詹廣強 王俊峰 康熙

摘要：掘進機的工作運行與液壓技術(shù)緊密相關(guān)，二者相互促進。掘進機采用液壓系統(tǒng)具有許多突出的優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)簡單、控制簡單、操作簡便省力、易于實現(xiàn)自動化、體積小、調(diào)速性能好、過載保護性能好等。因此研究掘進機及其液壓系統(tǒng)具有重要的意義。本文關(guān)于掘進機液壓系統(tǒng)的設(shè)計主要針對液壓系統(tǒng)的回路、元件、工作原理等進行了詳細(xì)的分析、選型和研究。

關(guān)鍵詞：掘進機；液壓系統(tǒng)；元件選用1掘進機液壓系統(tǒng)回路循環(huán)方式選擇

回路的循環(huán)方式有開式和閉式兩種。

掘進機的工作條件是煤塵和巖粉多，通風(fēng)條件差，機器的體積受工作面空間的嚴(yán)格限制。根據(jù)循環(huán)方式的特點，如選用開式系統(tǒng)，要考慮機器的體積，若采用閉式系統(tǒng)，應(yīng)考慮散熱條件。由于掘進機液壓系統(tǒng)多為泵——缸系統(tǒng)，泵——缸和泵——馬達(dá)組成的混合系統(tǒng)，油泵向二個以上執(zhí)行元件供液的組成式系統(tǒng)，所以掘進機的液壓系統(tǒng)設(shè)計成開式系統(tǒng)[1]。

2掘進機液壓系統(tǒng)的基本組成

按照掘進機工作裝置和各個機構(gòu)的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機地連接起來就組成一個掘進機液壓系統(tǒng)。它是以油液為工作介質(zhì)、利用液壓泵將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，進而實現(xiàn)掘進機的各種動作。掘進機除了截割頭的旋轉(zhuǎn)運動外，其余各部分的動作均采用液壓傳動。掘進機的液壓系統(tǒng)可分為以下四部分：行走部分、輸送部分、裝載部分及工作部分。是由電動機驅(qū)動齒輪泵分別向回路供壓力油，從而組成了四個獨立的開式系統(tǒng)。

按照掘進機工作裝置和各個機構(gòu)的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機地連接起來就組成一個掘進機液壓系統(tǒng)。它是以油液為工作介質(zhì)、利用液壓泵將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，進而實現(xiàn)掘進機的各種動作。按照不同的功能可將挖掘機液壓系統(tǒng)分為幾個基本部分：油缸回路、行走回路、裝載回路、運輸回路。擬訂如下：

2.1 油缸回路

油缸回路為了實現(xiàn)油缸伸縮，采用齒輪泵的供油，包括工作機構(gòu)升降油缸、工作機構(gòu)回轉(zhuǎn)油缸、工作機構(gòu)伸縮油缸、鏟板升降油缸和鏟板支撐油缸供壓力油，并由這5組油缸來完成掘進機所需要的各種動作，為防止截割頭鏟板下降過速，使其運動平穩(wěn)，為使截割頭支承油缸能在任何位置上定位，不致因換向閥的漏損而改變其位置或因油管破裂造成事故，故在截割升降回路中有單向節(jié)流閥和液控單向閥，在鏟板升降回路和支撐回路裝有平衡閥以避免爆管事故的發(fā)生。限制系統(tǒng)的最大壓力，使系統(tǒng)和元件不因過載而損壞，通常用安全閥來實現(xiàn)，安全閥設(shè)置在主油泵出油口附近，因此溢流閥是常開的。更合適油缸工作。液壓掘進機執(zhí)行元件的進油和回油路上常有限壓閥，限制液壓缸、液壓馬達(dá)在閉鎖狀態(tài)下的最大閉鎖壓力，超過此壓力時限壓閥打開、卸載保護了液壓元件和管路免受損壞，這種限壓閥實際上起了卸荷閥的作用。

雙作用單桿液壓缸和換向閥等原件組成，可以使液壓缸實現(xiàn)差動連接的一種速度控制回路。同時選擇差動回路比較簡單，應(yīng)用廣。

2.2 行走回路

行走回路的完成主要是由齒輪泵向液壓馬達(dá)供油，驅(qū)動機器左右行走，需要快速行走時，兩個齒輪泵輸出的油液可以使用手動換向閥的動作來控制行走馬達(dá)正反轉(zhuǎn)。防滑制動可以由行走減速器上的摩擦片制動，制動油缸的油液直接由泵的輸出油液控制，制動安全可靠。行走裝置的作用是支撐掘進機的整機質(zhì)量并完成行走任務(wù)，采用履帶式。

2.3 裝載回路

裝載裝置的功能是將物料運到運輸裝置，裝載回路由齒輪泵通過一個閥式集分流器分別向2個液壓馬達(dá)供油，由溢流閥調(diào)定。可以把齒輪泵輸出的油液經(jīng)一個手動換向閥的動作，來控制馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)。利用節(jié)流閥的可變通流截面改變流量而實現(xiàn)調(diào)速的目的，通常用于定量系統(tǒng)中改變執(zhí)行元件的流量。這種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡單，能夠獲得穩(wěn)定的低速。根據(jù)節(jié)流閥的安裝位置，節(jié)流調(diào)速有進油節(jié)流調(diào)速和回油節(jié)流調(diào)速兩種。

裝載機構(gòu)為進油節(jié)流調(diào)速，節(jié)流閥安裝在高壓油路上，液壓泵經(jīng)換向閥與節(jié)流閥串聯(lián)，壓力油經(jīng)節(jié)流閥和換向閥進入馬達(dá)。

這種節(jié)流方式由于節(jié)流后進入執(zhí)行元件的油溫較高，增大滲漏的可能性，加以回油無阻尼，速度平穩(wěn)性較差，發(fā)熱量大，效率較低。但可以很好的實現(xiàn)限速。

2.4 運輸回路

運輸回路由齒輪泵向液壓馬達(dá)供油，由齒輪泵輸出油液經(jīng)一個手動換向閥控制馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)。將裝載上來的物料向機身后部運輸。

3液壓元件的選用

3.1 液壓馬達(dá)的選用

選用低速大扭矩液壓馬達(dá)，這種馬達(dá)具有很多優(yōu)點適合掘進機的工作環(huán)境。如：噪音低；啟動扭矩大，具有良好的低速穩(wěn)定性，能在很低的速度下平穩(wěn)運轉(zhuǎn)；采用平面補償配流盤，泄漏少，維修方便；效率高，轉(zhuǎn)速范圍寬，可靠性好，壽命長；體積小，重量輕，功率質(zhì)量比高等。

根據(jù)馬達(dá)輸出功率，轉(zhuǎn)速，額定壓力，和轉(zhuǎn)矩要求選定斜軸式柱塞馬達(dá)型號為：NHM1-63，用于行走。排量為63ml/r的液壓馬達(dá)，驅(qū)動機器左右行走，行走速度為3m/min。

選低速大扭矩液壓馬達(dá)的型號為：NHM600A和NHM1300。分別用于輸送和裝載[2]。排量大，啟動效率高，低速穩(wěn)定性好。裝載馬達(dá)為2個排量為1300ml/r的液壓馬達(dá)，系統(tǒng)工作壓力為14Mpa。輸送馬達(dá)排量為600ml/r，系統(tǒng)工作壓力為14Mpa。

3.2 液壓泵的選用

選用雙聯(lián)齒輪泵，這種泵具有結(jié)構(gòu)簡單、容積效率高、工作壓力高、抗污染能力強、抗振性強、噪音低、壽命長、工作穩(wěn)定可靠等特點。

⑴確定液壓泵的最大工作壓力Pp：

式中Pp——額定壓力；

——從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達(dá)入口之間總的管路損失。 的準(zhǔn)確計算要待元件選定并會出管路圖時才能進行，初算時可按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選?。汗苈泛唵?，流速不大的，取 。

⑵確定液壓泵的流量Qp：

式中K——泄露系數(shù) 一般取1.1-1.3；

——系統(tǒng)最大流量。

發(fā)生在馬達(dá)全速運轉(zhuǎn)時：

⑶選擇泵的規(guī)格

根據(jù)以上求得的Pp和Qp值，按系統(tǒng)中擬定的液壓泵的形式，從產(chǎn)品樣本或手冊中選擇相應(yīng)的液壓泵。為使液壓泵有一定的壓力儲備，所以選擇的泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大25%～60%。

泵取CBZ2063/2040雙聯(lián)齒輪泵，排量調(diào)節(jié)為 ，額定壓力16Mpa，轉(zhuǎn)速 。

3.3 液壓閥的選用

⑴溢流閥。溢流閥的基本功能是限定系統(tǒng)的最高壓力，防止系統(tǒng)過載或維持壓力近似恒定。本系統(tǒng)中選用二級同心先導(dǎo)式溢流閥，安裝在泵的出油口處，用來恒定系統(tǒng)壓力，防止超壓，保護系統(tǒng)安全運行。如果壓力過大，可通過溢流閥流回油箱。

溢流閥具體的型號和尺寸由相關(guān)廠家的樣本中查得。

產(chǎn)品型號為：DB10-AZ-35-S1。

⑵平衡閥。安裝在后支撐油缸和換向閥的管路上，用來保證工作平穩(wěn)，無沖擊振動。

產(chǎn)品型號為：LHK33G-21-180/180。

⑶單向閥。系統(tǒng)單向閥也是必不可少的元件，它用來防止油液倒流，從而使執(zhí)行元件停止運動，或保持執(zhí)行元件中的油液壓力。還可以保持一定的背壓。這里使用的是液控單向閥。

產(chǎn)品型號為：KDF/C

⑷換向閥。在系統(tǒng)中要用到一組五聯(lián)多路換向閥，每個閥為三位四通換向閥。在系統(tǒng)中換向閥的主要作用是改變壓力油進入執(zhí)行元件的方向，進而實現(xiàn)不同的動作要求，在三位四通的換向閥中，左右閥位要求能夠進回油，中間的閥位要求禁止油液流通，以達(dá)到執(zhí)行元件動作達(dá)到要求后停止或懸停在任一位置。

除此之外，還需要用到手動換向閥來控制壓力油進入馬達(dá)。

手動換向閥的產(chǎn)品型號為：

34SM-B20H-T（左、右行走馬達(dá)）

34SH-B20H-W（中間輸送機馬達(dá)）

五聯(lián)多路換向閥產(chǎn)品型號為：ZL15GOT-OT-OT-YT-YT。

⑸節(jié)流閥。在一定的閥口壓差作用下通過改變閥口的通流面積來調(diào)節(jié)其通過流量，因而可對液壓執(zhí)行元件進行調(diào)速。

這里使用的單向節(jié)流閥的產(chǎn)品型號為：MK15G。

3.4 液壓缸的選用

單作用液壓缸僅在靠自重、外負(fù)載或彈簧力等機械方式實現(xiàn)回城時在使用，一般多使用雙作用液壓缸。

所以這里選用工程機械用的雙作用單活塞桿液壓缸[3]。

4確定調(diào)速方式

液壓系統(tǒng)調(diào)速方式分有容積調(diào)速、節(jié)流調(diào)速及兩種合成的聯(lián)合調(diào)速。選擇調(diào)速方案要考慮三個原則。

4.1 根據(jù)壓力，速度和負(fù)載變化特點選擇

壓力高、功率大的可選容積調(diào)速，反之選節(jié)流調(diào)速。從經(jīng)濟效果看，一般節(jié)流調(diào)速適用于功率在2~3KW以下的系統(tǒng)，5KW以上的用容積調(diào)速較好。

要求達(dá)到微小的低速時，應(yīng)選節(jié)流調(diào)速。負(fù)載變化較大，又影響速度的穩(wěn)定性，如果要求速度的穩(wěn)定性較高，在選擇調(diào)速方法時應(yīng)該同時考慮速度穩(wěn)定的方法。

選擇調(diào)速方法時，還應(yīng)該考慮負(fù)載的變化是恒功率，還是恒扭矩的特性。

4.2 根據(jù)工作條件選擇

要特別注意液壓系統(tǒng)的振動、噪音和發(fā)熱等造成的一些不良影響，節(jié)流調(diào)速會導(dǎo)致油液的嚴(yán)重發(fā)熱，在這種情況下，即使功率不大也要考慮選用容積調(diào)速，或選變量泵，節(jié)流閥的聯(lián)合調(diào)速。

4.3 根據(jù)成本費用選擇

一般來說，節(jié)流調(diào)速費用低，容積調(diào)速和聯(lián)合調(diào)速費用高。但同時也并非如此，如果采用變量泵將節(jié)流調(diào)速改變成聯(lián)合調(diào)速，可以節(jié)省一個定量泵和其他一些液壓元件，設(shè)備費用反而會降低。另外，從長期使用來看，功率消耗也不可忽視。

綜合上述因素和原則，本掘進機的行走液壓馬達(dá)的調(diào)速方式為根據(jù)各執(zhí)行元件的工作程序來獲得不同的速度。將轉(zhuǎn)載機構(gòu)油馬達(dá)的供油管路，經(jīng)過一個換向閥與行走機構(gòu)油馬達(dá)的供油管路并聯(lián)。裝載機構(gòu)停止工作時，掘進機可以較高速行駛，以實現(xiàn)快速調(diào)動，而當(dāng)行走機構(gòu)油馬達(dá)停止工作時，使該油路卸荷，不向行走機構(gòu)油馬達(dá)供油，保證裝載工作正常進行。

5掘進機的液壓系統(tǒng)原理圖及分析

工作機構(gòu)伸縮液壓系統(tǒng)：主泵→單向閥→手動換向閥→液壓缸→冷卻器→油箱?？蓪崿F(xiàn)液壓缸的伸縮，換向閥在左位時，桿伸出。處于右位時，桿縮回。在中間位置時，液壓缸保持狀態(tài)，鎖緊。

工作機構(gòu)升降液壓系統(tǒng)：主泵→單向閥→手動換向閥→節(jié)流閥→液壓缸→冷卻器→油箱?？蓪崿F(xiàn)液壓缸的伸縮，換向閥在左位時，桿縮回。處于右位時，桿伸出。在中間位置時，液壓缸保持狀態(tài)。節(jié)流閥可以控制速度，避免爆管事故的發(fā)生。

工作機構(gòu)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)：主泵→單向閥→手動換向閥→液壓缸→冷卻器→油箱?？蓪崿F(xiàn)液壓缸的伸縮，換向閥在左位時，左桿伸出右桿縮回，機構(gòu)向右轉(zhuǎn)。處于右位時，左桿縮回右桿伸出，機構(gòu)向左轉(zhuǎn)。在中間位置時，保持狀態(tài)。

鏟板升降系統(tǒng)：主泵→單向閥→手動換向閥→液壓缸→冷卻器→油箱。可實現(xiàn)鏟板的升降，換向閥在左位時，活塞桿伸出，鏟板上升。處于右位時，活塞桿縮回，鏟板下降。在中間位置時，保持狀態(tài)。平衡閥用來保證工作平穩(wěn)，防止沖擊振動

鏟板支撐系統(tǒng)：主泵→單向閥→手動換向閥→液壓缸→冷卻器→油箱?？蓪崿F(xiàn)后支撐油缸的升降，換向閥在左位時，活塞桿伸出，上升。處于右位時，活塞桿縮回，鏟板下降。在中間位置時，保持狀態(tài)。平衡閥用來保證工作平穩(wěn)，防止沖擊振動

上部行走馬達(dá)處換向閥處于左位或右位，換向閥1處于上位時，實現(xiàn)快速行走。

換向閥1處于下位，換向閥2處于上位時，行走和裝載同時進行。

上部行走馬達(dá)處換向閥處于中位 ，換向閥1處于下位，2處于上位時裝載。2處于下位時，馬達(dá)反轉(zhuǎn)。

[參考文獻]

[1]楊培元,朱福元,主編.液壓系統(tǒng)設(shè)計簡明手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.8.

[2]吳宗澤.機械設(shè)計師手冊（下）[M].北京：機械工業(yè)出版社,2002.

[3]煤炭工業(yè)部生產(chǎn)司開拓處組織.掘進機選型手冊.北京：煤炭工業(yè)出版社,1989.