一種新型的懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)

郭彬福

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)，寧夏銀川750002)

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一種新型的懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)

郭彬福

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)，寧夏銀川750002)

［摘要］介紹了新型懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理，從變量泵的恒功率、壓力切斷功能和負(fù)載敏感功能3個(gè)方面說(shuō)明新型液壓系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)功能上的優(yōu)劣;從供油方式的不同，說(shuō)明新型液壓系統(tǒng)采用恒流量系統(tǒng)較常規(guī)系統(tǒng)采用恒壓系統(tǒng)效率更高;并從冷卻效能的比較，得出新型液壓系統(tǒng)采用定量泵系統(tǒng)較常規(guī)系統(tǒng)采用變量泵系統(tǒng)具有更高的冷卻效能。

［關(guān)鍵詞］掘進(jìn)機(jī);液壓系統(tǒng);變量泵;恒流量系統(tǒng)

［引用格式］郭彬福.一種新型的懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 30－31，105.

Hydraulic System of A New-style Cantilever Tunneling Machine

掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的成本接近整機(jī)的三分之一，其經(jīng)濟(jì)性受到很高的重視。目前，掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)普遍存在元件成本高、供貨周期長(zhǎng)、功能不合理等問(wèn)題。大多數(shù)掘進(jìn)機(jī)廠家的液壓系統(tǒng)均采用某一兩個(gè)國(guó)際品牌的高端液壓元件，缺乏創(chuàng)新，沒有開發(fā)高性價(jià)比的液壓系統(tǒng)，不能滿足客戶的需求。跟國(guó)外掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)相比，國(guó)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)原理單一，缺少自主的元件，沒有掌握核心技術(shù)，亟需開發(fā)新型的掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)。

1　新型液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

新型液壓系統(tǒng)的工作原理示意如圖1所示，定量泵1輸出的壓力油液經(jīng)安全閥2、三通流量閥3進(jìn)入負(fù)載敏感多路閥4，再由負(fù)載敏感多路閥4分配到各個(gè)執(zhí)行器。三通流量閥根據(jù)負(fù)載敏感多路閥的閥芯開口度大小向執(zhí)行器提供所需流量，并將多余流量返回油箱。三通流量閥具有很好的節(jié)能效果，進(jìn)出口壓力差僅0.7MPa左右，系統(tǒng)效率高。

負(fù)載敏感多路閥4包含先導(dǎo)溢流閥5和壓力補(bǔ)償器6等元件。其中壓力補(bǔ)償器保證閥芯進(jìn)出口壓差恒定，因此新型液壓系統(tǒng)中執(zhí)行器的速度與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，僅跟閥芯的開口度有關(guān)。新型液壓系統(tǒng)具有負(fù)載敏感功能，傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)定量泵系統(tǒng)沒有負(fù)載敏感功能，執(zhí)行器速度跟負(fù)載大小有關(guān)，調(diào)速效果差且損失大。

在執(zhí)行器不動(dòng)作的待機(jī)狀態(tài)，定量泵輸出的油液通過(guò)三通流量閥低壓回油箱，油液處于低壓循環(huán)狀態(tài)，壓力損失小，產(chǎn)生的熱量小。

掘進(jìn)機(jī)的執(zhí)行器主要包括油缸、行走馬達(dá)、裝運(yùn)馬達(dá)。掘進(jìn)機(jī)的裝運(yùn)馬達(dá)為定量馬達(dá)，轉(zhuǎn)速恒定，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)為其提供固定的流量即可，特別適合使用定量泵驅(qū)動(dòng)。掘進(jìn)機(jī)的行走馬達(dá)亦為定量馬達(dá)，轉(zhuǎn)速雖要求可調(diào)，由于大多數(shù)情況是以最大速度行走的，流量變化不大，亦適合使用定量泵驅(qū)動(dòng)。掘進(jìn)機(jī)油缸的運(yùn)行速度需可調(diào)，但大多數(shù)情況下只有截割部的升降或回轉(zhuǎn)油缸動(dòng)作，流量變化不大，亦可用定量泵驅(qū)動(dòng)。因此，新型液壓系統(tǒng)所采用的定量泵適用于掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行器的運(yùn)行工況。

圖1　工作原理示意

新型液壓系統(tǒng)采用的定量泵具有耐污染能力強(qiáng)、自吸能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)。掘進(jìn)機(jī)在井下作業(yè)的環(huán)境非常惡劣，粉塵大，液壓系統(tǒng)易受污染，定量泵比變量泵適應(yīng)性更好。

2　新型液壓系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的比較

新型液壓系統(tǒng)采用定量泵(齒輪泵)，其成本遠(yuǎn)低于變量泵，且貨源廣、周期短，新型液壓系統(tǒng)成本低于變量泵系統(tǒng)。雖然新型液壓系統(tǒng)降低了成本，但其功能和效率與變量泵系統(tǒng)相當(dāng)，而且冷卻效能還優(yōu)于變量泵系統(tǒng)。

2.1新型液壓系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的功能比較

常規(guī)的掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)主要由變量泵、負(fù)載敏感多路閥、馬達(dá)、油缸等組成。其中變量泵具有恒功率、壓力切斷、負(fù)載敏感功能。

(1)變量泵的恒功率功能輸出壓力與流量的乘積為常數(shù)。即壓力升高時(shí)，流量會(huì)減少。在油泵電機(jī)的額定功率充足時(shí)，恒功率值要設(shè)得較高，否則就會(huì)出現(xiàn)壓力上升而流量提供不足的問(wèn)題。例如，在掘進(jìn)機(jī)行星輪憋卡時(shí)系統(tǒng)壓力升高，泵輸出流量減少，從而影響了刮板鏈的運(yùn)行速度。當(dāng)恒功率值設(shè)置較高時(shí)，該功能在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)不起作用。在新型液壓系統(tǒng)中，將不采用這一過(guò)剩功能。

(2)變量泵的壓力切斷功能負(fù)載壓力達(dá)到壓力切斷設(shè)定值時(shí)，使泵的斜盤擺向小排量，減小泵的輸出流量，使系統(tǒng)壓力不再升高，起到限壓作用。在新型液壓系統(tǒng)中，其限壓功能可以通過(guò)在油路上增加溢流閥實(shí)現(xiàn)，如圖1中的安全閥2和先導(dǎo)溢流閥5。

(3)變量泵的負(fù)載敏感功能根據(jù)負(fù)載反饋壓力調(diào)整泵的排量，使泵的排量達(dá)到執(zhí)行器的流量要求。在新型液壓系統(tǒng)中，該功能通過(guò)三通流量閥3和壓力補(bǔ)償器6實(shí)現(xiàn)，使流量達(dá)到執(zhí)行器的要求，并與負(fù)載大小無(wú)關(guān)。

在新型液壓系統(tǒng)中，取消正常工況不起作用的恒功率功能;由回路溢流閥替代泵的壓力切斷功能;由負(fù)載敏感閥替代泵的負(fù)載敏感功能。因此，在功能上新型液壓系統(tǒng)可替代變量系統(tǒng)。

2.2新型液壓系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的效率比較

常規(guī)的掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)主要有2種不同的供油方式:恒壓系統(tǒng)(節(jié)流控制)和變量泵系統(tǒng)。新型液壓系統(tǒng)提供了第3種供油方式——恒流量系統(tǒng)。

(1)恒壓系統(tǒng)如圖2，該系統(tǒng)使用定量泵供油，通過(guò)節(jié)流孔調(diào)節(jié)執(zhí)行器的速度，多余的流量通過(guò)溢流閥回油箱，泵總是在溢流壓力下工作。系統(tǒng)的壓力和流量損失大，效率低，發(fā)熱量大。

(2)變量泵系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)使用變量泵供油，通過(guò)變量泵的負(fù)載敏感閥保證節(jié)流孔進(jìn)出口壓差(2.5MPa左右)恒定，使執(zhí)行器的速度與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，僅跟節(jié)流孔的開口度有關(guān)。因此，變量泵的輸出流量?jī)H比執(zhí)行器所需流量稍多即可，多出部分用于元件自身的泄露。該系統(tǒng)流量損失小，效率高，發(fā)熱量小。

圖2　恒壓系統(tǒng)(節(jié)流控制)

圖3　變量泵系統(tǒng)

(3)恒流量系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)使用定量泵供油，通過(guò)三通流量閥保證節(jié)流孔進(jìn)出口壓差(0.7MPa左右)恒定，使流量達(dá)到執(zhí)行器的要求，多余流量通過(guò)三通流量閥返回油箱。該系統(tǒng)壓力、流量損失小，系統(tǒng)效率高。

圖4　恒流量系統(tǒng)(新型液壓系統(tǒng))

由圖2～圖4可以看出，上述3種供油方式中，恒壓系統(tǒng)(節(jié)流控制)效率最低;變量泵系統(tǒng)與恒流量系統(tǒng)(新型液壓系統(tǒng))的效率高，且兩者效率相當(dāng)。

2.3新型液壓系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的冷卻效能比較

眾所周知，冷卻器的冷卻效能主要與冷卻面積有關(guān)，冷卻面積越大冷卻能力越強(qiáng)。但在冷卻面積相同的情況下，冷卻效能還與通過(guò)冷卻器的油量、水量有關(guān)。在冷卻器通流能力充足的情況下，油量、水量越大冷卻效能越好。

掘進(jìn)機(jī)的冷卻器安裝在系統(tǒng)的回油油路，冷卻

的油量跟回油量相關(guān)。在常規(guī)的變量系統(tǒng)中，變量泵輸出的流量是變化的，其回油量也隨之變化，多數(shù)工況下平均回油量?jī)H為最大流量的60%左右。在新型液壓系統(tǒng)中，采用定量泵系統(tǒng)，其輸出流量與回油量基本一致，通過(guò)冷卻器的油量約為最大流量的100%。因此，在冷卻器冷卻面積和通水情況一致的情況下，新型液壓系統(tǒng)的冷卻效能高于變量系統(tǒng)，系統(tǒng)油溫可得到有效控制。

3　結(jié)束語(yǔ)

新型的懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)在常規(guī)的掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用恒流量系統(tǒng)原理，使新型液壓系統(tǒng)在功能上可替代變量泵系統(tǒng)，在效率上與變量泵系統(tǒng)相當(dāng)。該系統(tǒng)通過(guò)科技創(chuàng)新，既保證系統(tǒng)的可靠性和性能又降低了系統(tǒng)成本，為今后懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展提供了新思路。

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［責(zé)任編輯:徐亞軍］

青年論壇

［作者簡(jiǎn)介］郭彬福(1964－)，男，寧夏永寧人，工程師，主要從事煤礦機(jī)電技術(shù)、管理工作。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.009

［收稿日期］2014－08－26

［中圖分類號(hào)］TD421.5

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1006-6225 (2015) 02-0030-02