WJ-7FB礦用多功能鏟運(yùn)機(jī)全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀克偉

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西太原030006)

礦用鏟運(yùn)機(jī)用于煤礦井下輔助材料的運(yùn)輸，作為無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備，它具有鏟、叉、運(yùn)等多種功能，擔(dān)負(fù)著井下裝卸料和運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，某些鏟運(yùn)機(jī)配備液壓破碎錘，還可用于井下路面的修建。相對(duì)于井下其他裝載設(shè)備，礦用鏟運(yùn)機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、活動(dòng)范圍廣、生產(chǎn)能力大等特點(diǎn)［1］。

礦用鏟運(yùn)機(jī)采用前后機(jī)架中央鉸接式結(jié)構(gòu)，經(jīng)上下兩根銷軸對(duì)聯(lián)，允許前后機(jī)架左右相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)采用雙缸轉(zhuǎn)向的鏟運(yùn)機(jī)，整機(jī)的轉(zhuǎn)向通過(guò)兩端分別固定在前后機(jī)架上的油缸來(lái)完成，轉(zhuǎn)向時(shí)一根油缸活塞桿伸出、一根油缸活塞桿縮回。采用鉸接式液壓轉(zhuǎn)向方式理論上可以獲得轉(zhuǎn)向靈活、轉(zhuǎn)彎半徑小的轉(zhuǎn)向性能［2］。但礦井底下地面復(fù)雜、巷道窄而彎道多，鏟運(yùn)機(jī)經(jīng)常要行駛在凹低不平路面、松軟的泥煤或是碎石場(chǎng)地。為了適應(yīng)復(fù)雜的井底環(huán)境，要求礦用鏟運(yùn)機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具備操作靈活、操作力小、動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)合理的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)十分重要。

1 全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)成及分析

1.1 全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)成

全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由液壓泵、轉(zhuǎn)閥式轉(zhuǎn)向器(以下稱轉(zhuǎn)向器)、液壓缸及液壓輔助元件組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。轉(zhuǎn)向器與液壓缸通過(guò)管路連接，轉(zhuǎn)向器作為全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的元件由駕駛?cè)藛T經(jīng)方向盤進(jìn)行操控，方向盤與轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向器控制閥芯分別經(jīng)花鍵配合，液壓系統(tǒng)工作時(shí)，液壓泵輸出油液至轉(zhuǎn)向器，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向器內(nèi)部控制閥芯隨之旋轉(zhuǎn)，油液經(jīng)控制閥芯和閥套間的過(guò)流截面流向計(jì)量馬達(dá)，然后經(jīng)計(jì)量馬達(dá)輸出至液壓缸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整機(jī)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向器輸出油液的多少與方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢有關(guān)，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，轉(zhuǎn)向器單位時(shí)間輸出至液壓缸的油液就多［3］。

圖1 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油路分析

轉(zhuǎn)向器中位狀態(tài)下工作油路R、L 口存在不同的油口狀態(tài)，R、L 口互通狀態(tài)，見圖1 (a)，外界負(fù)荷作用在整機(jī)上的力可以反饋至方向盤，操作人員釋放方向盤后，方向盤可以自動(dòng)復(fù)位，設(shè)備不能維持方向盤釋放時(shí)的狀態(tài);R、L 口封閉狀態(tài)，將此稱之為無(wú)反應(yīng)狀態(tài)［4］，如圖1 (b)，在此狀態(tài)下外界負(fù)荷作用在整機(jī)上的力不會(huì)反饋至方向盤上，配置此種機(jī)能轉(zhuǎn)向器的設(shè)備，操作人員釋放向盤后，設(shè)備能夠保持方向盤釋放時(shí)的狀態(tài);中位R、L、T 口互通狀態(tài)，此中位機(jī)能轉(zhuǎn)向器可作為先導(dǎo)元件，與液控操作轉(zhuǎn)向閥匹配使用，用在重型車輛的轉(zhuǎn)向上［5］。

轉(zhuǎn)向器位于中位時(shí)P、T 口存在導(dǎo)通和封閉狀態(tài)，P、T 口導(dǎo)通機(jī)能可以用于定量泵供油系統(tǒng)，如圖1 (a);P、T 口封閉機(jī)能可用于定量泵系統(tǒng)，如圖2 (a)，或用于變量泵供油系統(tǒng)，如圖1 (b)和圖2 (b)。與圖1 相比較，圖2 所示為具備優(yōu)先轉(zhuǎn)向功能的負(fù)載敏感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在定量泵優(yōu)先轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，優(yōu)先閥作為定壓差閥感應(yīng)轉(zhuǎn)向LS 信號(hào)優(yōu)先保證CF 口的油液供給，多余油液經(jīng)EF 口流向工作回路［6－7］，工作回路必須采用開芯式結(jié)構(gòu)或是采用旁通溢流結(jié)構(gòu)，以保證待命時(shí)定量泵系統(tǒng)處于低壓卸荷狀態(tài)。變量泵優(yōu)先負(fù)載敏感系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向LS 信號(hào)與工作回路LS 信號(hào)比較后反饋至變量泵排量控制機(jī)構(gòu)上，變量泵根據(jù)轉(zhuǎn)閥閥口和工作回路閥口開度提供與之相匹配的流量輸出［8－9］。

圖2 負(fù)載敏感液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

1.3 全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比較

定量泵和變量泵全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油路簡(jiǎn)圖如圖3所示，定量泵供油全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可視為節(jié)流調(diào)節(jié)的閥控缸調(diào)速系統(tǒng)，定量泵在轉(zhuǎn)速恒定時(shí)輸出的流量為一定值，在轉(zhuǎn)向器動(dòng)作時(shí)，定量泵的輸出流量一部分流向轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)整機(jī)轉(zhuǎn)向，一部分油液供給工作回路動(dòng)作，多余的油液以高于兩個(gè)回路之中壓力較高值約1 ～2 MPa 的壓力卸荷至油箱，卸荷的油液因壓力損失將造成液壓油油溫的升高，整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮加大液壓油箱的容量或加裝散熱裝置以便將油溫控制在合理范圍內(nèi)。

圖3 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油路簡(jiǎn)圖

變量泵全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為容積節(jié)流調(diào)節(jié)的閥控缸調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)配備恒壓變量泵的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，恒壓變量泵實(shí)時(shí)以壓力切斷值的待命壓力給轉(zhuǎn)向器供油，只要轉(zhuǎn)向器動(dòng)作，恒壓泵能快速地供給壓力油，并及時(shí)調(diào)整泵的排量以匹配轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的流量和壓力需求，雖然待命時(shí)壓力高，但此時(shí)恒壓泵僅輸出少量流量，以滿足泵本身和系統(tǒng)的泄漏，系統(tǒng)泄漏因壓力損失引起的熱量小。采用變量泵LS 反饋優(yōu)先轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向和工作回路未動(dòng)作時(shí)，變量泵以1.5 ～3 MPa 的壓力處于待命狀態(tài)，轉(zhuǎn)向或工作回路動(dòng)作時(shí)變量泵可提供系統(tǒng)需要的壓力和流量，但系統(tǒng)LS 管路長(zhǎng)短、布置及走向在一定程度上會(huì)減弱LS 反饋信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)靈敏度造成影響，同時(shí)采用此系統(tǒng)必須滿足待命狀態(tài)下LS 信號(hào)能夠及時(shí)卸荷。

對(duì)比定量泵和變量泵全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)WJ-7FB 鏟運(yùn)機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)與布置，并考慮到整機(jī)在井下運(yùn)行時(shí)地面情況復(fù)雜、作用在整機(jī)上的外作用力大，采取恒壓泵供油中位閉芯，R、L 口封閉的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

2 WJ-7FB 鏟運(yùn)機(jī)恒壓閉芯無(wú)反應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能分析

WJ-7FB 多功能鏟運(yùn)機(jī)的全液壓轉(zhuǎn)向原理如圖4所示，恒壓變量泵采用壓力補(bǔ)償柱塞變量泵(以下簡(jiǎn)稱柱塞變量泵)，轉(zhuǎn)向回路配置轉(zhuǎn)向蓄能器5，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，柱塞變量泵和轉(zhuǎn)向蓄能器同時(shí)給閉芯轉(zhuǎn)向器供油實(shí)現(xiàn)整機(jī)轉(zhuǎn)向;此系統(tǒng)還包含制動(dòng)回路，柱塞變量泵和制動(dòng)蓄能器13 給制動(dòng)回路供油，實(shí)現(xiàn)整機(jī)制動(dòng)釋放。轉(zhuǎn)向和制動(dòng)回路分別經(jīng)氣控?fù)Q向閥9 和14 與整機(jī)氣路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相互閉鎖。

圖4 WJ-7FB 全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理

2.2 工作原理和系統(tǒng)特點(diǎn)

整機(jī)啟動(dòng)時(shí)柱塞變量泵輸出的油液經(jīng)高壓過(guò)濾器3、單向閥4 和12 分別向轉(zhuǎn)向蓄能器5 和制動(dòng)蓄能器13 充液，充液完畢后柱塞泵處于高壓等待狀態(tài)，設(shè)定柱塞變量泵的壓力切斷值為16 MPa，系統(tǒng)安全閥7設(shè)定壓力19 MPa。

轉(zhuǎn)向回路配置轉(zhuǎn)向蓄能器5 后，整機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)獲得壓力油的速度相對(duì)于單柱塞泵供油時(shí)更快，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間縮短，轉(zhuǎn)向靈活。在轉(zhuǎn)向過(guò)程中外界負(fù)荷引起轉(zhuǎn)向壓力突升時(shí)，可經(jīng)R、L 口的緩沖溢流閥卸荷，緩沖溢流閥壓力設(shè)定值高于安全閥5 ～7 MPa，此時(shí)轉(zhuǎn)向蓄能器可吸收系統(tǒng)壓力沖擊和振動(dòng)。

整機(jī)或柱塞變量泵出現(xiàn)故障，系統(tǒng)失去動(dòng)力時(shí)，轉(zhuǎn)向蓄能器5 可作為緊急動(dòng)力源供給轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器此時(shí)可以作為手動(dòng)泵使用，操縱方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向器通過(guò)P、T 口間的單向閥經(jīng)T 口從油箱吸油，同時(shí)轉(zhuǎn)向缸的回液輸送到P 口，實(shí)現(xiàn)車輛緊急轉(zhuǎn)向。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與整機(jī)氣路系統(tǒng)經(jīng)氣控?fù)Q向閥9 進(jìn)行閉鎖，整機(jī)未解制動(dòng)時(shí)氣控?fù)Q向閥9 切斷轉(zhuǎn)向器油液的供給，車輛無(wú)法轉(zhuǎn)向，可以防止車輛在制動(dòng)器制動(dòng)狀態(tài)下操作方向盤時(shí)磨損輪胎。

轉(zhuǎn)向回路配備截止閥6，設(shè)定為常閉狀態(tài)，在車輛故障檢修和吊裝整機(jī)運(yùn)輸時(shí)，操作截止閥可人為釋放轉(zhuǎn)向蓄能器的壓力油液，以防止誤操縱方向盤造成周邊設(shè)備損壞和人員傷害。

另外，制動(dòng)回路經(jīng)柱塞泵和制動(dòng)蓄能器13 向腳踏制動(dòng)閥供液，與整機(jī)氣路系統(tǒng)經(jīng)氣控?fù)Q向閥14進(jìn)行閉鎖，操作此閥實(shí)現(xiàn)車輛的緊急制動(dòng)與制動(dòng)釋放功能。蓄能器卸荷閥15 控制信號(hào)取自傳動(dòng)系統(tǒng)壓力油，車輛熄火后傳動(dòng)壓力消失，蓄能器卸荷閥自動(dòng)釋放掉制動(dòng)蓄能器內(nèi)壓力油，實(shí)現(xiàn)彈簧制動(dòng)器動(dòng)作。

轉(zhuǎn)向回路與制動(dòng)回路配合使用，在滿足整機(jī)轉(zhuǎn)向性能時(shí)，又保證了整機(jī)的安全性。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用恒壓變量泵，并配備轉(zhuǎn)向蓄能器的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間短，轉(zhuǎn)向靈敏，系統(tǒng)節(jié)能，可實(shí)現(xiàn)整機(jī)正常行駛和系統(tǒng)失去動(dòng)力緊急狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向，與制動(dòng)回路相配合滿足了WJ-7FB 多功能鏟運(yùn)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)使用。

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