， 　， 　(沈陽建筑大學 交通與機械工程學院， 遼寧 沈陽　110168)

引言

懸臂式巷道掘進機是一種集切割、行走、裝運、噴霧滅塵于一體的綜合掘進設備，因其生產(chǎn)效率高、掘進速度快、適應性強、調(diào)動靈活的優(yōu)點而在井下機械化采煤作業(yè)中得到了廣泛應用[1]，且有向大功率、重型化發(fā)展的趨勢。這類掘進機工作機構(gòu)中，除截割頭旋轉(zhuǎn)用電機驅(qū)動外，其余均為液壓技術實現(xiàn)。因此，對掘進機液壓系統(tǒng)進行合理設計對提升整機工作性能具有關鍵性作用。

1　懸臂式掘進機組成及工作過程

懸臂式掘進機通常分為行走部和工作部，行走部由履帶行走機構(gòu)組成，工作部包括工裝機構(gòu)和輔助機構(gòu)，如圖1所示。其中工裝機構(gòu)由截割和煤巖裝運裝置組成，輔助機構(gòu)則指電氣和輔助裝置等。

懸臂式掘進機工作循環(huán)為：電機帶動液壓泵驅(qū)動行走馬達使履帶移動，整機靠近煤巖工作面，截割頭在伸縮缸作用下鉆進，伸縮缸推至最大行程時操縱回轉(zhuǎn)缸使截割頭擺動進行水平截割， 到最大擺動角時升降缸驅(qū)動截割頭沿垂直方向截割一定的高度，如此往復循環(huán)直到完成對巷道工作面的完整截割，截割下的煤炭經(jīng)裝運機構(gòu)后送[2]。

1.截割機構(gòu)　2.行走機構(gòu)　3.電氣、輔助機構(gòu)　4.裝運機構(gòu) 5.履帶　6.張緊裝置　7.行走架　8.馬達、行星減速器圖1　懸臂式掘進機結(jié)構(gòu)組成

2　掘進機液壓系統(tǒng)原理設計

2.1　系統(tǒng)功能分析

液壓系統(tǒng)的作用在于為主機各工作機構(gòu)的相關動作提供動力和控制保障，因此系統(tǒng)設計首先要對主機主要功能的實現(xiàn)方式做出分析。

(1) 由于巷道底板狀況惡劣，掘進機采用履帶底盤行走，這里選用高速馬達匹配行星減速器驅(qū)動；

(2) 截割時，截割頭在工作面上確定截割位置后，需在鉆進方向施加較大軸向力的同時分別沿水平和垂直方向依次截割，這里設置驅(qū)動截割頭頂進的伸縮油缸、控制截割方向的水平和垂直油缸；

(3) 裝運機構(gòu)需要將截割落于鏟板上的煤炭渣粒通過2個弧形三齒星輪匯集，然后經(jīng)皮帶運輸機后送，均為低速大扭矩馬達，分別驅(qū)動三齒星輪、運輸機；

(4) 截割頭鉆進截割前，為保證整機穩(wěn)定需將鏟板和后支撐落地，兩個動作均選用相應油缸完成。

2.2　系統(tǒng)回路設計

懸臂式掘進機整機負載大、執(zhí)行元件較多且相互間多有動作復合，為有效減少功率損失，系統(tǒng)采用具有負載敏感特性的雙聯(lián)柱塞泵為動力源，其中一聯(lián)用于行走和裝載機構(gòu)回路，另一聯(lián)則驅(qū)動截割和輔助回路。綜合考慮各機構(gòu)功能實現(xiàn)，設計EBZ160型懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)原理，如圖2所示。

1.變量泵　2.冷卻器　3.運輸馬達　4.星輪馬達　5.行走馬達　6、12.溢流閥　7.制動缸　8.梭閥　9.減壓閥 10、13.多路閥　11.液控閥　14.雙向平衡閥　15.鏟板缸　16.后支撐缸　17.伸縮缸　18.回轉(zhuǎn)缸　19.升降缸圖2　EBZ160懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)

1) 行走部液壓系統(tǒng)

變量泵1的左聯(lián)為2個行走馬達構(gòu)成的并聯(lián)回路提供壓力油，由多路閥10控制換向，變量泵提供的油液經(jīng)液控閥11流入多路閥，回路中的梭閥8用于感知壓力變化，并通過溢流閥6控制壓力。

2) 工作部液壓系統(tǒng)

(1) 截割頭工作油路變量泵1的右聯(lián)分別為伸縮缸17、回轉(zhuǎn)缸18和升降缸19供油，構(gòu)成三個并聯(lián)回路，由多路閥13控制，油液經(jīng)液控閥11流入多路閥，回路中配置安全型雙向平衡閥14以確保油缸工作時安全使用和可靠鎖緊；

(2) 裝運機構(gòu)工作油路變量泵1的左聯(lián)為裝運回路提供壓力油，其中裝運機構(gòu)用2個星輪馬達驅(qū)動，煤渣落料經(jīng)2個馬達驅(qū)動的第一運輸機向后輸送，兩組馬達采用并聯(lián)回路由多路閥12控制，并通過溢流閥控制壓力。

3) 輔助液壓系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)用于行走機構(gòu)制動、截割時的整機支撐裝置驅(qū)動，其中制動缸7與行走馬達5并聯(lián)，通過多路閥10控制在行走馬達動作之前打開；鏟板缸15和后支撐缸16均由變量泵1的右聯(lián)提供壓力油，通過多路閥12控制換向，2個回路呈并聯(lián)且設置有平衡閥，防止油缸失控下滑。

3　掘進機液壓系統(tǒng)參數(shù)計算

這里以行走機構(gòu)回路為例，進行液壓系統(tǒng)主要元件參數(shù)的選擇計算。

3.1　行走機構(gòu)牽引力分析

行走機構(gòu)轉(zhuǎn)彎不與掘進機截割作業(yè)、爬坡同時進行，掘進機原地轉(zhuǎn)彎時單邊履帶提供所需牽引力最大，依據(jù)表1給出的整機設計參數(shù)計算履帶最大行駛阻力如下[3]。

表1　掘進機行走機構(gòu)主要參數(shù)

(續(xù)表)

單側(cè)履帶阻力：

單側(cè)履帶轉(zhuǎn)向最大負載轉(zhuǎn)矩：

Mr=T1×r=110×0.6=66 kN·m

式中：G為掘進機整機重力，f為履帶底板滾動摩擦系數(shù)，r為驅(qū)動輪半徑，L為單側(cè)履帶板接地長度，μ為履帶機構(gòu)與底板轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)，B為履帶板寬度，n為履帶縱向偏心距。

3.2　行走馬達匹配計算

最大負載工況為坡道上原地轉(zhuǎn)向，此時行走馬達負載轉(zhuǎn)矩為：

式中：η1為履帶鏈傳動效率，取0.92；η2為液壓系統(tǒng)容積效率，取0.95[4]，i為減速器速比。

取行走回路工作壓力21.5 MPa，則馬達排量應滿足：

實際選用的行走馬達額定排量VM額=KVM，K是排量系數(shù)，一般在1.2～1.6[4]，這里取1.4。

據(jù)此選用A2FE160/61W-VZL100馬達，排量160 mL/r、額定壓力21.5 MPa、最高壓力30 MPa。

3.3　馬達選用驗算

掘進機履帶行走機構(gòu)提供的牽引力應滿足掘進機最大坡度工作要求。EBZ160掘進機最大設計爬坡18°，在這種坡道上原地轉(zhuǎn)向時掘進機單側(cè)履帶所需牽引力為：

式中，θ為設計爬坡坡度。

此時單側(cè)履帶負載轉(zhuǎn)矩：

Mr2=T2×r=145×0.6=87 kN·m

則行走馬達輸出轉(zhuǎn)矩需滿足：

=463 N·m

而選配的行走馬達可輸出轉(zhuǎn)矩：

=493 N·m

可知：Mmax>Mm2，所選馬達滿足輸出扭矩要求。

相關研究表明，最大負載工況在行走時發(fā)生，最大流量工況在截割、裝載和運輸機構(gòu)同時動作時出現(xiàn)[5]，據(jù)此系統(tǒng)選用A11VO145LRDS/10R+A11VO 190LRDS/10R型雙聯(lián)負載敏感泵(限于篇幅計算過程略)，前泵排量為145 mL/r，后泵排量為190 mL/r，額定壓力21.5 MPa、最高壓力30 MPa。

由發(fā)動機轉(zhuǎn)速n=1470 r/min，可得驅(qū)動行走回路的前泵最大輸出流量qp=189 L/min。

單側(cè)馬達理論流量為：

液壓馬達輸出的最大轉(zhuǎn)速：

=562.5 r/min

可獲整機最大行走速度：

=9 m/min

所選馬達滿足最大行走速度υ=7 m/min要求。

3.4　系統(tǒng)其他主要元件選配

根據(jù)各機構(gòu)相應執(zhí)行元件的負載和速度分析計算，可選配其它相關元件，對應參數(shù)見表2、表3[6]。

4　結(jié)論

本研究所設計的EBZ160懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)已實際用于某廠掘進機定型產(chǎn)品上，實際運行表明系統(tǒng)達到設計要求的各項指標，工作穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)具有以下特點：

(1) 采用負載敏感泵，通過回路中的梭閥引出最高負載壓力作用于變量泵控制機構(gòu)，控制泵的輸出流量與負載相匹配，有效保證了液壓系統(tǒng)效率；

表2　主要執(zhí)行元件參數(shù)

表3　主要控制元件參數(shù)

(2) 由一臺交流電動機驅(qū)動，實現(xiàn)兩泵、兩聯(lián)集成控制閥控制不同機構(gòu)油路，可保證多機構(gòu)互不干擾地同時動作；

(3) 泵閥集成度高、可靠性好、管路配置簡潔緊湊，組裝和維護方便。

參考文獻：

[1]高云峰，江小軍.淺談我國煤礦巷道掘進裝備技術[J].煤炭工程，2010，(10)：110-112.

[2]張希良，王炳河，張立軍，等.懸臂式掘進機在軟巖隧道施工中的應用[J].鐵道建筑技術，2001，(4)：28-30.

[3]MTT 910-2002.懸臂式掘進機履帶行走機構(gòu)設計導則[S].

[4]成大先.機械設計手冊液壓傳動[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[5]劉抗抗.掘進機液壓系統(tǒng)性能分析與仿真[D].青島：山東科技大學，2012.

[6]尚慧嶺,趙長林,張敬剛,劉建設,胡世濤.油液污染對掘進機液壓系統(tǒng)的影響[J].液壓與氣動,2012,(8):55-58.