閆福明

S100A掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

閆福明①

(山西焦煤集團(tuán)公司西山機(jī)電總廠(chǎng))

針對(duì)S100A掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)在運(yùn)行中存在的不足,利用數(shù)值圖示優(yōu)化法對(duì)掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提高了掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的工作能力,滿(mǎn)足了煤礦掘進(jìn)生產(chǎn)的需求。

掘進(jìn)機(jī);液壓系統(tǒng);平衡閥;優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 S100A掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)存在的問(wèn)題

S100A掘進(jìn)機(jī)是佳木斯煤機(jī)廠(chǎng)在S100A掘進(jìn)機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)生產(chǎn)的,適合于煤巷或半煤巖巷掘進(jìn)生產(chǎn),其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,適應(yīng)性好,工作可靠,操作簡(jiǎn)單等。在使用過(guò)程中,存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1)裝載、運(yùn)輸能力不足,效率低,以及裝載、運(yùn)輸系統(tǒng)與截割系統(tǒng)不協(xié)調(diào)。

2)在調(diào)定壓力范圍下,操縱截割機(jī)構(gòu)升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸時(shí),動(dòng)作緩慢。

3)在掘進(jìn)時(shí),大都需要支撐油缸把機(jī)身穩(wěn)住,履帶不能隨意開(kāi)動(dòng)。由于煤層物理性質(zhì)的突變,截割滾筒突然卸載都會(huì)造成作用于系統(tǒng)的外載荷突變,又因以液壓系統(tǒng)為主要功率傳遞方式的機(jī)械設(shè)備,沖擊載荷將導(dǎo)致油缸載荷的突變,使液壓系統(tǒng)承受?chē)?yán)重的沖擊和振動(dòng),從而造成系統(tǒng)工作壓力和運(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)定,將直接導(dǎo)致后支撐油缸緩慢自降,嚴(yán)重時(shí)直接造成油缸等執(zhí)行元件的破壞。

針對(duì)以上掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)行中存在的不足,分析其原因,是掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)不合理,在該機(jī)型返廠(chǎng)大修時(shí),對(duì)其液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。S100A掘進(jìn)機(jī)液壓組成示意圖見(jiàn)圖1。

2 優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化內(nèi)容

1)液壓動(dòng)力源的調(diào)整。通過(guò)對(duì)其液壓系統(tǒng)動(dòng)力源的調(diào)整,改變輸入裝載、運(yùn)輸系統(tǒng)、油缸回路的流量和排量,獲得驅(qū)動(dòng)馬達(dá)輸出功率的增大和轉(zhuǎn)速的提高,以及油缸的快速動(dòng)作。

2)裝載液壓系統(tǒng)。裝載機(jī)構(gòu)仍采用星輪裝載機(jī)構(gòu)、液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)。通過(guò)調(diào)整液壓泵輸出的流量和排量,提高低速大扭矩液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,達(dá)到提高快速裝載貨物的能力。

3)刮板輸送機(jī)(運(yùn)輸液壓系統(tǒng))。刮板輸送機(jī)仍采用單臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。由于調(diào)整液壓泵的輸出流量和排量,使驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的輸出功率和轉(zhuǎn)速得到了提高,從而提高了刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸效率。

圖1 S100A掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)示意圖

4)油缸液壓系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)整液壓泵供給油缸液壓回路的流量和排量,提高油缸快速反應(yīng)能力,并且在后支承油缸液壓回路中增加一個(gè)平衡閥,起到保護(hù)后支承油缸和穩(wěn)壓作用。

2.2 優(yōu)化的技術(shù)理論依據(jù)

1)液壓系統(tǒng)總排量和流量的確定。根據(jù)該機(jī)的液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為45 k W,其安全裕度系數(shù)達(dá)到1.78～1.86。

式中：

Pn—液壓泵的額定壓力,MPa;

Qn—液壓泵的額定流量,m3/s;

np—液壓泵的總效率,取0.6～0.9。

通過(guò)計(jì)算,液壓泵的總排量不應(yīng)超過(guò)240 mL/r,因此,不能利用增加原有液壓泵的流量和排量來(lái)提高液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和輸出功率。

2)基于上述原因,在不改變?cè)幸簤罕昧髁亢团爬淼那闆r下,分別對(duì)裝載、運(yùn)輸系統(tǒng)、油缸液壓回路的動(dòng)力源重新調(diào)整分配,達(dá)到提高馬達(dá)的轉(zhuǎn)速,輸出功率以及油缸快速動(dòng)作的目的。

a)液壓泵的理論流量(Qt)

式中：

n—驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸的平均轉(zhuǎn)速,r/min;

q—液壓泵的幾何排量,cm3/r。

b)液壓馬達(dá)的實(shí)際輸出扭矩。

式中：

P1、P2—液壓馬達(dá)入口和出口壓力,MPa;

nm—液壓馬達(dá)的機(jī)械效率,取0.9～0.95;

c)液壓馬達(dá)的輸出功率：轉(zhuǎn)速。

式中：

nm—液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速,r/min;

Q入—實(shí)際輸入液壓馬達(dá)的流量,mL/min;

q—液壓馬達(dá)的排量,mL/min;

nV—液壓馬達(dá)的容積效率,nV=0.9～0.95。

d)液壓缸的推力和速度

式中：

A—液壓缸有效工作面積,mm2;

F—液壓缸的推力,N;

V—活塞(或缸體)的運(yùn)動(dòng)速度,m/s;

△P—進(jìn)液腔與回液腔的壓力差,MPa;

Q—進(jìn)入液壓缸的流量,mL/min;

D—液壓缸內(nèi)徑,mm;

d—活塞桿的直徑,mm。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

優(yōu)化是指通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)的變量值,在原液壓系統(tǒng)中優(yōu)化,使得變量在允許的范圍內(nèi)更符合使用要求。優(yōu)化的方法很多,如數(shù)值比較法、列表法、圖示法、數(shù)值圖示法等,采用哪種優(yōu)化方法,還要看優(yōu)化的對(duì)象。本文根據(jù)實(shí)際情況選用數(shù)值圖示法,進(jìn)行優(yōu)化,原掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)使用2臺(tái)齒輪泵型號(hào)為：CBZ2050/042/32,CBZ2050/32,供液情況見(jiàn)圖2。

圖2 供液情況示意圖

由于井下有獨(dú)立的供水系統(tǒng),因此噴霧系統(tǒng)閉置,所以(a)圖示變成(c)圖示,又因(b)(c)在實(shí)際中不能滿(mǎn)足使用要求,經(jīng)過(guò)計(jì)算和多次試驗(yàn),決定選用2臺(tái)CBZ2063/040型二聯(lián)泵作為裝載、運(yùn)輸、行走、油缸液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源,演示圖見(jiàn)圖3。

1)裝載液壓系統(tǒng)、運(yùn)輸液壓系統(tǒng)。從圖3可以看出,通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)變量值,使得原液壓系統(tǒng)的裝、運(yùn)功能達(dá)到優(yōu)化最大,效率有了明顯的提高。

2)行走液壓系統(tǒng)、油缸液壓系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)。

從圖4中看出,掘進(jìn)機(jī)行走速度較原設(shè)計(jì)優(yōu)化提高了12%,油缸動(dòng)作時(shí)間較原設(shè)計(jì)提高了25～28%,若再提高二聯(lián)泵的供液量,根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算,超過(guò)泵電機(jī)允許最大負(fù)載,不經(jīng)濟(jì)、不安全,而選用的2臺(tái)二聯(lián)泵CBZ2063/040,經(jīng)計(jì)算,正好在電機(jī)允許最大范圍內(nèi),最經(jīng)濟(jì),說(shuō)明優(yōu)化調(diào)整是正確的。

圖5 后支承油缸液壓系統(tǒng)原理示意圖

3)在后支承油缸液壓系統(tǒng)增加平衡閥,即能彌補(bǔ)原設(shè)計(jì)的不足,又能使原液壓系統(tǒng)在效率上發(fā)揮到最佳,其原理示意圖見(jiàn)圖5。

平衡閥的功能：利用其反向截止作用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩管路的封閉,保證執(zhí)行元件在雙向負(fù)載作用下都能停留在所需位置,不致發(fā)生緩慢移動(dòng),這樣解決了因外界負(fù)載的突變使得后支承油缸回路壓力不穩(wěn)、緩慢自降的缺陷,起到保護(hù)后支承油缸和穩(wěn)壓作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用數(shù)值圖示法優(yōu)化設(shè)計(jì)后,不僅解決了原液壓系統(tǒng)在運(yùn)行中存在的不足,而且提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量,使原液壓系統(tǒng)總體布局更加合理,使整機(jī)各部件運(yùn)行更協(xié)調(diào),為掘進(jìn)機(jī)在半煤巖巷的快速掘進(jìn)提供了有力的保障。

Optimization Design on Hydranlic System of S100A Mechanial Boring Machine

Yan Fu-ming

In view of the insufficiency of hydraulic system of S100A of mechanical boring machine in the operation,carries on the optimzation design by using the value graphical representation optimization law to the mechanical boring machine hydranlic system,raises the mechanical boring machine hydranlic system’s working ability,meets the need of coal mine tunnelling work.

Mechanical boring machine;Hydraulic system;Balancing valve;Optimization design

TD421.5

B

1672-0652(2010)01-0007-03

閆福明 男 1969年出生 1992年畢業(yè)于大同煤校 工程師 太原 030053

2009-11-24