負(fù)載敏感變量泵在掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)中應(yīng)用

劉乙慧

(山西焦煤機(jī)械電氣有限公司， 山西 太原 030024)

掘進(jìn)機(jī)工作過程中，受截割方向、煤巖硬度、截割深度等的影響，外載荷的變化較為復(fù)雜，呈現(xiàn)隨機(jī)性、突變型等特點，因此為保證截割臂姿態(tài)的穩(wěn)定性、降低系統(tǒng)能耗，與變量泵相結(jié)合的負(fù)載敏感控制技術(shù)被引入掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的控制當(dāng)中。負(fù)載敏感控制是指當(dāng)外載荷的壓力、流量等發(fā)生變化時，變量泵可獲得信號，并對泵的運(yùn)行狀態(tài)做出自適應(yīng)調(diào)整[1-3].

1 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)組成

掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)主要由行走回路、裝載回路、轉(zhuǎn)載運(yùn)輸回路和泵缸回路等組成，各回路的基本功能如下：

1) 行走回路。掘進(jìn)機(jī)的左右、前后、回轉(zhuǎn)等行走動作通過分別驅(qū)動兩側(cè)的履帶運(yùn)動實現(xiàn)，驅(qū)動裝置具有輸出扭矩大、運(yùn)動速度低等特點，因此適宜采用定量柱塞馬達(dá)。

2) 裝載回路。裝載回路主要驅(qū)動兩處三爪星輪轉(zhuǎn)動，將截割下的煤炭回收至運(yùn)輸裝載，由于煤炭堆積不均勻，兩處三爪星輪負(fù)載大小不同，因此一般采用兩個定量馬達(dá)進(jìn)行大扭矩驅(qū)動。

3) 轉(zhuǎn)載運(yùn)輸回路。該回路主要驅(qū)動刮板鏈將三爪星輪轉(zhuǎn)載而來的煤炭運(yùn)離設(shè)備，刮板鏈采用定量液壓馬達(dá)做為驅(qū)動。

4) 泵缸回路。主要包括截割升降回路、鏟板升降回路、后支撐回路等，負(fù)責(zé)截割臂的升降、鏟板升降、掘進(jìn)機(jī)后部支撐等功能。泵缸回路對液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，因此適宜采用負(fù)載敏感變量泵控制[4,5].

2 負(fù)載敏感變量泵工作原理

負(fù)載敏感變量泵的液壓原理圖見圖1，主要由柱塞變量泵、大徑活塞缸、小徑活塞缸、負(fù)載敏感閥、壓力切斷閥、恒功率閥、節(jié)流閥等組成。工作狀態(tài)下，節(jié)流閥開啟，泵缸回路正常動作；否則節(jié)流閥關(guān)閉。該泵具有負(fù)載敏感、壓力切斷、恒功率控制等功能。

負(fù)載敏感變量泵的工作原理如下：

1) 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為零時，變量泵無輸入動力，則泵內(nèi)斜盤在小徑活塞缸內(nèi)彈簧作用下保持最大擺角。

2) 當(dāng)電機(jī)輸出設(shè)定轉(zhuǎn)速，但節(jié)流閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，變量泵內(nèi)斜盤跟隨轉(zhuǎn)動，并由此產(chǎn)生輸出壓力，壓力傳遞至負(fù)載敏感閥閥體右側(cè)，但仍小于閥體左側(cè)的彈簧作用力，因此閥芯不動。隨著泵的輸出壓力增大，直至克服負(fù)載敏感閥左側(cè)彈簧的壓力，閥芯向左側(cè)移動，泵的輸出壓力與大徑活塞缸的無桿腔接通。另外，泵的輸出壓力也作用在小徑活塞缸的無桿腔內(nèi)，但大、小徑活塞缸無桿腔的作用面積之比為2∶1，因此泵內(nèi)斜盤兩側(cè)的受力大小不同，斜盤角度減小，減小至僅能補(bǔ)償泵內(nèi)泄漏流量的最小角度。此時的變量泵輸出流量最小，處于工作待機(jī)狀態(tài)。

3) 當(dāng)掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)正常工作時，節(jié)流閥打開，外負(fù)載壓力傳遞至負(fù)載敏感閥的左側(cè)有桿腔，所形成液壓力與彈簧力疊加，大于無桿腔的作用力，則閥芯向右移動，閥口相應(yīng)變小或關(guān)閉，對應(yīng)大徑活塞缸無桿腔的壓力減小或為零，而小徑活塞缸無桿腔壓力不變，因此斜盤兩側(cè)的受力不再平衡，斜盤的傾斜角度逐漸增大，其排量及輸出流量均增大。當(dāng)節(jié)流閥兩側(cè)的壓力差值與負(fù)載敏感閥左側(cè)彈簧的壓力值相等時，該變量泵的輸出壓力等于彈簧壓力與外負(fù)載壓力之和，同時，變量泵的輸出流量也正好與負(fù)載所需流量相等，實現(xiàn)了泵的輸出與負(fù)載需求相適應(yīng)。

1—節(jié)流閥 2—負(fù)載敏感閥 3—壓力切斷閥 4—恒功率閥 5—小徑活塞缸 6—大徑活塞缸 7—柱塞變量泵圖1 負(fù)載敏感變量泵液壓原理圖

3 掘進(jìn)機(jī)截割升降回路仿真分析

3.1 截割升降回路組成

以常見EBZ318掘進(jìn)機(jī)為例，其截割升降回路見圖2，主要由電機(jī)、負(fù)載敏感變量泵、多路閥、平衡溢流閥組、截割升降液壓缸等組成。通過操作多路閥，可控制液壓介質(zhì)進(jìn)入截割升降液壓缸的不同腔體內(nèi)，實現(xiàn)截割頭的升降動作。為了防止工作過程中截割頭由于自重或沖擊導(dǎo)致的位置下移，在多路閥和升降油缸之間增加了可實現(xiàn)壓力平衡和過載溢流功能的的平衡溢流閥組。當(dāng)截割巖石的硬度發(fā)生較大波動時，液壓系統(tǒng)的外負(fù)載出現(xiàn)較大突變，瞬間高壓可能損壞缸體、閥體的密封結(jié)構(gòu)，而平衡溢流閥組可通過溢流等動作實現(xiàn)卸壓，以保護(hù)液壓系統(tǒng)安全。

1—電機(jī) 2—負(fù)載敏感變量泵 3—多路閥 4—平衡溢流閥組 5—截割升降油缸圖2 掘進(jìn)機(jī)液壓升降回路組成圖

3.2 仿真模型建立

為研究以負(fù)載敏感變量泵作為動力來源的截割升降回路的工作特性，利用AMESim仿真軟件建立了回路系統(tǒng)模型，包括液壓系統(tǒng)模型、機(jī)械元件模型、控制系模型等。

負(fù)載敏感變量泵模型參數(shù)設(shè)置中，變量泵的最大排量為0.25 L/r，恒功率閥的最大調(diào)定功率為120 kW，壓力切斷閥的設(shè)定切斷壓力為250 bar，負(fù)載敏感閥的待機(jī)壓力為2.5 MPa. 驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 470 r/min.

多路閥的換向壓力信號為3 MPa，平衡溢流閥組的設(shè)定壓力分別為28 MPa、32 MPa，截割升降油缸的活塞桿直徑和缸筒內(nèi)徑分別為140 mm、220 mm.

3.3 仿真結(jié)果

1) 待機(jī)工況。

分析從變量泵啟動到進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)之間的變化，仿真時間為3 s，取樣間隔0.05 s，仿真獲得的時間與輸出壓力曲線關(guān)系見圖3. 在變量泵啟動瞬間(0～0.25 s)，由于泵內(nèi)斜盤角度處于最大狀態(tài)，且多路閥閥口關(guān)閉，因此泵的輸出壓力由0迅速增大至3.9 MPa，隨后斜盤角度快速調(diào)整，泵的輸出壓力也迅速降低，在約0.6 s后穩(wěn)定在2.4 MPa，這與模型設(shè)定的負(fù)載敏感閥待機(jī)壓力2.5 MPa接近。

圖3 待機(jī)狀態(tài)下變量泵輸出壓力變化圖

2) 截割抬升工況。

當(dāng)多路閥接收到的換向信號大于3 MPa時，閥芯換向，截割升降油缸伸出，截割頭向上截割運(yùn)動，截割升降油缸無桿腔內(nèi)的介質(zhì)壓力變化見圖4.

在0～5 s時間段內(nèi)，由于多路閥未獲得換向信號，因此升降油缸無桿腔的壓力為11 MPa. 該數(shù)值實際由截割頭的自重加載引起，模型中數(shù)值11 MPa由截割頭和油缸的受力分析獲得。

在5～5.5 s時間段內(nèi)，多路閥進(jìn)行換向動作，閥口完全打開，但由于采用了節(jié)流槽結(jié)構(gòu)，因此換向后的壓力波動較小，未出現(xiàn)過大超調(diào)量，在約6 s時壓力即可達(dá)到20 MPa.

圖4 截割升降油缸無桿腔壓力變化圖

在5.5～35 s時間段內(nèi)，模擬截割頭的向上截割運(yùn)動，外載荷存在一定波動，因此截割升降油缸無桿腔內(nèi)的壓力也在20 MPa上下波動，但變化幅度小于3 MPa.

在約35 s時，油缸桿已完全伸出，而油泵繼續(xù)供給壓力，在外載荷和運(yùn)動慣性作用下，無桿腔內(nèi)的壓力瞬時升高至45 MPa，從而觸發(fā)變量泵的壓力切斷閥動作，壓力又快速降低，在約36.8 s后逐漸穩(wěn)定在25 MPa左右，即壓力切斷閥的切斷壓力。

4 結(jié) 論

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下的重要巷道掘進(jìn)施工設(shè)備，為提高其液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、降低系統(tǒng)能耗，介紹了掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的組成，對泵控系統(tǒng)常用的負(fù)載敏感變量泵的工作原理進(jìn)行了分析，利用AMESim仿真軟件建立了截割升降回路的仿真模型，分別對待機(jī)工況和截割抬升工況下的壓力波動情況進(jìn)行了研究，仿真結(jié)果表明：

1) 負(fù)載敏感變量泵在待機(jī)工況下，可自動實現(xiàn)輸出介質(zhì)的低壓和小流量特性，有效降低待機(jī)能耗。

2) 負(fù)載敏感變量泵在截割升降工況下，可通過負(fù)載敏感閥壓力恒定對泵的輸出流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證變量泵的輸出壓力和流量隨著外載荷變化而變化，減少閥控系統(tǒng)的溢流損失，提高能量利用率。