KCY-4大型地下鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算

馮孝華，石峰，顧洪樞，戰(zhàn)凱，郭鑫，王志國(guó)

(北京礦冶研究總院，北京 100070)

引言

地下鏟運(yùn)機(jī)主要用于井下礦料的鏟取和短途運(yùn)輸[1]。由于國(guó)內(nèi)礦山逐漸向大型化、節(jié)能化和智能化方向發(fā)展，使得大型鏟運(yùn)設(shè)備的需求量也日益增加。以往國(guó)內(nèi)的大型鏟運(yùn)機(jī)幾乎全部需要進(jìn)口，為了打破國(guó)外設(shè)備的壟斷，“十一·五”期間，北京礦冶研究總院承擔(dān)了“大型地下鏟運(yùn)設(shè)備的研制”課題，并成功開(kāi)發(fā)出KCY-4型地下鏟運(yùn)機(jī)，斗容4 m3，載重10 t。外形尺寸如圖1所示。

圖1 KCY-4型地下鏟運(yùn)機(jī)外形圖 /mm

1 系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

KCY-4地下鏟運(yùn)機(jī)由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、工作裝置等組成。工作系統(tǒng)采用反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，可獲得較大的鏟取力；前后車(chē)架中央鉸接，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用雙缸轉(zhuǎn)向的形式，駕駛室布置在后車(chē)體上，后橋擺動(dòng)；制動(dòng)系統(tǒng)采用彈簧制動(dòng)液壓釋放的全盤(pán)濕式制動(dòng)器，安全可靠[2]。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

KCY-4地下鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、工作系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向泵單獨(dú)提供壓力油，通過(guò)多路閥控制轉(zhuǎn)向油缸的動(dòng)作；工作系統(tǒng)工作時(shí)需要的流量比較大，采用轉(zhuǎn)向泵與工作泵合流的形式，同時(shí)為工作系統(tǒng)供油。工作泵的出口裝有卸荷閥，當(dāng)鏟斗插入料堆并上下撬動(dòng)時(shí)，大流量的工作泵卸荷，由轉(zhuǎn)向泵單獨(dú)為工作系統(tǒng)供油，節(jié)省了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，并增大了插入力；制動(dòng)系統(tǒng)中，制動(dòng)器由蓄能器提供壓力油，當(dāng)蓄能器的壓力低于設(shè)定值時(shí)，充液閥為其充液，保證其有充足的壓力來(lái)松開(kāi)制動(dòng)器，當(dāng)蓄能器的壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，充液閥的壓力油流向冷卻系統(tǒng)和先導(dǎo)油路。考慮到轉(zhuǎn)向泵與工作泵合流，先設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，確定轉(zhuǎn)向泵的排量；再設(shè)計(jì)工作系統(tǒng)，選取工作泵。

2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向先導(dǎo)閥、轉(zhuǎn)向多路閥、轉(zhuǎn)向油缸等組成。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最主要的參考數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)向阻力矩，根據(jù)轉(zhuǎn)向阻力矩的大小來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)向油缸和轉(zhuǎn)向泵等各項(xiàng)參數(shù)。

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖

2.1.1 轉(zhuǎn)向阻力矩

(0.3×0.372+0.1×0.37+2.6)

=58.6×103Nm

MR～轉(zhuǎn)向阻力矩，Nm；α～轉(zhuǎn)向角，α=42°；f～滾動(dòng)阻力系數(shù)，f=0.07；L～軸距，L=3.5m；η～機(jī)械效率，η=0.9；G1～前橋最大載荷，G1=280kN；

2.1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力

由F=PS可知，為了節(jié)省空間，布置相對(duì)小的油缸，壓力值越大越好。但是，參考系統(tǒng)中其他元件的額定壓力， 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的壓力值初定為22 MPa。

2.1.3 轉(zhuǎn)向油缸

如圖3所示，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用雙缸轉(zhuǎn)向的形式，轉(zhuǎn)向角為42°，行程為430 mm，轉(zhuǎn)向角42°時(shí)左右轉(zhuǎn)向油缸的力臂分別為212.3 mm和257.3 mm。

圖3 轉(zhuǎn)向油缸尺寸參數(shù)圖 /mm

=94 mm；

MR—轉(zhuǎn)向阻力矩，MR=58.6×103Nm；P—系統(tǒng)統(tǒng)壓力，P=22 MPa；r1—右轉(zhuǎn)向液壓缸相對(duì)鉸接點(diǎn)力臂，r1=257.3 mm；r2—左轉(zhuǎn)向液壓缸相對(duì)鉸接點(diǎn)力臂，r2=212.3 mm；φ—速比系數(shù)，φ=1.66；D—缸徑；d—桿徑。

2.1.4 轉(zhuǎn)向泵

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/m時(shí)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向時(shí)間t=6 S。

i→變矩器驅(qū)動(dòng)泵的速比，i=0.995。

轉(zhuǎn)向泵選用排量40.4 mL/r的齒輪泵。

實(shí)際轉(zhuǎn)向時(shí)間如圖4所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 400～1 800 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)向時(shí)間是7 S左右，可以保證轉(zhuǎn)向的效率又避免了發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速下，由于急轉(zhuǎn)彎帶來(lái)的安全隱患。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向時(shí)間關(guān)系圖

2.2 工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖5所示，工作系統(tǒng)主要由工作泵、工作先導(dǎo)閥、工作多路閥、卸荷閥、舉升油缸、轉(zhuǎn)斗油缸等組成。

圖5 工作系統(tǒng)原理圖

2.2.1 撬動(dòng)回路

地下鏟運(yùn)機(jī)在鏟取的時(shí)候，隨著鏟斗斗刃不斷插入料堆，在斗刃前方會(huì)產(chǎn)生壓縮密實(shí)核，阻礙鏟斗的進(jìn)一步插入，使鏟斗插入變得困難。一般情況下，鏟斗一邊插入料堆，一邊撬動(dòng)，破壞掉硬核，便于更深地插入料堆，盡可能裝入更多的礦石(即為了便于提高一次裝滿率)。

鏟斗撬動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)占用了發(fā)動(dòng)機(jī)的大量功率，削弱了插入力，不利于一次裝滿，還浪費(fèi)燃料。撬動(dòng)動(dòng)作很小，不需要大流量，多余的流量通過(guò)溢流閥溢流回油箱。由于溢流，一部分能量以熱的形式擴(kuò)散到空氣中，使液壓系統(tǒng)的油溫升高、內(nèi)泄增多、液壓泵的容積效率降低。

在工作系統(tǒng)中，工作泵、卸荷閥、工作多路閥和轉(zhuǎn)斗油缸組成了撬動(dòng)回路。撬動(dòng)回路中，卸荷閥的開(kāi)啟和關(guān)閉由工作手柄上的按鈕開(kāi)關(guān)控制。撬動(dòng)回路利用小流量小功率來(lái)實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)作。當(dāng)卸荷閥開(kāi)啟時(shí)，工作泵的壓力油直接回油箱，只有轉(zhuǎn)向泵在工作，節(jié)省下來(lái)的功率分配給傳動(dòng)系統(tǒng)，增加了插入力，使鏟斗插入料堆更深，提高了一次裝滿率。

2.2.2 舉升力

如圖6所示，料斗處于運(yùn)輸位置，G點(diǎn)為滿載時(shí)重心的位置，G=12 kN。

T1=2693×G=2693×120=323×103Nm

如圖7所示，料斗舉升至最高位置，G點(diǎn)為滿載時(shí)重心的位置，G=120 kN。

圖7 舉升示意圖 /mm

T2=2169×G=2169×120×103=260×103Nm

2.2.3 舉升油缸

動(dòng)臂由雙缸舉升，舉升力參考上述兩種情況的最大值。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與工作系統(tǒng)合流，工作系統(tǒng)的壓力暫定22 MPa。

舉升力F=F2=2PS=2×22×106×S=833.3×103N

D=155 mm

舉升油缸選用φ160×φ90×720，壓力等級(jí)為25 MPa的高壓缸。

2.2.4 轉(zhuǎn)斗油缸

根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5500-2004《地下鏟運(yùn)機(jī)》的規(guī)定，鏟取力取180 kN。

如圖8所示，當(dāng)鏟斗處于鏟取位置時(shí)。

圖8 鏟取示意圖 /mm

FZ×688=TL×644；TL×442=FC×2205；

FZ——轉(zhuǎn)向油缸的作用力；TL——連桿上的作用力；FC——鏟取力；

轉(zhuǎn)斗油缸選用φ220×φ125×590，壓力等級(jí)為25 MPa的高壓缸。

2.2.5 工作泵

根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5500-2004《地下鏟運(yùn)機(jī)》的規(guī)定，工作裝置動(dòng)作時(shí)間≤25 S。

KCY-4地下鏟運(yùn)機(jī)設(shè)計(jì)舉升時(shí)間t=9 S，行程L=720 mm，轉(zhuǎn)斗時(shí)間t=7 S，轉(zhuǎn)斗油缸的行程L=590 mm。

根據(jù)上述計(jì)算，工作系統(tǒng)的流量取193 L/min。

由于轉(zhuǎn)向泵與工作泵合流，轉(zhuǎn)向泵流量65 L/min

工作泵流量Q=193-65=128 L/min

工作泵選用排量70 mL/r的齒輪泵。

表1 工作裝置實(shí)際動(dòng)作時(shí)間表

由表1可知，工作裝置動(dòng)作時(shí)間符合根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5500-2004《地下鏟運(yùn)機(jī)》的規(guī)定。

2.3 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖9所示，制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)泵、濾清器、充液閥、蓄能器、緊急制動(dòng)閥、腳制動(dòng)閥和制動(dòng)器等組成。KCY-4地下鏟運(yùn)機(jī)制動(dòng)器采用彈簧制動(dòng)液壓釋放形式，蓄能器為制動(dòng)器提供松閥壓力。當(dāng)系統(tǒng)壓力不足，或出現(xiàn)油管破裂，制動(dòng)器會(huì)立即抱死，制動(dòng)效果安全可靠。充液閥在完成給蓄能器充液任務(wù)的同時(shí)，還給冷卻和先導(dǎo)油路提供壓力油。

圖9 制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

2.3.1 蓄能器

KCY-4地下鏟運(yùn)機(jī)單個(gè)制動(dòng)器的排量是77 mL。松閥壓力10.3 MPa。充液閥的工作壓力越高，蓄能器提供的制動(dòng)次數(shù)越多。考慮到系統(tǒng)中元件的額定壓力和管路的密封效果，KCY-4的充液壓力范圍選擇在15.3～18.6 MPa之間。

每次制動(dòng)，制動(dòng)器消耗油量：V=77×4/1000=0.3 L

在連續(xù)制動(dòng)的情況下，蓄能器應(yīng)能滿足充液一次至少完成兩次制動(dòng)。

蓄能器當(dāng)作輔助能源時(shí)，排油速度迅速，氣體壓力和體積變化應(yīng)按照絕熱狀態(tài)來(lái)考慮。

在絕熱條件下根據(jù)波爾定律：

P01/nV0=P11/nV1=P21/nV2[3]；

P0—蓄能器的預(yù)充壓力,P0=0.471×P2≈9MPa；P1—開(kāi)始充液壓力,P1=(0.65～0.75)P2=15.3 MPa；P2—停止充液壓力,P2=18.6MPa；V0—蓄能器總?cè)莘e；V1—P1時(shí)氣體的體積；V2—P2時(shí)氣體的體積；ΔV—有效工作容積(兩次制動(dòng))，ΔV=2×0.3L=0.6 L；

n—多變指數(shù)，絕熱條件下n=1.4；選用3個(gè)2.8升的蓄能器，總?cè)莘e8.4 L。

2.3.2 制動(dòng)泵

制動(dòng)泵主要為充液閥提供壓力油，充液閥大部分時(shí)間是在為冷卻系統(tǒng)供油，所以，制動(dòng)泵的流量按照制動(dòng)器的冷卻流量來(lái)計(jì)算。

d→制器冷卻油入口的通徑，d=6 mm，

制動(dòng)泵選用排量24.2 mL/r齒輪泵，與轉(zhuǎn)向泵組成雙聯(lián)泵。

2.4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖9所示，冷卻系統(tǒng)主要由充液閥，液壓油冷卻器，單向閥，輪邊冷卻器等組成。

由于制動(dòng)系統(tǒng)使用全盤(pán)濕式制動(dòng)器，使用液壓油對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行冷卻，當(dāng)經(jīng)常制動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)的溫度迅速提高，會(huì)使密封件加快老化，系統(tǒng)的容積效率降低，甚至?xí)斐稍淖冃危猿擞拖涞淖匀焕鋮s外，對(duì)液壓油進(jìn)行強(qiáng)制冷卻是很有必要的。

冷卻馬達(dá)的流量Q1=Q×η1=45.6×0.8=36.5 L/min

η1—管路中的容積效率，η1=0.8。

n—冷卻馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速，n=2 000 r/min

所選取的馬達(dá)排量22.5 mL/r，最高轉(zhuǎn)速2 500 r/min。

冷卻功率W=Q1×C×ρ×Δt=

36.5×0.89×2.1×103×(75-63)=13.5 kW

C—液壓油比熱容：C=(0.4～0.5)×4187 J/kg·℃

ρ—液壓油密度：ρ=0.88～0.89 g/mL；

Δt—進(jìn)出散熱器的溫差。

k—傳熱系數(shù)，k=465 W/m2K

選擇板翅式散熱器，流量56 L，散熱功率20 kW。

3 結(jié)論

在工業(yè)試驗(yàn)中，KCY-4地下鏟運(yùn)機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到或超過(guò)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5500-2004《地下鏟運(yùn)機(jī)》的要求，現(xiàn)在已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，并服務(wù)于國(guó)內(nèi)的各大礦山中。

[1] 張棟林. 地下鏟運(yùn)機(jī)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[2] 馮孝華. KCY-4型地下鏟運(yùn)機(jī)鏟斗撬動(dòng)回路的研究. 礦冶, 2010(4): .

[3] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第4卷). 第4版[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.