(gòu)成及原理

1.1 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1）采取高速柱塞馬達(dá)與減速器相結(jié)合的方案來設(shè)計(jì)行走馬達(dá)，與BVD平衡閥相配合[1]；

2）采取低速大扭矩的馬達(dá)來設(shè)計(jì)為裝載及運(yùn)輸馬達(dá)，需要確保充足的裝運(yùn)速率，其對流量的需求也過大；

3）鏟板液壓缸及后支撐液壓缸分別驅(qū)動(dòng)鏟板部和后支撐部的升降，從而帶動(dòng)掘進(jìn)機(jī)升降，存在較高的工作壓力；

4）升降及回轉(zhuǎn)兩個(gè)液壓缸分別帶動(dòng)截割部在垂直及水平兩個(gè)方向上進(jìn)行擺動(dòng)并提供相應(yīng)的動(dòng)力；

5）推進(jìn)液壓缸驅(qū)動(dòng)懸臂伸縮。掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)一般會(huì)設(shè)置兩套回路，分別為行走及裝運(yùn)，其主要是由一臺(tái)液壓泵與一套多路閥相結(jié)合來帶動(dòng)多個(gè)執(zhí)行單元。行走回路的執(zhí)行單元主要包含了行走馬達(dá)。裝運(yùn)回路的執(zhí)行單元主要包含了裝載及運(yùn)輸兩種馬達(dá)。液壓缸分別安裝在行走及裝運(yùn)兩個(gè)回路中，其組合存在較多個(gè)方案。

1.2 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)原理

目前，掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的原理詳見圖1。采用變量柱塞泵。為了使機(jī)體及截割單元可以穩(wěn)定運(yùn)行，液壓缸都需要安裝平衡閥。多路閥通常要采取前置定壓差閥。

圖1 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)原理示意圖

2 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)測試方法

由于使用了負(fù)載敏感變量泵，不存在多余的輸出流量，對回路效率產(chǎn)生影響的因素主要為壓力損耗。通過配置在管路之中的串聯(lián)測壓點(diǎn)，采取壓力傳感器及相應(yīng)的采集系統(tǒng)來對掘進(jìn)機(jī)在各個(gè)運(yùn)行狀況下的壓力進(jìn)行測試。主要測壓點(diǎn)有液壓泵的出油口及工作油口，多路閥的進(jìn)油口及工作油口，執(zhí)行單元的進(jìn)/出油口，平衡閥組的進(jìn)/出油口。

3 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)效率影響因素分析及優(yōu)化

3.1 變量泵的負(fù)載敏感閥壓力

變量泵的負(fù)載敏感閥壓力△Pp如果較低，將會(huì)導(dǎo)致多路閥的定壓差閥節(jié)流口達(dá)到最大值，也無法為流量感應(yīng)口提供充足的壓力差，進(jìn)而缺少了輸出流量；如果該數(shù)值較高，則功率將會(huì)出現(xiàn)過大的損耗。其計(jì)算過程詳見式（1）

式中：△Pv為多路閥需要的最低工作壓差；△PL為泵出口到多路閥進(jìn)口壓力損失。

變量泵的負(fù)載敏感閥應(yīng)當(dāng)依據(jù)式子（1）來設(shè)定壓力，并存有相應(yīng)的余量。一般情況下，在變量泵運(yùn)行的過程中，負(fù)載敏感閥的設(shè)定壓力應(yīng)當(dāng)維持恒定。但是在實(shí)際運(yùn)行的時(shí)候存在較多的因素，并且各個(gè)型號的變量泵的穩(wěn)定性存在較多的差異。各個(gè)品牌及型號的多路閥所需要的最低工作壓差△Pv也存在差異[2]。

圖2和圖3所表示的是某個(gè)掘進(jìn)機(jī)所采用的變量泵及多路閥的檢測曲線。根據(jù)圖2可知，在待機(jī)及對輸出壓力、流量進(jìn)行調(diào)整的過程中，泵的負(fù)載敏感閥壓力設(shè)定為2.6～2.8 MPa之間。根據(jù)圖3可知，當(dāng)壓力差大于1.5 MPa之后，流量基本保持穩(wěn)定。

圖2 柱塞變量泵負(fù)載敏感閥壓差曲線

圖3 多路閥壓差-輸出流量曲線

3.2 工作回路

負(fù)載敏感單泵將會(huì)促使多個(gè)執(zhí)行單元同時(shí)運(yùn)行，泵口的壓力常常由具備最高負(fù)載壓力的執(zhí)行單元所決定，而不具備較高負(fù)載的回路則要依靠多部路閥中存在的定壓差閥來損耗其中多余的壓力。若各個(gè)執(zhí)行單元的負(fù)載壓力存在較大的差別，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的效率不斷降低。例如：負(fù)載壓力較低、裝運(yùn)馬達(dá)存在較大的流量等，目前所使用的大多處于十幾兆帕。而鏟板及后支撐液壓缸的流量過小、負(fù)載壓力過高。鏟板液壓缸在帶動(dòng)主機(jī)進(jìn)行升降的過程中，無桿腔保持20 MPa以上的壓力。如果鏟板液壓缸、裝運(yùn)馬達(dá)同時(shí)運(yùn)行，經(jīng)過式子（2）進(jìn)行計(jì)算可知，將會(huì)損耗15 kW的功率。此時(shí)需要對工作回路的組合加以調(diào)整，避免一臺(tái)泵驅(qū)動(dòng)負(fù)載壓力存在較多差別的回路同步運(yùn)行。一部分機(jī)型已經(jīng)應(yīng)用于裝運(yùn)馬達(dá)之中，無法與液壓缸同用。

3.3 平衡閥壓力

平衡閥主要具備三種功能，分別為單向、節(jié)流和溢流，可以使液壓缸活塞桿保持可靠的位置，及處于多變負(fù)載條件下也可以穩(wěn)定運(yùn)行。掘進(jìn)機(jī)中的液壓缸控制體系中均采用了平衡閥。其設(shè)定壓力一般為最大負(fù)載的1.3倍[3]。為了對備件進(jìn)行更好地生產(chǎn)及管理，掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)商常常將各個(gè)液壓缸的平衡閥設(shè)定為統(tǒng)一的規(guī)格及參數(shù)，選擇最高的負(fù)載為依據(jù)來設(shè)定所有平衡閥的壓力。這樣將會(huì)使負(fù)載較低的液壓缸回路在平衡閥中損耗較多的壓力。

圖4 鏟板液壓缸伸縮過程中無桿腔壓力曲線

圖5 推進(jìn)液壓缸動(dòng)作過程中無桿腔壓力曲線

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)可知，掘進(jìn)機(jī)的各個(gè)液壓缸中，鏟板液壓缸有著最大的無桿腔負(fù)載。根據(jù)圖4可知，其數(shù)值最大可實(shí)現(xiàn)25 MPa，那么平衡閥的壓力將會(huì)設(shè)定為30 MPa。推進(jìn)液壓缸的活塞桿從全縮回轉(zhuǎn)變?yōu)槿斐?，再轉(zhuǎn)變?yōu)槿s回，在該過程中無桿腔的壓力變化詳見圖5。在伸出活塞桿之后，無桿腔的壓力及面積分別為8 MPa和255 cm2，由于有桿腔存在較大的背壓，此時(shí)僅僅有30 kN的輸出力。根據(jù)運(yùn)行的實(shí)際需求來適當(dāng)調(diào)整推進(jìn)液壓缸中平衡閥的壓力，無桿腔的壓力降低為1.5 MPa，流量保持80 L/min。通過式子（2）進(jìn)行計(jì)算得出，功率損耗降低2 kW與此相似，回轉(zhuǎn)及升降液壓缸的平衡閥壓力也會(huì)得到一定的降低。

4 結(jié)語

1）液壓系統(tǒng)大多設(shè)置了具備負(fù)載敏感性能的變量泵，但是如果參數(shù)及回路無法得到合理的設(shè)定，其節(jié)能效果也受到較大的影響；

2）通過運(yùn)用傳感器及數(shù)據(jù)采集體系來檢測液壓系統(tǒng)，并深入分析相應(yīng)的曲線，是對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的有效渠道；

3）經(jīng)過大量實(shí)踐顯示，掘進(jìn)機(jī)的液壓系統(tǒng)在經(jīng)過改進(jìn)之后，油溫上升的狀況得到了極大改善。