EBZ160掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)流量飽和現(xiàn)象的分析與改進(jìn)

席亞兵 蓋巍巍 陳 亮

（1.三一重型裝備有限公司；2.鐵法煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司大興煤礦）

EBZ160 掘進(jìn)機(jī)是煤巖、半煤巖巷道掘進(jìn)的主要機(jī)械設(shè)備，它是通過(guò)液壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。流量控制基于負(fù)載敏感變量泵+負(fù)載閥控制系統(tǒng)，負(fù)載敏感閥通過(guò)將壓差信號(hào)返回給泵變量機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)斜盤傾角調(diào)整，達(dá)到改變泵輸出流量和控制損耗最小化的目的，具有自適應(yīng)負(fù)載需求和節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。然而，部分操作司機(jī)反饋，此設(shè)備的液壓系統(tǒng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作緩慢無(wú)力的現(xiàn)象，特別在多動(dòng)作組合工作時(shí)，情況會(huì)更明顯。本研究就EBZ160 掘進(jìn)機(jī)在井下出現(xiàn)的上述問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算與分析，并提供解決方案。

1 液壓系統(tǒng)飽和現(xiàn)象簡(jiǎn)介

掘進(jìn)機(jī)的液壓系統(tǒng)主要是由負(fù)載敏感閥和負(fù)載敏感泵相互配合使用，來(lái)保證功率合理的輸出。當(dāng)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作時(shí)，為使變量泵的輸出壓力足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載較高的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)梭閥網(wǎng)絡(luò)將最高負(fù)載壓力反饋至泵，此時(shí)，泵只能在負(fù)載壓力較高的回路里保持流量匹配特性。為了使系統(tǒng)正常工作，通過(guò)在閥中各回路里設(shè)置壓力補(bǔ)償閥，以保證各執(zhí)行結(jié)構(gòu)均具有流量匹配［1］。當(dāng)主泵輸出的流量小于或等于執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的流量時(shí)，即流量飽和。根據(jù)選擇主閥的品牌不同，負(fù)載敏感閥會(huì)有閥前補(bǔ)償和閥后補(bǔ)償?shù)膮^(qū)分，二者區(qū)別如下。

（1）閥前補(bǔ)償。流量飽和時(shí)，即通過(guò)所有節(jié)流口的所需流量大于主泵提供的最大流量，高負(fù)載側(cè)節(jié)流口兩端壓差下降，達(dá)不到補(bǔ)償閥的設(shè)定壓力，補(bǔ)償閥的壓差調(diào)節(jié)失效。隨著各個(gè)閥口開(kāi)度的增加，流量會(huì)流向低壓力負(fù)載側(cè)。

（2）閥后補(bǔ)償。當(dāng)流量飽和度開(kāi)始增加時(shí)，泵的出口壓力開(kāi)始逐漸減小，各節(jié)流口兩端的壓力差隨之減小并始終保持一致，系統(tǒng)會(huì)按照閥口開(kāi)度的比例將流量分配給各個(gè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)，而不是流向低負(fù)載［2-3］。

2 液壓系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)EBZ160 懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)型的基本配置，通過(guò)查找技術(shù)參數(shù)和樣本，匯總參數(shù)如下。

（1）油泵電機(jī)功率P功率=90 kW，主泵型號(hào)為A11VO145LRDS+A11VO145LRDS 雙聯(lián)柱塞泵，單泵排量V1=145 ml/r。

（2）鏟板部采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)排量q2=1 400 ml/r，轉(zhuǎn)速n2=33 r/min。

（3）第一運(yùn)輸機(jī)采用的是IAM600 雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)排量q3=600 ml/r，鏈速V3=61 m/min。

（4）行走部采用減速機(jī)總成GT80T+A2FE125 行走馬達(dá)的配置，驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑D4=668.57 mm，行走減速機(jī)總成速比i=185.1，馬達(dá)排量q4=125 ml/r；根據(jù)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)參數(shù)要求，行走速度V4=6.5 m/min。

（5）截割頭升降油缸參數(shù)：油缸內(nèi)徑D5=180 mm，油桿直徑d5=110 mm，油缸行程H5=552 mm，一個(gè)循環(huán)所需要的時(shí)間t5=22 s。

（6）截割頭回轉(zhuǎn)油缸參數(shù)：油缸內(nèi)徑D6=160 mm，油桿直徑d6=100 mm，油缸行程H6=746 mm，一個(gè)循環(huán)所需要的時(shí)間t6=22 s。

（7）截割頭伸縮油缸參數(shù)：油缸內(nèi)徑D7=100 mm，油桿直徑d7=63 mm，油缸行程H7=550 mm，一個(gè)循環(huán)所需要的時(shí)間t7=16 s。

3 液壓系統(tǒng)的流量統(tǒng)計(jì)

EBZ160 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的液壓系統(tǒng)為負(fù)載敏感、壓力切斷、恒功率控制。根據(jù)液壓計(jì)算公式，結(jié)合上述掘進(jìn)機(jī)的參數(shù)，通過(guò)計(jì)算可以得到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的流量如表1所示。

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4 流量飽和計(jì)算與分析

4.1 流量飽和情況分析

由于EBZ160 掘進(jìn)機(jī)一般應(yīng)用在煤巖和半煤巖的巷道中，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)正常工作時(shí)，液壓系統(tǒng)一般維持在中壓負(fù)荷區(qū)，即液壓系統(tǒng)壓力維持在15 MPa～20 MPa。為了節(jié)約系統(tǒng)能源，主泵采用恒功率控制方式，根據(jù)表1 可知，液壓泵的輸出流量Q1維持在270～360 L/min。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)正常工作和井下司機(jī)操作設(shè)備時(shí)的習(xí)慣，主要有以下幾種情況：

（1）正常掘進(jìn)工作，即只收料和運(yùn)料，行走部不參與動(dòng)作。所需流量Q總需求=Q2+Q3+Q5+Q6+Q7=353.8 L/min。當(dāng)煤巖或半煤巖的硬度不是很高，且相對(duì)均勻時(shí)，負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定，液壓系統(tǒng)可以保持在15 MPa左右就可以驅(qū)動(dòng)設(shè)備的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此流量基本滿足Q1≥Q總需求的要求。但是事實(shí)上，井下煤層分布多變，總會(huì)有局部區(qū)域硬度很高，這樣就會(huì)迫使液壓系統(tǒng)瞬間壓力達(dá)到20 MPa 左右，由于主泵采用恒功率控制，功率保持常數(shù)，因此輸出流量Q1會(huì)隨著系統(tǒng)壓力升高而減小，短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)Q1≤Q總需求，即流量飽和現(xiàn)象發(fā)生。

（2）部分司機(jī)在操作掘進(jìn)機(jī)時(shí)，用驅(qū)動(dòng)行走馬達(dá)前進(jìn)的方式來(lái)提供額外的推力，此時(shí)所需要的流量Q總需求=Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7=353.8～504.6 L/min。由于行走馬達(dá)的參與，流量需求會(huì)迅速增大，會(huì)一直出現(xiàn)Q1≤Q總需求的現(xiàn)象，設(shè)備處于流量需求最大狀態(tài)，即流量飽和。

（3）掘進(jìn)機(jī)不掘進(jìn)，僅清底出貨時(shí)，需要借助行走來(lái)前后移動(dòng)設(shè)備，此時(shí)所需要的流量Q總需求=Q2+Q3+Q4=208～358.5 L/min。行走部驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)向前移動(dòng)使鏟板收貨，當(dāng)前進(jìn)阻力變大到達(dá)液壓系統(tǒng)的切斷壓力25 MPa 時(shí)，主泵的流量就會(huì)逐漸減小到高壓小流量的216 L/min，甚至主泵輸出的流量?jī)H能維持系統(tǒng)的內(nèi)泄。在這個(gè)過(guò)程中，同樣也會(huì)不時(shí)出現(xiàn)Q1≤Q總需求的現(xiàn)象。

綜上所述：無(wú)論出現(xiàn)哪一種情況，都會(huì)有流量飽和現(xiàn)象的發(fā)生，主閥的壓力補(bǔ)償器就會(huì)間歇的喪失功能。此時(shí)泵輸出的流量Q1要么流向低壓力負(fù)載區(qū)，要么按開(kāi)度成比列的分配給各閥。最終反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上就會(huì)出現(xiàn)行走無(wú)力、各油缸伸縮緩慢等情況[4-5]。

4.2 解決方案

4.2.1 規(guī)范操作方式

司機(jī)的操作習(xí)慣能在很大程度上影響流量飽和情況的出現(xiàn)。掘進(jìn)機(jī)的操作方法：首先啟動(dòng)油泵電機(jī)，打開(kāi)噴霧裝置，并開(kāi)動(dòng)第一運(yùn)輸機(jī)與鏟板部，將截割部處于對(duì)中、水平位置。啟動(dòng)截割電機(jī)，開(kāi)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)，靠掘進(jìn)機(jī)行走使截割頭逐漸插入巖石掏槽，插入深度根據(jù)實(shí)際情況確定。一般情況，當(dāng)截割硬度較?。╢≤6）的煤壁或巖石時(shí)，采用左右循環(huán)向上的截割方法。當(dāng)截割巖石硬度不同時(shí)，先選擇較軟的巖石進(jìn)行鉆進(jìn)，然后采用由下而上、左右截割的方法進(jìn)行截割。截割出初步斷面形狀后，與實(shí)際所需的形狀和尺寸可能存在一定差別，此時(shí)可進(jìn)行二次修整。按照以上操作原則，在掘進(jìn)時(shí)就會(huì)很大程度上減少流量飽和現(xiàn)象。在清底出貨時(shí)，即使行走馬達(dá)參與其中，也只是短暫出現(xiàn)流量飽和，處于可接受范圍之內(nèi)。

4.2.2 設(shè)備改進(jìn)

發(fā)生流量飽和現(xiàn)象主要來(lái)自2個(gè)原因：一是負(fù)載突然變大，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力急劇升高，而使泵輸出的流量變小而造成的；二是有大流量的行走馬達(dá)參與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而主泵流量不夠而產(chǎn)生。

因此為了從根本上解決問(wèn)題，將EBZ160 掘進(jìn)機(jī)的串泵排量由145+145 MPa 提升為190+145 MPa，同時(shí)為了提高主泵的輸出功率，油泵電機(jī)由90 kW 提升到110 kW。此增容方案的主泵輸出流量如表2 所示。

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根據(jù)表2的中結(jié)果，對(duì)比上述流量飽和現(xiàn)象發(fā)生時(shí)所需主泵的流量，可以發(fā)現(xiàn)增容方案配置的EBZ160 懸臂式掘進(jìn)機(jī)能夠滿足要求，同時(shí)經(jīng)過(guò)市場(chǎng)驗(yàn)證，流量飽和情況幾乎不再發(fā)生。

5 結(jié) 語(yǔ)

EBZ160懸臂式掘進(jìn)機(jī)流量飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生主要來(lái)自于兩種情況，一是當(dāng)掘進(jìn)機(jī)負(fù)載突然增大，二是行走馬達(dá)參與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)主泵流量不夠而發(fā)生掘進(jìn)機(jī)流量飽和現(xiàn)象。將掘進(jìn)機(jī)主泵輸出功率提升之后，此情況得到極大改善，設(shè)備運(yùn)行正常。