王吉平 王力 鄧陽(yáng)泰

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院,江蘇 南京 210046）

掘進(jìn)機(jī)是集機(jī)、電、液系統(tǒng)于一體,針對(duì)隧道、巷道掘進(jìn)工況所開發(fā)的一種經(jīng)濟(jì)、高效的掘進(jìn)設(shè)備。該設(shè)備同時(shí)具備截割和搬運(yùn)功能,相比于其他的掘進(jìn)設(shè)備,掘進(jìn)機(jī)具有較高的機(jī)動(dòng)性、所需工作空間較小、具有較高自動(dòng)化程度等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于煤炭巷道的掘進(jìn)工作和不便于大型設(shè)備進(jìn)入隧道掘進(jìn)的復(fù)雜工況。

掘進(jìn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)由水系統(tǒng)、截割部、液壓系統(tǒng)、本體部、鏟板部、行走部、后支撐、潤(rùn)滑系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、一運(yùn)部組成。在掘進(jìn)機(jī)的機(jī)、電、液系統(tǒng)中,液壓系統(tǒng)擔(dān)任著傳動(dòng)的角色,液壓系統(tǒng)工作的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行是否順利。該液壓系統(tǒng)直接與截割頭相關(guān)聯(lián),保證截割動(dòng)作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在掘進(jìn)的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)碰到多樣的巖層狀況,從而導(dǎo)致截割時(shí)所受到的作用力發(fā)生突變,該種載荷的突變引起截割部液壓系統(tǒng)的抖動(dòng)甚至失效。為了解決或減少這種不穩(wěn)定因素,就要對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

本文以EBZ75 型掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)該種掘進(jìn)的截割部液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究分析。嘗試采用逆向的方式,對(duì)該液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以求更深入的了解各液壓元件在液壓系統(tǒng)中起到的作用,以及如何利用各種液壓回路保證液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。為日后更專業(yè)的研究和探討打下來(lái)良好的基礎(chǔ)。

1 截割部液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 截割部結(jié)構(gòu)及工作情況介紹

EBZ75 截割部?jī)?nèi)部構(gòu)造包括截割頭、伸縮部、截割機(jī)構(gòu)和電機(jī)。截割頭通過(guò)伸縮部和伸縮液壓缸與截割臂相連。截割臂與掘進(jìn)機(jī)機(jī)身通過(guò)升降液壓缸連接。在工作時(shí),升降液壓缸驅(qū)動(dòng)截割臂上下活動(dòng),其活動(dòng)范圍最高為3500mm,臥底量為200mm。截割頭由額定功率為75kw的電機(jī)以46r/min 的速度驅(qū)動(dòng),其關(guān)聯(lián)二級(jí)減速器總減速比為31.978,輸出扭矩為13537N·m。采用圓錐臺(tái)形截割頭,伸縮部伸縮行程為400mm。

1.2 截割部伸縮液壓缸受力分析

已知截割頭重量m 小于等于500kg,截割臂擺角范圍為-29.2°～38.1°。液壓缸受力為：Q=mgsinφ=5000sinφ

式中：Q為液壓缸所受到的正壓力N；

G為截割頭的重力N；

φ 為截割臂俯仰角度。

其結(jié)果中,正號(hào)為對(duì)液壓缸的壓力,負(fù)號(hào)為對(duì)液壓缸的拉力。根據(jù)計(jì)算,可知伸縮液壓缸最大載荷為3085.18N。

1.3 截割部升降液壓缸受力分析

1.3.1 推導(dǎo)相關(guān)參數(shù)方程

參考現(xiàn)有EBZ75 相關(guān)說(shuō)明書與圖紙,設(shè)計(jì)截割部相關(guān)初步尺寸。為了提高數(shù)據(jù)的直觀性,最后結(jié)果以標(biāo)量形式呈現(xiàn)。液壓缸所受載荷力大小關(guān)系式為：

在此式中除μ、θ 兩個(gè)變量外,其余全部為已知量,如表1所示。

表1 計(jì)算所需的相關(guān)參數(shù)值

則下面需要推導(dǎo)出該組變量之間的函數(shù)關(guān)系式。以便求解外力Q與截割臂俯仰角φ 之間的關(guān)系。

聯(lián)立式（2）～式（11）,可求解出φ、θ 的關(guān)系式,將此關(guān)系式帶入式（1）中,可獲得正壓力Q 與截割臂俯仰角φ 之間的關(guān)系,從而求解液壓缸上的負(fù)載載荷。

1.3.2 利用MATLAB進(jìn)行結(jié)果計(jì)算與驗(yàn)證

在聯(lián)立式（2）～式（11）求解方程組中,存在超越方程。為了求解該方程組,本文利用MATLAB軟件進(jìn)行求解計(jì)算。

為了進(jìn)一步確定所計(jì)算結(jié)果,需要對(duì)所列方程式進(jìn)行驗(yàn)證。首先,關(guān)于關(guān)系的驗(yàn)證,可以通過(guò)取隨機(jī)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與作圖法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì),從而驗(yàn)證關(guān)系式的正確性。通過(guò)拜讀相關(guān)學(xué)者的學(xué)術(shù)研究,亦可發(fā)現(xiàn)最后受力情況整體趨勢(shì)亦為吻合的。如學(xué)者王焱金對(duì)EBZ120 型掘進(jìn)機(jī)截割部受力情況的研究過(guò)程中,得出截割臂在最底端時(shí)受力最大的結(jié)果,與本文所得出的結(jié)果相近。驗(yàn)證了力學(xué)關(guān)系式的正確性。

1.4 截割部液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選型

1.4.1 液壓回路的設(shè)計(jì)

截割部液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件會(huì)受到重力的影響。在重力的作用下,截割部液壓缸驅(qū)動(dòng)腔,存在突然失壓的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致截割臂或截割頭的突然滑動(dòng)。為了抵消重力帶來(lái)的負(fù)面結(jié)果,需要設(shè)計(jì)平衡回路。同時(shí),該回路還應(yīng)該具備液壓缸運(yùn)行方向改變的功能。

1.4.2 泵的選型

液壓泵作為液壓系統(tǒng)的能源裝置,負(fù)責(zé)提供液壓回路中所需的油液。在實(shí)際選擇液壓泵的時(shí)候,不但要考慮液壓系統(tǒng)工作的最大壓力,所需流量等理論參數(shù),還需要考慮液壓泵工作的環(huán)境,價(jià)格,品控、穩(wěn)定性等其他附加因素。故最為合適本文所敘述的工況使用的泵是內(nèi)嚙合齒輪泵。型號(hào)為CBG1025 主要參數(shù)如表2 所示。

表2 CBG1025 主要參數(shù)

1.4.3 平衡閥的選型

平衡閥屬于負(fù)載控制閥的一種,平衡閥具有單向低的液體流動(dòng)阻力、負(fù)載保持功能、溢流功能以及節(jié)流功能。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)實(shí)際情況,平衡閥可選用意大利Fluid Press 企業(yè)所生產(chǎn)的FPO-35-D-1/4 型號(hào)雙向平衡閥,此閥為非卸荷型,其安裝方式為插裝式,主要參數(shù)如表3 所示。

表3 FPO-35 型平衡閥主要參數(shù)

1.4.4 換向閥的選型

換向閥在液壓回路中起到變換液壓缸行進(jìn)方向。根據(jù)回路的特征選用四位三通換向閥。同時(shí),在不工作的狀態(tài)下,即液壓缸鎖止的情況下,為了避免液壓缸驅(qū)動(dòng)腔中封閉的壓力導(dǎo)致平衡閥開啟,從而引發(fā)液壓缸發(fā)生不需要的下滑的狀況。應(yīng)將驅(qū)動(dòng)腔,在不工作的情況下進(jìn)行卸荷。所以四位三通換向閥中位應(yīng)選用Y型或者H 型。對(duì)于一般工況,出于成本考慮,可采用手動(dòng)換向閥,閥芯為滑閥。綜合考慮,選擇力樂(lè)士H4WMM22M型手動(dòng)換向閥,如果后續(xù)需要升級(jí),比如需要無(wú)人駕駛,遠(yuǎn)程控制的情況下,亦可以考慮同規(guī)格的電磁換向閥。

1.4.5 液壓缸的選型

在截割部分,共有2 套液壓缸,一套是用于舉升截割臂的升降液壓缸,一套用于截割頭伸縮的伸縮液壓缸。兩種液壓缸均為單作用活塞液壓缸,且屬于非標(biāo)準(zhǔn)件。需要依照工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)的時(shí)候,缸徑、形成應(yīng)該優(yōu)先滿足GB/T 2349-1980推薦的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。液壓缸結(jié)構(gòu)形式均為法蘭型液壓缸。與外部連接方式為鉸接。除此之外,還應(yīng)該考慮一定的沖擊載荷。需要設(shè)置一些緩沖裝置,緩解沖擊載荷對(duì)液壓缸結(jié)構(gòu)的破壞。同時(shí)考慮到智能化的升級(jí)需要,亦可以在液壓缸內(nèi)置磁環(huán),以配合電控系統(tǒng)相關(guān)傳感器使用。

1.4.6 油箱的選型

油箱在液壓回路中主要起到儲(chǔ)存油液、散熱以及分離油液中雜質(zhì)的作用。掘進(jìn)機(jī)所處環(huán)境為一般工況,所以采用常見的分離開式油箱即可。油箱的容量可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可得：v=ξqp=6×50=300L,該數(shù)值是截割部液壓系統(tǒng)所需的容積,并不代表掘進(jìn)機(jī)整體液壓系統(tǒng)所需的容積,故滿足截割部所用油箱容積為300L。

1.4.7 管路的選型

管路采用帶有快速礦用接頭（KJR）的高壓膠管。根據(jù)相關(guān)計(jì)算,可選壓油管徑為22mm,吸油管路為32mm。

1.4.8 其他元件選型

根據(jù)系統(tǒng)最大壓力7.5MPa,最大流量50L/min,確定其他元件參數(shù),見表4。

表4 元件型號(hào)

2 截割部液壓系統(tǒng)的仿真分析

2.1 基于AMESim的截割部液壓模型建立

在進(jìn)行液壓系統(tǒng)仿真前,必須對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行模型的建立。根據(jù)前文所示的液壓系統(tǒng)原理圖,利用AMESim軟件組建所需液壓系統(tǒng)的草圖。將各元素通過(guò)線連接,當(dāng)軟件中無(wú)色塊警告出現(xiàn),表明所有元件已正確連接,即成功構(gòu)成所需的液壓系統(tǒng)草圖模型。

在完成草圖模型的構(gòu)建后,需要確認(rèn)相應(yīng)的模型的子模型是否正確。在本次草圖模型中,大部分子模型使用默認(rèn)設(shè)置即可,只有少部分需要更換默認(rèn)選擇。在選擇完對(duì)應(yīng)的子模型后,需要對(duì)模型元件設(shè)置對(duì)應(yīng)的參數(shù)。根據(jù)已知參數(shù)和前文所推導(dǎo)出的參數(shù),可以總結(jié)出如表5 所示的重要參數(shù)。依據(jù)表5 中參數(shù),對(duì)模型草圖中各元件進(jìn)行設(shè)置：將定量泵的排量設(shè)置為25ml/r；三位四通換向閥最大流量設(shè)置為50L/min；液壓缸內(nèi)徑,行程,伸縮桿直徑分別設(shè)置為160,550,90；負(fù)載質(zhì)量設(shè)置為116KN；溢流閥調(diào)定壓力為80bar；平衡閥設(shè)定壓力為75bar。

表5 仿真所需設(shè)的相關(guān)參數(shù)

2.2 截割部油缸動(dòng)作仿真

本文設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)旨在完成截割部升降油缸的升降動(dòng)作,以及伸縮油缸的伸縮動(dòng)作。所以仿真的第一項(xiàng)任務(wù)即為對(duì)液壓系統(tǒng)是否能完成規(guī)定動(dòng)作進(jìn)行仿真。

在完成換向閥的信號(hào)輸入后,仿真時(shí)間設(shè)置為50s,采集頻率為10Hz,開始仿真。得到各液壓缸負(fù)載質(zhì)量塊的位移曲線圖如圖1 所示。圖中可以明顯看出,兩組液壓缸負(fù)載質(zhì)量塊位移曲線符合預(yù)期設(shè)置。即升降液壓缸在0～30s 之內(nèi)伸出,伸縮液壓缸在40～45s 之內(nèi)伸出。且位移速度均勻,證明平衡閥發(fā)揮了保持運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的作用。

圖1 負(fù)載質(zhì)量塊位移圖

2.3 沖擊溢流仿真

平衡閥不但具有保持油缸運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的作用,還可以在油缸受到突然的沖擊時(shí)發(fā)生溢流,以保護(hù)液壓系統(tǒng)免受破壞。觀察平衡閥內(nèi)部的流量曲線圖2,可以明顯看出在30～40s 之間有明顯的溢流。由此證明平衡閥工作正常,具備溢流功能。

圖2 平衡閥流量圖

2.4 換向閥作用仿真

換向閥在液壓系統(tǒng)中起到油路流向變更的作用,從而帶動(dòng)執(zhí)行元件的換向。讀取液壓缸負(fù)載質(zhì)量塊的位移曲線圖3,可以看出,執(zhí)行元件液壓缸按換向閥預(yù)計(jì)指令完成伸縮動(dòng)作。并且位移變換均勻,平衡閥工作正常。

圖3 質(zhì)量塊位移曲線圖

3 結(jié)論

本文基于EBZ75 型掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)展開了討論與研究。采用理論分析、仿真分析以及設(shè)計(jì)分析的手法,對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)進(jìn)行了較為完整的設(shè)計(jì)與研究。所得結(jié)果如下：a.通過(guò)力學(xué)模型的求解,得出截割部負(fù)載曲線變化圖。b.完成設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng),并繪制原理圖,以及相關(guān)元件的選型。c.利用AMESim軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了液壓系統(tǒng)運(yùn)行的可行性,以及平衡閥所具有的保持運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定以及過(guò)載溢流特性。