礦用挖掘裝載機LUDV 系統研究

王子雷

(天地科技股份有限公司 建井研究院，北京 100013)

目前，煤礦廣泛使用的掘進出矸設備有耙斗裝巖機、側卸裝巖機、挖掘裝載機等。耙斗裝巖機不能實現文明施工，且機械化程度低，輔助工作量大，裝矸后兩幫需要大量人工進行清幫工作，在高瓦斯礦井中，利用耙斗裝巖機裝矸，耙斗運動容易產生火花，存在安全隱患。側卸裝巖機在使用過程中需要2 人在機器后面拖拽電纜，由于機器運動速度快，前后方向轉換頻繁，因此容易對拖拽電纜人員造成傷害，同時設備行走系統載荷大，磨損嚴重，使用成本高。因此，挖掘裝載機(以下簡稱挖裝機)是下一步裝矸裝備的首選。

挖裝機是一種連續生產的高效率出矸設備，主要用于礦山煤、巖巷炮采工作面掘進中的裝載作業，一般由行走系統、運輸系統、工作機構、液壓系統等組成，可與全液壓鉆車、梭式礦車等組成巖巷、煤巷機械化作業線，鉆、裝、運同時作業，大大提高掘進效率，同時降低工人勞動強度，具有廣泛的應用前景。

1 挖裝機液壓系統

液壓系統是裝巖機的核心系統，該系統設計是否合理，直接關系到整機的性能和可靠性。合理設計液壓系統，必須正確分析液壓系統負載、速度及變化規律，進行系統熱平衡分析研究，確定散熱方案，篩選可靠的液壓元部件，合理布置液壓管路和操控閥，便于機器的操作使用。煤礦挖裝機常用液壓系統有齒輪泵定量系統和負荷傳感控制系統。

1.1 齒輪泵定量系統

液壓系統由油泵、行走馬達、運輸馬達、液壓油缸、操作閥及輔件組成。裝載機在行走時工作機構、運輸機構不工作，工作機構、運輸機構工作時不行走。行走時，左、右行走馬達各由油泵中的2臺定量式齒輪泵單獨供油。當停止行走，工作機構、運輸機構工作時，2 臺齒輪泵中的1 臺輸出的壓力油由分流閥分出一半并經減壓供給工作機頭。另一半壓力油加上另一臺齒輪泵的壓力油經減壓后驅動運輸機構的液壓馬達。另有1 臺油泵供先導閥動作使用，整個系統采用回油過濾方式。

齒輪泵定量系統結構簡單，對油質清潔度要求低，價格低，維護簡單。但系統能耗大，發熱嚴重，可靠性低。

1.2 負荷傳感系統

負荷傳感系統的核心部分包括變量主泵和控制閥。該系統具有以下優點:

(1)節能。該系統主泵為變量泵，在系統總流量范圍內，泵的排量不固定，由負載決定，當各系統滿負荷工作時，主泵排量調至最大，而一般的定量泵系統，當系統所需流量較小時，泵始終按照定排量工作，各系統實際流量由溢流閥控制，發熱量極大。

(2)精確控制，主泵會及時檢測負載的細微變化，及時反饋。

(3)各系統始終按照既定軌跡運動，不受總流量影響，復合性好。

但該系統主泵僅受最高負載回路影響，對其他回路采用壓力補償，因此當各系統同時工作時，流量需求很大，以致超過系統排量極限，最高負載回路油缸或馬達運行速度會直線下降，影響整體工作的一致性、協調性。

2 LUDV 系統

LUDV 系統，即負載獨立流量控制(Load Independent Flow Distribution)系統，當各系統流量總和超過泵的極限流量時，系統會按照比例(一般由手控閥開口控制)分配流量，而不是按照負載由小到大分配流量。

礦用挖裝機執行部件多，運動形式多為復合運動，系統流量大，為保證系統可靠工作，選用負載獨立流量控制系統。液壓原理基本單元如圖1 所示。A1，B1，A2，B2 分別是負載油缸的進回油口;a1，a2，b1，b2 分別為換向閥控制回路;PP為主進油口。

2.1 系統基本特點

如圖1 挖裝機液壓系統基本單元所示，系統中壓力補償閥(A 和B)位于節流孔換向閥A 和換向閥B 之后，最高負荷壓力傳到壓力補償閥，同時通過LS 回路傳遞到變量泵，即最高負載回路壓力可直接作用于主泵，從而對排量進行控制，通過設定，使主泵壓力較最高負載回路壓力高1～1.5MPa，所有電磁換向閥進出口壓差為定值，因此執行機構速度只與節流閥開口大小有關，見公式(1)。

圖1 挖裝機基本控制單元

式中，pp 為泵出口壓力;p1為油缸A 壓力;p2為油缸B 壓力;QV1為A 油缸回路總流量;QV2為B油缸回路總流量;A1為A 換向閥開口面積;A2為B 換向閥開口面積;Δp 為常量。

因此，即使泵出現供油不足的現象，所有油缸、馬達等執行部件速度會整體下降，各運動機構始終按照設計的軌跡運動，不會偏移或損毀零部件。

2.2 主泵

主泵的流量與安裝在泵出口和執行器之間的外部傳感節流孔的橫截面積有關。流量在功率曲線和壓力切斷值之下以及在泵的整個控制范圍內與負載壓力無關。壓差增大時，泵朝Vgmin回擺，壓差減小時，泵朝Vgmin擺出，直至閥內傳感節流孔兩端壓差恢復設定值。油泵原理圖如圖2 所示。特性曲線如圖3 所示，壓力變化范圍為5～35MPa，排量變化范圍為0～130mL/r。

2.3 行走驅動計算

挖裝機工作能力70m3/h，整機質量13t，刮板鏈速度0.7m/s，行走速度0.4m/s，系統功率55kW，泵排量200L/min，其行走驅動特性曲線如圖4?？梢钥闯?，當挖裝機起步時，驅動力始終處于高位(＞120kN)，在位置1 點，驅動力達到峰值，隨后緩慢下降，在位置2 點(V=0.412m/s)后，驅動力快速下降，因此系統行走速度為0.4m/s 是合理的。

圖2 油泵原理

圖3 油泵特性曲線

圖4 礦用挖掘裝載機行走驅動特性曲線

3 現場應用

裝備LUDV 系統的挖裝機在開灤趙各莊礦進行了試驗，掘進斷面16.81m2，凈斷面15.76m2，總進尺147m，共裝矸4447m3。經測算實際生產能力50m3(考慮調車、清幫、倒堆時間)，操作更靈活可靠，機器裝巖能力大，機動性能好，安全性能和一機多用性能優良，能夠滿足巖巷掘進機械化施工的要求，性能達到各項指標要求。

4 結束語

液壓系統是挖裝機的核心系統之一，該系統設計是否合理，直接關系到整機的性能和可靠性。根據挖裝機的實際工況和LUDV 系統的基本原理，正確分析了液壓系統負載、速度及變化規律，確定了科學的調速控制方案，研究了合理的液壓過載保護方式，并采取了可靠的防止液壓沖擊的技術措施，完善了整體的液壓系統方案，性能達到各項指標要求，可推廣應用。

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