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，通風條件差，機器的體積受工作面空間的嚴格限制。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，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個液壓馬達供油，由溢流閥調(diào)定?？梢园妖X輪泵輸出的油液經(jīng)一個手動換向閥的動作，來控制馬達的正反轉(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。

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供油，由齒輪泵輸出油液經(jīng)一個手動換向閥控制馬達的正反轉(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 液壓馬達的選用

選用低速大扭矩液壓馬達，這種馬達具有很多優(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型號為：NHM1-63，用于行走。排量為63ml/r的液壓馬達，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。裝載馬達為2個排量為1300ml/r的液壓馬達，系統(tǒng)工作壓力為14Mpa。輸送馬達排量為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入口之間總的管路損失。 的準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)選取：管路簡單，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，以達到執(zhí)行元件動作達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。

手動換向閥的產(chǎn)品型號為：

34SM-B20H-T（左、右行走馬達）

34SH-B20H-W（中間輸送機馬達）

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。

要求達到微小的低速時，應選節(jié)流調(diào)速。負載變化較大，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)速方法時應該同時考慮速度穩(wěn)定的方法。

選擇調(diào)速方法時，還應該考慮負載的變化是恒功率，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)速會導致油液的嚴重發(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)油馬達的供油管路，經(jīng)過一個換向閥與行走機構(gòu)油馬達的供油管路并聯(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，而當行走機構(gòu)油馬達停止工作時，使該油路卸荷，不向行走機構(gòu)油馬達供油，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?？蓪崿F(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.