靜液壓-機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在地下裝載機(jī)的應(yīng)用

謝 軍 ,劉 威 ,趙金元

(1.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南衡陽(yáng) 421002;2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南長(zhǎng)沙 410012;3.中鋼集團(tuán)衡陽(yáng)機(jī)械公司技術(shù)中心,湖南衡陽(yáng) 421002)

0 前言

隨著地下無(wú)軌采礦設(shè)備發(fā)展,地下裝載機(jī)已成為地下礦山機(jī)械化生產(chǎn)的主要設(shè)備。由于地下裝載機(jī)在鏟裝作業(yè)時(shí),需要頻繁地前進(jìn)、后退,不斷地加速、減速。在卸載時(shí),為了盡量地靠近運(yùn)礦車或溜井時(shí),需要微動(dòng)操作。在鏟取時(shí),需要低速大驅(qū)動(dòng)力。在道路上行駛時(shí),要求能夠高速行駛。因此,它所需驅(qū)動(dòng)力和速度的變化范圍都很廣,為達(dá)到這個(gè)目的,在設(shè)計(jì)地下裝載機(jī)行駛系統(tǒng)時(shí),采用靜液壓-機(jī)械驅(qū)動(dòng)。

1 靜液壓-機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的組成

小型地下礦山使用的地下裝載機(jī),大多使用小斗容、小功率的地下裝載機(jī),斗容一般在1 m3以下,這種地下裝載機(jī)一般都采用靜液壓—機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式,這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成如圖1 所示。

圖1 靜液壓-機(jī)械傳動(dòng)地下裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)原理是:電動(dòng)機(jī)(或柴油機(jī))帶動(dòng)油泵工作,壓力油再驅(qū)動(dòng)油馬達(dá),馬達(dá)帶動(dòng)傳動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)前、后橋直至輪邊,使地下裝載機(jī)前進(jìn)或后退行走。

2 靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的原理

靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是靠改變液壓泵或液壓馬達(dá)的工作容積(排量),是一個(gè)閉式容積調(diào)速液壓回路。主要有變量泵-定量馬達(dá)、定量泵-變量馬達(dá)、變量泵-變量馬達(dá)三種。

對(duì)變量泵-變量馬達(dá),理論上講,該配置可提供扭矩和速度對(duì)功率之比達(dá)無(wú)限大的值。當(dāng)馬達(dá)在最大排量,同時(shí)扭矩保持不變時(shí),油泵輸出變化與速度和功率輸出變化成正比。在油泵滿排量時(shí),馬達(dá)排量減少使馬達(dá)速度達(dá)到最大,扭矩變化與速度成反比,而功率仍保持不變,如圖2 所示。在圖中有兩個(gè)可調(diào)節(jié)的范圍,范圍1 首先把馬達(dá)排量固定在最大值,然后將泵的流量從0 增加到最大,達(dá)到調(diào)速目的,此過(guò)程,扭矩保持不變。因泵排量增加,功率和速度是增加的。其工作特性相同于變量泵-定量馬達(dá)回路的性能。范圍2 是當(dāng)泵排量調(diào)到最大時(shí),再把馬達(dá)排量減少,進(jìn)一步達(dá)到調(diào)速目的,其工作特性相同于定量泵-變量馬達(dá)回路的性能。雖然此范圍扭矩隨速度增加而減少,但功率仍保持不變。理論上,馬達(dá)轉(zhuǎn)速可以無(wú)限增加,但是,從實(shí)際情況來(lái)看它是受動(dòng)力限制的。由于該回路是變量泵-定量馬達(dá)、定量泵-變量馬達(dá)兩種回路的組合,其工作特性適應(yīng)地下裝載機(jī)工作負(fù)載要求,即在低速時(shí)要求有較大的扭矩;而在高速時(shí),扭矩可以相應(yīng)減小,因此,這種調(diào)速回路在小型地下裝載機(jī)用得很普遍,大中型地下裝載機(jī)也在逐漸推廣。圖3 是CY-0.75 型地下裝載機(jī)靜液壓傳動(dòng)液壓原理圖。

圖2 變量泵-變量馬達(dá)調(diào)速特性示意圖

該液壓系統(tǒng)由柱塞變量油泵、變量油馬達(dá)、液壓油箱、濾油器、散熱器、液壓膠管和其它附件組成。電動(dòng)機(jī)(或柴油機(jī))通過(guò)彈性聯(lián)軸器連接油泵并驅(qū)動(dòng)油泵工作,油馬達(dá)與減速箱連接以輸出扭矩,油泵和油馬達(dá)之間通過(guò)液壓膠管連接。這是一個(gè)閉式負(fù)載反饋系統(tǒng),當(dāng)行駛阻力增大負(fù)載變化,油馬達(dá)負(fù)荷也發(fā)生變化,通過(guò)壓力變化反饋給變量油泵的伺服調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),改變變量泵斜盤的角度,以改變變量泵的排量,從而改變變量油馬達(dá)的速度,整個(gè)過(guò)程是一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)的過(guò)程。

圖3 CY-0.75 型地下裝載機(jī)靜液壓傳動(dòng)液壓原理圖

3 靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中各回路及液壓元件簡(jiǎn)介

3.1 擺線補(bǔ)油泵回路

補(bǔ)油泵為齒輪泵,安裝于油泵(雙聯(lián)變量泵)后端蓋上(如圖3 所示),并和主軸以相同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。吸油口從液壓油箱吸油,補(bǔ)油泵的作用是:

(1)以一定壓力的供壓油經(jīng)伺服機(jī)構(gòu)來(lái)推動(dòng)伺服油缸,并以此來(lái)改變油泵斜盤傾角,從而調(diào)節(jié)油泵的排量;

(2)提供閉式液壓系統(tǒng)補(bǔ)充內(nèi)部泄漏的油;

(3)通過(guò)溢流閥溢出的油對(duì)油泵和油馬達(dá)零件起冷卻作用;

(4)為油泵和油馬達(dá)提供一定的背壓;

(5)通過(guò)主油泵殼體的外接口,提供其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓能源,比如:駐車制動(dòng)器釋放、馬達(dá)變量等;

(6)維持固定的回路沖洗流量。

3.2 變量泵和變量油馬達(dá)系統(tǒng)

輔助補(bǔ)油泵輸出的液壓油給變量泵后端蓋內(nèi)的補(bǔ)油閥(單向閥):一個(gè)單向閥開啟,進(jìn)入油路中的低壓油;另一個(gè)單向閥在高壓油的作用下關(guān)閉,這種過(guò)程交叉往返連續(xù)不斷的循環(huán)。

變量泵和變量油馬達(dá)組成的閉式系統(tǒng),變量油馬達(dá)后蓋上組裝一個(gè)集成閥,為保證閉式傳動(dòng)油路系統(tǒng)的正常工作,集成閥是由兩個(gè)安全閥、一個(gè)低壓溢流閥所組成。兩個(gè)安全閥分別并聯(lián)在兩個(gè)主油路上,當(dāng)任何一個(gè)油路引起突然超載時(shí),安全閥迅速自動(dòng)打開卸載,確保油泵和油馬達(dá)油路系統(tǒng)安全。

3.3 冷卻回路

從集成閥中低壓溢流閥溢出來(lái)的過(guò)量冷卻油先進(jìn)入馬達(dá)殼體內(nèi),然后經(jīng)馬達(dá)殼體的油管到油泵殼體內(nèi)。在這種方式下,油泵的補(bǔ)油泵出口的油經(jīng)溢流閥溢流后依次流經(jīng)每一個(gè)液壓元件,有助于液壓元件的冷卻。然后,冷卻油從油泵殼體出來(lái),經(jīng)過(guò)散熱器到油箱,完成冷卻油的循環(huán)。

(1)散熱器維持液壓系統(tǒng)油液在合理的溫度范圍內(nèi);

(2)散熱器的計(jì)算需要基于最惡劣的情況;

(3)對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用,散熱能力大約等于1/3的發(fā)動(dòng)機(jī)功率;

(4)強(qiáng)烈推薦在啟動(dòng)調(diào)試的時(shí)候進(jìn)行系統(tǒng)溫度測(cè)試;

(5)推薦使用旁通閥,限制冷啟動(dòng)時(shí)的背壓。

3.4 手動(dòng)排量控制閥的構(gòu)造與功能

手動(dòng)排量控制閥的構(gòu)造是,通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)手柄操縱桿左右兩個(gè)方向擺動(dòng),控制排量控制閥的閥芯開口度來(lái)控制兩個(gè)伺服控制油缸流量大小,保證了平穩(wěn)可靠地改變變量主油泵(變量油馬達(dá))的排量,從而控制地下裝載機(jī)的行駛速度和方向,如圖4 所示。

圖4 靜液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

控制油缸的進(jìn)油孔裝有阻尼,能限制加速作用。閥的操縱桿裝有彈簧將閥芯保持在中間位置,把兩個(gè)伺服控制油缸的進(jìn)油口都封閉。伺服控制油缸回位彈簧的作用是使斜盤自動(dòng)回到中立位置上,達(dá)到自動(dòng)停車的目的(如圖4 所示)。

3.5 截止閥

在靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖上,截止閥與集成閥一起使用。當(dāng)它處于關(guān)閉位置時(shí),對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有影響。而處于開啟位置時(shí),使油流繞過(guò)馬達(dá),這樣能消除因油泵中立位置誤差引起的油液得到循環(huán),但不能用其來(lái)控制馬達(dá)的速度,否則會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱。

4 靜液壓-機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)地下裝載機(jī)工作過(guò)程

在地下裝載機(jī)靜液壓-機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中,變量油泵安裝在電動(dòng)機(jī)(或柴油機(jī))上,變量油馬達(dá)安裝在減速箱上,減速箱輸出用傳動(dòng)軸與前后驅(qū)動(dòng)橋相連帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)司機(jī)踩下踏板,通過(guò)機(jī)械連桿控制變量泵上伺服閥操縱手柄左方向擺動(dòng),回轉(zhuǎn)斜盤向左側(cè)偏轉(zhuǎn),壓力油推動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn),裝載機(jī)就向前行駛。反之,裝載機(jī)就向后行駛。操縱手柄處于中間位置,機(jī)器處于空擋停車位置,裝載機(jī)的速度快慢。處決于斜盤偏轉(zhuǎn)角度大小。

5 靜壓液壓傳動(dòng)閉式回路系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1)轉(zhuǎn)速高可實(shí)現(xiàn)全車速范圍內(nèi)無(wú)級(jí)變速,傳動(dòng)綜合效率比液力機(jī)械傳動(dòng)高;

(2)沒(méi)有控制閥;

(3)沒(méi)有制動(dòng)閥,具有制動(dòng)效果,能防止在坡道上下滑,便于堆料場(chǎng)上作業(yè);

(4)油箱小;

(5)冷卻器小;

(6)驅(qū)動(dòng)可逆可通過(guò)微動(dòng)踏板,改變變量泵斜盤傾角,使車速平穩(wěn)連續(xù)變化;

(7)通過(guò)使用電子技術(shù)可使控制更靈敏、精確。

6 地下裝載機(jī)靜液壓傳動(dòng)裝置的安裝、調(diào)試與維護(hù)保養(yǎng)

地下裝載機(jī)由于在井下采掘面進(jìn)行作業(yè),其工作環(huán)境非常惡劣。為提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性,不至于早期損壞,延長(zhǎng)其使用壽命,必須保證定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng),主要保養(yǎng)內(nèi)容有:

6.1 液壓泵和液壓馬達(dá)的安裝、調(diào)試與維護(hù)保養(yǎng)

液壓泵和液壓馬達(dá)的安裝過(guò)程中不可使用蠻力(用錘砸),也不可產(chǎn)生頂軸現(xiàn)象。首次啟動(dòng)液壓泵時(shí),要向泵的殼體中灌滿干凈的液壓油,不會(huì)產(chǎn)生磨損。泵啟動(dòng)后從電機(jī)后風(fēng)扇位置正對(duì)泵軸,檢查泵的旋向是否正確。如泵的旋向不對(duì),立即停車更換。

6.2 管路的選擇

液壓系統(tǒng)中使用的油管主要有鋼管、紫銅管、橡膠金屬管等,須其安裝的位置、工作條件和工作壓力來(lái)正確選用,油管的規(guī)格尺寸指內(nèi)徑和壁厚,可依據(jù)下面公式算出后,查有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)選定。

式中d—內(nèi)徑,m;

q—管內(nèi)流量,L/min;

υ—管中油液的流速,吸油管取:0.5～1.5 m/s;回油管取:1.5～2.5 m/s;短管及局部收縮取:5～7 m/s;壓力油管取:2.5～5 m/s;(壓力高的取大值,低的取小值);

δ—油管壁厚,m;

P—管內(nèi)工作壓力,MPa;

n—安全系數(shù),對(duì)鋼管來(lái)說(shuō),P＜7 MPa 時(shí)取n=8,7 MPa ＜P＜17.5 MPa 時(shí)取n=6,P＞17.5 MPa 時(shí)取n=4;

σb—管道材料的抗拉強(qiáng)度,MPa。

6.3 液壓油的選擇

由于地下裝載機(jī)工作環(huán)境惡劣,通風(fēng)條件差,油溫高,散熱慢,對(duì)油液的粘溫特性和最佳使用粘度范圍滿足一定的要求,采用上稠L-HM68 液壓油,其性能參數(shù)應(yīng)符合表1。

表1 液壓油性能參數(shù)

7 靜液壓傳動(dòng)地下轉(zhuǎn)載機(jī)的常見(jiàn)故障及處理方法

靜液壓傳動(dòng)地下裝載機(jī)在使用中,會(huì)出現(xiàn)各種異常狀況和故障現(xiàn)象,如不及時(shí)加以診斷逐步找出問(wèn)題所在并解決問(wèn)題,必將影響裝載機(jī)的正常工作。下面將介紹一般故障的排除方法,如表2 所示。

8 結(jié)束語(yǔ)

地下裝載機(jī)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用靜液壓—機(jī)械傳動(dòng),其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化、成本低,可實(shí)現(xiàn)全車速范圍內(nèi)無(wú)級(jí)變速,傳動(dòng)綜合效率比液力機(jī)械傳動(dòng)高,安全可靠。在小型地下裝載機(jī)和其他無(wú)軌采礦車輛中得到普遍應(yīng)用,也將在大中型地下裝載機(jī)中得到逐漸推廣。

表2 一般故障的排除方法