掘進機電液雙控系統(tǒng)的研究

(山西天地煤機裝備有限公司掘進機研究所, 山西太原 030006)

引言

隨著國家“智能礦山”的提出，煤礦設(shè)備的遠程控制、智能化等功能逐步受到市場青睞。但在發(fā)展過程中存在過渡階段，大部分礦區(qū)在采用遠程控制的同時還要保留機載操作臺，即電液雙控系統(tǒng)。掘進機電液雙控系統(tǒng)各自獨立且實現(xiàn)互鎖功能。在實踐應(yīng)用中，電液雙控系統(tǒng)會出現(xiàn)液控動作緩慢的問題。當(dāng)掘進機裝載運輸同時動作并采用液控操作時，裝運馬達轉(zhuǎn)速緩慢甚至停轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響正常工作。針對以上問題分析系統(tǒng)原理及各元件原理，并結(jié)合現(xiàn)場故障現(xiàn)象展開討論研究[1-4]。

1 分析電液雙控系統(tǒng)原理及故障診斷

1.1 雙控系統(tǒng)簡介

一般掘進機由2個獨立的液壓回路組成，其中裝載運輸系統(tǒng)為1個獨立回路。如圖1所示，裝載、運輸3個動作由1組多路閥控制，液控手柄進油來自對應(yīng)主閥。掘進機正常工況下，裝載和運輸馬達必須同時動作[5]。

圖1 掘進機裝運液壓組成圖

電液雙控液壓原理圖如圖2所示：該圖僅為單一動作原理圖，其他動作與其原理相同，并聯(lián)且相互獨立。該回路采用負(fù)載敏感系統(tǒng)，圖中負(fù)載敏感閥主要由壓力補償閥3、主安全閥4、梭閥5、電磁換向先導(dǎo)閥6、換向主閥7、減壓閥9和先導(dǎo)安全閥10組成。先導(dǎo)手柄1的油液由負(fù)載敏感閥經(jīng)過減壓閥9后提供。換向主閥的動作可分別由液控手柄1和電磁換向先導(dǎo)閥控制。

1.液控手柄 2.單向閥 3.壓力補償閥 4.主安全閥 5.梭閥6.電磁換向先導(dǎo)閥 7.換向主閥 8.液壓馬達 9.減壓閥 10.先導(dǎo)安全閥圖2 電液雙控系統(tǒng)原理圖

當(dāng)液控手柄處于中位時，集成在手柄中的減壓閥使執(zhí)行元件先導(dǎo)管路通往油箱。當(dāng)換向主閥同時由電磁鐵操縱時，先導(dǎo)液會通過液控手柄旁通泄走。因此，對于電液雙控回路，必須在控制油路上設(shè)置單向閥2。這種處理方法，同樣適用于液控方式。電磁換向先導(dǎo)閥使用的節(jié)流孔(圖2局部放大)用于限制旁通泄漏。因此，先導(dǎo)液流量必須能夠補償上述的泄漏量，先導(dǎo)壓力才能達到主閥完全換向的要求。

1.2 故障分析診斷

某型掘進機采用電液雙控系統(tǒng)，在使用中裝載運輸動作出現(xiàn)電控正常而液控動作緩慢甚至停轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。現(xiàn)場排除故障時，發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)壓力明顯低于正常工況時的壓力，由此可判斷動作緩慢的原因為先導(dǎo)壓力不足導(dǎo)致。進一步判斷故障原因：

(1) 提高泵負(fù)載敏感壓力，裝運同時液控動作，先導(dǎo)壓力立即下降，動作依舊緩慢；

(2) 單獨液控動作運輸機馬達，速度正常，先導(dǎo)壓力沒有明顯下降；

(3) 單獨液控動作1個裝載馬達，速度正常，先導(dǎo)壓力沒有明顯下降；

(4) 同時液控動作裝運的2個動作，速度變慢，先導(dǎo)壓力明顯下降，但壓力比3個動作同時操作時高。

通過步驟(1)可知只提高先導(dǎo)壓力不能改善故障現(xiàn)象；通過步驟(2)～步驟(4)可知，先導(dǎo)壓力的變化與同時動作數(shù)量成反比，其原理滿足以下公式：

式中，Cd—— 流量系數(shù)

A—— 通流面積

ρ—— 液壓油的密度

Δp—— 控制閥進出口壓差

Q—— 流量

由于電磁換向先導(dǎo)閥節(jié)流孔泄漏屬于薄壁孔口恒定淹沒出流，Cd取經(jīng)驗值為0.6～0.61；單個先導(dǎo)閥泄漏面積A查樣本得知為0.5 m2；ρ取值為850 kg/m3；而先導(dǎo)供油流量Q查樣本得知最大為2 L/min；將以上數(shù)值代入公式，可得出先導(dǎo)壓力Δp。如表1所示為3種工況下的Δp值。1個手柄操作時先導(dǎo)壓力可達到6.88 MPa，大于主閥全開口所需壓力2.2 MPa，動作正常；2個手柄操作時，先導(dǎo)壓力為1.72 MPa，小于主閥全開口所需壓力，動作變緩慢；3個手柄同時操作時，先導(dǎo)壓力僅為0.76 MPa，甚至小于主閥的啟動壓力，導(dǎo)致動作停止。由此可見當(dāng)動作個數(shù)不斷增加時，泄漏面積A成線型比例增大，Δp也會隨之變小。

為了驗證理論分析，進行了現(xiàn)場試驗，采用賀德克HMGWIN3000測試儀對先導(dǎo)壓力進行了壓力和流量測試，結(jié)果如圖3所示：先導(dǎo)壓力最高為4 MPa(減壓閥設(shè)定)，1個手柄操作時，壓力不變，泄漏量為1.59 L/min;2個手柄操作時，壓力變?yōu)榧s1.63 MPa，泄漏量達到最大2 L/min；3個手柄操作時，壓力變?yōu)榧s0.68 MPa，泄漏量仍為2 L/min。由上可知，實測值與理論計算值之間的誤差約0.1 MPa，但是趨勢變化與理論計算相吻合。

表1 先導(dǎo)壓力參數(shù)表

圖3 改進前先導(dǎo)檢測試驗圖

結(jié)合電液雙控系統(tǒng)原理可判斷：電液雙控系統(tǒng)中液控動作緩慢是多路閥自身原因(電磁換向先導(dǎo)閥泄漏大)所導(dǎo)致[6-8]。

2 改進方案

分析對比多個品牌的電液控多路閥，發(fā)現(xiàn)原理基本相同，都存在以上問題。解決問題的方法有兩種：一種是外部提供足量先導(dǎo)液，彌補電磁先導(dǎo)閥泄漏量，該方法在實踐解決問題中已經(jīng)實現(xiàn)，效果良好，但會增加先導(dǎo)油源元件，不僅增加成本和故障點，還影響整機的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計；另一種是改造多路閥，降低電磁先導(dǎo)閥的泄漏量，閥的改造方案有多種。

方案Ⅰ：減小圖2中電磁換向先導(dǎo)閥中位時的節(jié)流孔或直接增加單向閥阻斷反向流動，這樣雖然可以減小泄漏量，但是主閥先導(dǎo)換向腔形成封閉空間，會導(dǎo)致主閥無法順利恢復(fù)到中位，因此不可取。

方案Ⅱ：在電磁先導(dǎo)液和液控先導(dǎo)液合流處增加梭閥(如圖4所示)，同時去掉液控手柄處單向閥，這樣可以形成先導(dǎo)優(yōu)先權(quán)。即液控操作時，梭閥將電磁先導(dǎo)液封閉，油液不會從電磁先導(dǎo)閥泄漏；遙控操作時，梭閥將液控先導(dǎo)液封閉，油液不會從液控手柄T口泄漏。同時主閥的先導(dǎo)腔通過梭閥與油箱相連，不會導(dǎo)致主閥換向受阻或無法恢復(fù)中位。

圖4 電液雙控系統(tǒng)改造方案Ⅱ

方案Ⅲ：如圖5所示，將液控先導(dǎo)液引入電磁先導(dǎo)換向閥，與電磁鐵并行控制先導(dǎo)閥。這樣控制主閥的油液僅來自電磁先導(dǎo)換向閥，可以消除泄漏，同時主閥換向也很順暢。

圖5 電液雙控系統(tǒng)改造方案Ⅲ

從原理上分析對比3種方案，方案Ⅰ論證后直接放棄。方案Ⅱ和方案Ⅲ均可以解決問題，但方案Ⅱ僅需要在先導(dǎo)閥塊增加插裝梭閥，而方案Ⅲ需要更改主閥的內(nèi)部油道。因此從實施難易程度考慮，方案Ⅱ更可取[9-12]。

3 改進方案實施及成效

多路閥均為模塊化設(shè)計，如進行改造設(shè)計，流程復(fù)雜且周期長。聯(lián)系國內(nèi)某多路閥廠家，將先導(dǎo)閥塊進行改造設(shè)計，原理結(jié)構(gòu)如圖6所示。在先導(dǎo)閥塊加入插裝梭閥，梭閥出口Ⅰ與電磁先導(dǎo)液連接，梭閥出口Ⅱ與液控先導(dǎo)液連接，梭閥出口與主閥換向腔相連。改進后外形如圖7所示，插裝閥體積較小，完全不影響多路閥的安裝使用[13]。

圖6 先導(dǎo)閥塊改造示意圖

圖7 改造后多路閥三維圖

改造完成后進行試驗，同時檢測先導(dǎo)壓力和流量。先導(dǎo)液檢測數(shù)據(jù)如圖8所示：在3個手柄動作過程中，先導(dǎo)壓力基本穩(wěn)定在4 MPa，穩(wěn)定泄漏量最大為0.11 L/min，符合液壓標(biāo)準(zhǔn)泄漏值。試驗中液控動作緩慢問題消失，主閥換向順暢。該試驗的成功為多路閥的設(shè)計提供了可靠依據(jù)。另先導(dǎo)閥塊可靠性有待時間的檢驗。

4 結(jié)論

本研究基于理論計算和試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場解決問題的經(jīng)驗，分析了掘進機電液雙控系統(tǒng)的工作原理?？紤]成本、性能、標(biāo)準(zhǔn)化、可行性等多方面因素，提出了一種多路閥改造方案并實施，消除多路閥中電磁先導(dǎo)閥泄漏量大的問題， 從根源上解決了電液雙控系統(tǒng)中液控動作緩慢的問題。不僅對今后類似系統(tǒng)的設(shè)計有一定參考意義，同時也為多路閥的設(shè)計提供了借鑒。

圖8 改進后先導(dǎo)檢測試驗圖