掘進機的液壓系統設計與分析

詹廣強 王俊峰 康熙

摘要：掘進機的工作運行與液壓技術緊密相關，二者相互促進。掘進機采用液壓系統具有許多突出的優點，如結構簡單、控制簡單、操作簡便省力、易于實現自動化、體積小、調速性能好、過載保護性能好等。因此研究掘進機及其液壓系統具有重要的意義。本文關于掘進機液壓系統的設計主要針對液壓系統的回路、元件、工作原理等進行了詳細的分析、選型和研究。

關鍵詞：掘進機；液壓系統；元件選用1掘進機液壓系統回路循環方式選擇

回路的循環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。根據循環方式的特點，如選用開式系統，要考慮機器的體積，若采用閉式系統，應考慮散熱條件。由于掘進機液壓系統多為泵——缸系統，泵——缸和泵——馬達組成的混合系統，油泵向二個以上執行元件供液的組成式系統，所以掘進機的液壓系統設計成開式系統[1]。

2掘進機液壓系統的基本組成

按照掘進機工作裝置和各個機構的傳動要求，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。它是以油液為工作介質、利用液壓泵將液壓能轉變為機械能，進而實現掘進機的各種動作。掘進機除了截割頭的旋轉運動外，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。

按照掘進機工作裝置和各個機構的傳動要求，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。它是以油液為工作介質、利用液壓泵將液壓能轉變為機械能，進而實現掘進機的各種動作。按照不同的功能可將挖掘機液壓系統分為幾個基本部分：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

油缸回路為了實現油缸伸縮，采用齒輪泵的供油，包括工作機構升降油缸、工作機構回轉油缸、工作機構伸縮油缸、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，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生。限制系統的最大壓力，使系統和元件不因過載而損壞，通常用安全閥來實現，安全閥設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。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，由溢流閥調定。可以把齒輪泵輸出的油液經一個手動換向閥的動作，來控制馬達的正反轉。利用節流閥的可變通流截面改變流量而實現調速的目的，通常用于定量系統中改變執行元件的流量。這種調速方式結構簡單，能夠獲得穩定的低速。根據節流閥的安裝位置，節流調速有進油節流調速和回油節流調速兩種。

裝載機構為進油節流調速，節流閥安裝在高壓油路上，液壓泵經換向閥與節流閥串聯，壓力油經節流閥和換向閥進入馬達。

這種節流方式由于節流后進入執行元件的油溫較高，增大滲漏的可能性，加以回油無阻尼，速度平穩性較差，發熱量大，效率較低。但可以很好的實現限速。

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一個手動換向閥控制馬達的正反轉。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點適合掘進機的工作環境。如：噪音低；啟動扭矩大，具有良好的低速穩定性，能在很低的速度下平穩運轉；采用平面補償配流盤，泄漏少，維修方便；效率高，轉速范圍寬，可靠性好，壽命長；體積小，重量輕，功率質量比高等。

根據馬達輸出功率，轉速，額定壓力，和轉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，低速穩定性好。裝載馬達為2個排量為1300ml/r的液壓馬達，系統工作壓力為14Mpa。輸送馬達排量為600ml/r，系統工作壓力為14Mpa。

3.2 液壓泵的選用

選用雙聯齒輪泵，這種泵具有結構簡單、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，初算時可按經驗數據選取：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 一般取1.1-1.3；

——系統最大流量。

發生在馬達全速運轉時：

⑶選擇泵的規格

根據以上求得的Pp和Qp值，按系統中擬定的液壓泵的形式，從產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雙聯齒輪泵，排量調節為 ，額定壓力16Mpa，轉速 。

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的最高壓力，防止系統過載或維持壓力近似恒定。本系統中選用二級同心先導式溢流閥，安裝在泵的出油口處，用來恒定系統壓力，防止超壓，保護系統安全運行。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廠家的樣本中查得。

產品型號為：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，無沖擊振動。

產品型號為：LHK33G-21-180/180。

⑶單向閥。系統單向閥也是必不可少的元件，它用來防止油液倒流，從而使執行元件停止運動，或保持執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。

產品型號為：KDF/C

⑷換向閥。在系統中要用到一組五聯多路換向閥，每個閥為三位四通換向閥。在系統中換向閥的主要作用是改變壓力油進入執行元件的方向，進而實現不同的動作要求，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）

五聯多路換向閥產品型號為：ZL15GOT-OT-OT-YT-YT。

⑸節流閥。在一定的閥口壓差作用下通過改變閥口的通流面積來調節其通過流量，因而可對液壓執行元件進行調速。

這里使用的單向節流閥的產品型號為：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確定調速方式

液壓系統調速方式分有容積調速、節流調速及兩種合成的聯合調速。選擇調速方案要考慮三個原則。

4.1 根據壓力，速度和負載變化特點選擇

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

要求達到微小的低速時，應選節流調速。負載變化較大，又影響速度的穩定性，如果要求速度的穩定性較高，在選擇調速方法時應該同時考慮速度穩定的方法。

選擇調速方法時，還應該考慮負載的變化是恒功率，還是恒扭矩的特性。

4.2 根據工作條件選擇

要特別注意液壓系統的振動、噪音和發熱等造成的一些不良影響，節流調速會導致油液的嚴重發熱，在這種情況下，即使功率不大也要考慮選用容積調速，或選變量泵，節流閥的聯合調速。

4.3 根據成本費用選擇

一般來說，節流調速費用低，容積調速和聯合調速費用高。但同時也并非如此，如果采用變量泵將節流調速改變成聯合調速，可以節省一個定量泵和其他一些液壓元件，設備費用反而會降低。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速方式為根據各執行元件的工作程序來獲得不同的速度。將轉載機構油馬達的供油管路，經過一個換向閥與行走機構油馬達的供油管路并聯。裝載機構停止工作時，掘進機可以較高速行駛，以實現快速調動，而當行走機構油馬達停止工作時，使該油路卸荷，不向行走機構油馬達供油，保證裝載工作正常進行。

5掘進機的液壓系統原理圖及分析

工作機構伸縮液壓系統：主泵→單向閥→手動換向閥→液壓缸→冷卻器→油箱。可實現液壓缸的伸縮，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，鎖緊。

工作機構升降液壓系統：主泵→單向閥→手動換向閥→節流閥→液壓缸→冷卻器→油箱。可實現液壓缸的伸縮，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。節流閥可以控制速度，避免爆管事故的發生。

工作機構回轉系統：主泵→單向閥→手動換向閥→液壓缸→冷卻器→油箱。可實現液壓缸的伸縮，換向閥在左位時，左桿伸出右桿縮回，機構向右轉。處于右位時，左桿縮回右桿伸出，機構向左轉。在中間位置時，保持狀態。

鏟板升降系統：主泵→單向閥→手動換向閥→液壓缸→冷卻器→油箱。可實現鏟板的升降，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。平衡閥用來保證工作平穩，防止沖擊振動

鏟板支撐系統：主泵→單向閥→手動換向閥→液壓缸→冷卻器→油箱。可實現后支撐油缸的升降，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。平衡閥用來保證工作平穩，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。

[參考文獻]

[1]楊培元,朱福元,主編.液壓系統設計簡明手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.8.

[2]吳宗澤.機械設計師手冊（下）[M].北京：機械工業出版社,2002.

[3]煤炭工業部生產司開拓處組織.掘進機選型手冊.北京：煤炭工業出版社,1989.