S100A掘進機液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設計

閆福明

S100A掘進機液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設計

閆福明①

(山西焦煤集團公司西山機電總廠)

針對S100A掘進機液壓系統(tǒng)在運行中存在的不足,利用數(shù)值圖示優(yōu)化法對掘進機液壓系統(tǒng)進行優(yōu)化設計,提高了掘進機液壓系統(tǒng)的工作能力,滿足了煤礦掘進生產(chǎn)的需求。

掘進機;液壓系統(tǒng);平衡閥;優(yōu)化設計

1 S100A掘進機液壓系統(tǒng)存在的問題

S100A掘進機是佳木斯煤機廠在S100A掘進機的基礎上改進生產(chǎn)的,適合于煤巷或半煤巖巷掘進生產(chǎn),其主要特點是結構緊湊,適應性好,工作可靠,操作簡單等。在使用過程中,存在以下幾個問題：

1)裝載、運輸能力不足,效率低,以及裝載、運輸系統(tǒng)與截割系統(tǒng)不協(xié)調(diào)。

2)在調(diào)定壓力范圍下,操縱截割機構升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸時,動作緩慢。

3)在掘進時,大都需要支撐油缸把機身穩(wěn)住,履帶不能隨意開動。由于煤層物理性質(zhì)的突變,截割滾筒突然卸載都會造成作用于系統(tǒng)的外載荷突變,又因以液壓系統(tǒng)為主要功率傳遞方式的機械設備,沖擊載荷將導致油缸載荷的突變,使液壓系統(tǒng)承受嚴重的沖擊和振動,從而造成系統(tǒng)工作壓力和運動速度不穩(wěn)定,將直接導致后支撐油缸緩慢自降,嚴重時直接造成油缸等執(zhí)行元件的破壞。

針對以上掘進機在運行中存在的不足,分析其原因,是掘進機液壓系統(tǒng)設計參數(shù)不合理,在該機型返廠大修時,對其液壓系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。S100A掘進機液壓組成示意圖見圖1。

2 優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化內(nèi)容

1)液壓動力源的調(diào)整。通過對其液壓系統(tǒng)動力源的調(diào)整,改變輸入裝載、運輸系統(tǒng)、油缸回路的流量和排量,獲得驅(qū)動馬達輸出功率的增大和轉(zhuǎn)速的提高,以及油缸的快速動作。

2)裝載液壓系統(tǒng)。裝載機構仍采用星輪裝載機構、液壓馬達直接驅(qū)動。通過調(diào)整液壓泵輸出的流量和排量,提高低速大扭矩液壓馬達的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,達到提高快速裝載貨物的能力。

3)刮板輸送機(運輸液壓系統(tǒng))。刮板輸送機仍采用單臺液壓馬達驅(qū)動。由于調(diào)整液壓泵的輸出流量和排量,使驅(qū)動液壓馬達的輸出功率和轉(zhuǎn)速得到了提高,從而提高了刮板輸送機的運輸效率。

圖1 S100A掘進機液壓系統(tǒng)示意圖

4)油缸液壓系統(tǒng)。通過調(diào)整液壓泵供給油缸液壓回路的流量和排量,提高油缸快速反應能力,并且在后支承油缸液壓回路中增加一個平衡閥,起到保護后支承油缸和穩(wěn)壓作用。

2.2 優(yōu)化的技術理論依據(jù)

1)液壓系統(tǒng)總排量和流量的確定。根據(jù)該機的液壓系統(tǒng)驅(qū)動電機功率為45 k W,其安全裕度系數(shù)達到1.78～1.86。

式中：

Pn—液壓泵的額定壓力,MPa;

Qn—液壓泵的額定流量,m3/s;

np—液壓泵的總效率,取0.6～0.9。

通過計算,液壓泵的總排量不應超過240 mL/r,因此,不能利用增加原有液壓泵的流量和排量來提高液壓馬達的轉(zhuǎn)速和輸出功率。

2)基于上述原因,在不改變原有液壓泵流量和排理的情況下,分別對裝載、運輸系統(tǒng)、油缸液壓回路的動力源重新調(diào)整分配,達到提高馬達的轉(zhuǎn)速,輸出功率以及油缸快速動作的目的。

a)液壓泵的理論流量(Qt)

式中：

n—驅(qū)動電機輸出軸的平均轉(zhuǎn)速,r/min;

q—液壓泵的幾何排量,cm3/r。

b)液壓馬達的實際輸出扭矩。

式中：

P1、P2—液壓馬達入口和出口壓力,MPa;

nm—液壓馬達的機械效率,取0.9～0.95;

c)液壓馬達的輸出功率：轉(zhuǎn)速。

式中：

nm—液壓馬達的轉(zhuǎn)速,r/min;

Q入—實際輸入液壓馬達的流量,mL/min;

q—液壓馬達的排量,mL/min;

nV—液壓馬達的容積效率,nV=0.9～0.95。

d)液壓缸的推力和速度

式中：

A—液壓缸有效工作面積,mm2;

F—液壓缸的推力,N;

V—活塞(或缸體)的運動速度,m/s;

△P—進液腔與回液腔的壓力差,MPa;

Q—進入液壓缸的流量,mL/min;

D—液壓缸內(nèi)徑,mm;

d—活塞桿的直徑,mm。

3 優(yōu)化設計研究

優(yōu)化是指通過調(diào)整設計的變量值,在原液壓系統(tǒng)中優(yōu)化,使得變量在允許的范圍內(nèi)更符合使用要求。優(yōu)化的方法很多,如數(shù)值比較法、列表法、圖示法、數(shù)值圖示法等,采用哪種優(yōu)化方法,還要看優(yōu)化的對象。本文根據(jù)實際情況選用數(shù)值圖示法,進行優(yōu)化,原掘進機液壓系統(tǒng)使用2臺齒輪泵型號為：CBZ2050/042/32,CBZ2050/32,供液情況見圖2。

圖2 供液情況示意圖

由于井下有獨立的供水系統(tǒng),因此噴霧系統(tǒng)閉置,所以(a)圖示變成(c)圖示,又因(b)(c)在實際中不能滿足使用要求,經(jīng)過計算和多次試驗,決定選用2臺CBZ2063/040型二聯(lián)泵作為裝載、運輸、行走、油缸液壓系統(tǒng)的動力源,演示圖見圖3。

1)裝載液壓系統(tǒng)、運輸液壓系統(tǒng)。從圖3可以看出,通過調(diào)整設計變量值,使得原液壓系統(tǒng)的裝、運功能達到優(yōu)化最大,效率有了明顯的提高。

2)行走液壓系統(tǒng)、油缸液壓系統(tǒng)(見圖4)。

從圖4中看出,掘進機行走速度較原設計優(yōu)化提高了12%,油缸動作時間較原設計提高了25～28%,若再提高二聯(lián)泵的供液量,根據(jù)設計計算,超過泵電機允許最大負載,不經(jīng)濟、不安全,而選用的2臺二聯(lián)泵CBZ2063/040,經(jīng)計算,正好在電機允許最大范圍內(nèi),最經(jīng)濟,說明優(yōu)化調(diào)整是正確的。

圖5 后支承油缸液壓系統(tǒng)原理示意圖

3)在后支承油缸液壓系統(tǒng)增加平衡閥,即能彌補原設計的不足,又能使原液壓系統(tǒng)在效率上發(fā)揮到最佳,其原理示意圖見圖5。

平衡閥的功能：利用其反向截止作用來實現(xiàn)兩管路的封閉,保證執(zhí)行元件在雙向負載作用下都能停留在所需位置,不致發(fā)生緩慢移動,這樣解決了因外界負載的突變使得后支承油缸回路壓力不穩(wěn)、緩慢自降的缺陷,起到保護后支承油缸和穩(wěn)壓作用。

4 結 語

應用數(shù)值圖示法優(yōu)化設計后,不僅解決了原液壓系統(tǒng)在運行中存在的不足,而且提高了設計效率和設計質(zhì)量,使原液壓系統(tǒng)總體布局更加合理,使整機各部件運行更協(xié)調(diào),為掘進機在半煤巖巷的快速掘進提供了有力的保障。

Optimization Design on Hydranlic System of S100A Mechanial Boring Machine

Yan Fu-ming

In view of the insufficiency of hydraulic system of S100A of mechanical boring machine in the operation,carries on the optimzation design by using the value graphical representation optimization law to the mechanical boring machine hydranlic system,raises the mechanical boring machine hydranlic system’s working ability,meets the need of coal mine tunnelling work.

Mechanical boring machine;Hydraulic system;Balancing valve;Optimization design

TD421.5

B

1672-0652(2010)01-0007-03

閆福明 男 1969年出生 1992年畢業(yè)于大同煤校 工程師 太原 030053

2009-11-24