姜 鵬，姚 瑤，楊 迪，李 壯

（1.遼寧瀚石機(jī)械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；3.鞍山精準(zhǔn)光學(xué)掃描技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山 114051）

目前國內(nèi)對于閉式靜液壓系統(tǒng)在礦山機(jī)械的應(yīng)用還不夠成熟，在液壓系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和優(yōu)越性方面的研究較少，所以還有很大的研究空間[1]。以鉆機(jī)行走系統(tǒng)為例，提出合理的靜液壓行走系統(tǒng)方案，擬定了行走液壓原理圖，并進(jìn)行了元件的初步選型，通過樣機(jī)試驗驗證了閉式靜液壓行走系統(tǒng)在鉆機(jī)中應(yīng)用的可靠性和優(yōu)越性。

1 液壓行走系統(tǒng)方案

1.1 調(diào)速方案

液壓行走系統(tǒng)是整機(jī)液壓系統(tǒng)的重要組成部分，而且鉆機(jī)在不同工況時，對行走速度有不同的要求，這就需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量改變執(zhí)行元件馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，從而改變鉆機(jī)的行走速度。液壓系統(tǒng)中的流量調(diào)節(jié)回路包括節(jié)流調(diào)速和容積調(diào)速2 大類[2]。節(jié)流調(diào)速回路是液壓調(diào)速回路的一種，它采用定量泵供油，用節(jié)流閥改變進(jìn)入執(zhí)行元件的流量量使之變速，而多余的的流量通過溢流閥流回油箱，因此，節(jié)流調(diào)速使系統(tǒng)產(chǎn)熱特別迅速，不適合應(yīng)用于閉式系統(tǒng)。其中容積調(diào)速回路又有分為變量泵-變量馬達(dá)、定量泵-變量馬達(dá)和變量泵-定量馬達(dá)3 種方案[3]。在容積調(diào)速回路中，液壓泵輸出的油液直接進(jìn)入執(zhí)行元件，沒有溢流損失和節(jié)流損失，而且工作壓力隨負(fù)載變化而變化，因此效率高、發(fā)熱少，多用于閉式液壓系統(tǒng)中[4]。為了更好地滿足鉆機(jī)工況多種的需求，本鉆機(jī)速度調(diào)節(jié)機(jī)制采用變量泵-變量馬達(dá)調(diào)速的方式。

1.2 變量柱塞泵

液壓泵選用平行布置軸向柱塞滑靴柱塞泵，輸入流量可以進(jìn)行無級調(diào)節(jié)，輸出流量從0 逐級增多。通過一角度可變的傾斜式斜盤改變柱塞沖程進(jìn)而實現(xiàn)泵排量改變。泵出口油液方向隨斜盤方向變化而改變，從而實現(xiàn)馬達(dá)輸出軸正/反轉(zhuǎn)切換，直接控制鉆機(jī)的前進(jìn)與后退，此類柱塞泵在行走系統(tǒng)中的應(yīng)用可以減少了方向閥等控制元件的使用，從而降低了元件成本。

柱塞泵的流量控制方式選擇電氣排量控制，此種控制采用了1 個噴嘴擋板式伺服控制閥和雙作用伺服活塞來實現(xiàn)排量的控制[5]，伺服閥將電氣輸入的電信號轉(zhuǎn)換為液壓的壓力信號，此壓力信號可以控制1 個三位四通主閥芯的開口量，從而通過改變閥芯的開口量，從而實現(xiàn)雙作用伺服活塞的位移控制。伺服活塞位移的改變帶動斜盤傾角的變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)泵排量在最大正排量與最大排量負(fù)之間無級變化。此類柱塞泵帶有機(jī)械式斜盤反饋連桿，它反作用于排量控制模塊主閥芯上，所以伺服閥主閥芯位置同時受電氣輸入信號及機(jī)械式斜盤連桿反饋信號雙重控制，進(jìn)而實現(xiàn)柱塞泵排量的閉環(huán)控制。在實際使用中，只需要通過改變伺服閥的電信號大小，就可實現(xiàn)泵斜盤角度的比例變化，可以無級的調(diào)節(jié)鉆機(jī)的行走速度，操作簡單易行。

考慮閉式液壓系統(tǒng)的泄露與產(chǎn)熱問題，因此柱塞泵內(nèi)配有補油泵，補油泵不但為系統(tǒng)補充泄露的液壓油，還可以起到冷卻油液的作用，同時還可以為行走馬達(dá)提供所需的控制壓力油，如剎車制動與速度高低檔切換等。

1.3 變量柱塞馬達(dá)

變量柱塞馬達(dá)與行星減速齒輪箱集成為馬達(dá)行走總成，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向雙向可逆，滿足鉆機(jī)前進(jìn)與倒退工況需求；馬達(dá)內(nèi)集成多片式駐車制動，可以有效的防止鉆機(jī)在鉆孔工作時運動，并滿足鉆機(jī)行走時的剎車制動，馬達(dá)同時具有液壓先導(dǎo)雙速切機(jī)構(gòu)，可以實現(xiàn)馬達(dá)雙速變量，滿足鉆機(jī)高低速要求，并且馬達(dá)內(nèi)置帶有沖洗閥，可以帶走系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。節(jié)省空間的緊湊式設(shè)計可大大減少安裝空間。

1.4 液壓閥

液壓閥均采用大流量螺紋插裝閥，解決了板式液壓閥尺寸較大、安裝受限的難題。將控制馬達(dá)切換功能的插裝閥和其余控制閥等裝在1 個集成閥塊中，這樣實現(xiàn)了液壓閥無管連接，減少了泄露量，螺紋插裝閥體積小，便于集成化，解決了鉆機(jī)液壓系統(tǒng)安裝空間受限的難題，而且插裝閥對油液清潔度要求較低，閥芯動作靈敏，不易堵塞，減少了鉆機(jī)在使用中的故障率。

2 液壓行走系統(tǒng)原理

液壓行走系統(tǒng)主要由變量柱塞泵、行走液壓馬達(dá)總成、液壓閥及液壓油箱、液壓附件等組成。液壓行走系統(tǒng)原理圖如圖1。

圖1 液壓行走系統(tǒng)原理圖

2.1 工作主油路

液壓泵選用2 個通軸液壓泵串聯(lián)在一起，因此，2 個液壓泵轉(zhuǎn)速始終保持一致，2 個柱塞泵泵產(chǎn)生的流量保持一致，這樣可以確保鉆機(jī)的正常直線行走；當(dāng)鉆機(jī)需要轉(zhuǎn)彎時，可以通過改變控制泵排量的伺服閥的電流大小，控制斜盤的轉(zhuǎn)角，從而改變泵的排量，導(dǎo)致左右2 個馬達(dá)轉(zhuǎn)速存在差值，實現(xiàn)鉆機(jī)的轉(zhuǎn)彎運動；當(dāng)泵的斜盤擺過中位，又可改變液壓油的流向，從而改變馬達(dá)的轉(zhuǎn)向來控制鉆機(jī)的前進(jìn)和后退。因此通過伺服閥的電流調(diào)節(jié)，就簡單地實現(xiàn)的鉆機(jī)的無級變速、前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)彎等功能，省去了控制閥的參與。當(dāng)鉆機(jī)需要轉(zhuǎn)場快速移動時，可以通過電磁閥切換馬達(dá)的高低檔，讓鉆機(jī)行走速度大幅度增加，減少轉(zhuǎn)場所消耗的時間。由于鉆機(jī)的工作和行走是分開的2 個相對獨立過程，因此，當(dāng)鉆機(jī)不需要鉆孔等工作時，通過電磁換向閥將壓力油切換到鉆機(jī)的工作之路，滿足鉆機(jī)各種工作要求，由于是采用變量泵，仍可滿足鉆機(jī)工作時對不同速度的要求。變量泵-變量馬達(dá)的雙變量機(jī)制，又可滿足鉆機(jī)行走時各種速度要求，所以此種系統(tǒng)方案設(shè)計節(jié)約了能耗，降低了復(fù)雜控制元件的成本，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。

2.2 補油及冷卻回路

變量柱塞泵內(nèi)置補油泵從液壓油箱吸油，對系統(tǒng)進(jìn)行油液的補充，由于馬達(dá)的回油不回油箱，而是直接進(jìn)入泵的吸油口，補油泵只需補充由于泄露產(chǎn)生的流量損失，因此，液壓油箱體積較開式系統(tǒng)小很多，解決了液壓油箱安裝空間受限的難題，使鉆機(jī)尺寸更加緊湊。補油泵的吸油口裝有吸油過濾器，這樣可以保證進(jìn)入系統(tǒng)油液的清潔度[6]，延長液壓元件的使用壽命同時，減少系統(tǒng)由于堵塞導(dǎo)致的故障率。補油泵的卸油口直接通過過濾器接回油箱，這樣可以帶走部分系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，另外，液壓馬達(dá)帶有內(nèi)置沖洗閥，將一定量的熱油經(jīng)沖洗閥，從馬達(dá)殼體泄露回油箱，并帶走系統(tǒng)的部分熱量。補油泵和沖洗閥雙重作用，使閉式液壓系統(tǒng)的熱量及時散失掉，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[7]。

3 樣機(jī)測試

3.1 行走速度測試

在測試場地取較平整地區(qū)，讓鉆機(jī)行走5 m，記錄鉆機(jī)樣機(jī)在低速和高速行駛時所用的時間，進(jìn)行多次行駛測試，從中分別取樣3 次行駛時間的數(shù)據(jù)，鉆機(jī)行駛速度表見表1。

表1 鉆機(jī)行駛速度表

由表1 可知，鉆機(jī)通過多次的場地試驗，得到其在低速時最低速度為0.25 m/min，在高速時最高速度為1.67 m/min，鉆機(jī)可以實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足鉆機(jī)不同工況行駛速度。低速時主要進(jìn)行鉆機(jī)爬坡和現(xiàn)場慢速作業(yè)，在轉(zhuǎn)場作業(yè)時采用高速行駛，減少轉(zhuǎn)場時間。

3.2 行走穩(wěn)定性測試

將鉆機(jī)切換至低速擋，讓其在10°～15°的斜坡上行走，在整個行走試驗過程中整車行駛平穩(wěn)，滿足鉆機(jī)爬坡要求。

通過樣機(jī)的多次試驗，整機(jī)運行可靠，在大幅簡化結(jié)構(gòu)的同時提高了機(jī)械效率，泵的無級調(diào)速與馬達(dá)的高低檔配合調(diào)速，可以實現(xiàn)鉆機(jī)速度調(diào)整的要求，同時系統(tǒng)產(chǎn)熱量很少，液壓系統(tǒng)溫升不快。因此證明了整機(jī)閉式液壓行走系統(tǒng)設(shè)計正確性，行駛性能穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)語

設(shè)計的靜液壓行走系統(tǒng)縮小了液壓油箱的體積，使鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，降低了鉆機(jī)成本，同時提高了機(jī)械效率。通過電流大小調(diào)整泵的排量大小，同時配合行走馬達(dá)的高低檔切換，可以實現(xiàn)鉆機(jī)各種工況的速度調(diào)整要求，通過改變電流大小，改變液壓泵的轉(zhuǎn)向，改變高壓油的方向，改變馬達(dá)的轉(zhuǎn)向，控制鉆機(jī)的前進(jìn)后退，簡化了鉆機(jī)的整體操作。