全斷面掘進機錨桿鉆機液壓系統的設計

董榮寶

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

目前煤礦領域掘進巷道普遍采用懸臂式掘進機、連采機及掘錨機等分斷面掘進方式，這種方式制約煤礦生產，不適應形勢的發展。通過研究分析,研制了煤巷全斷面掘進機,其一次成型斷面為矩形(尺寸5.8×3.8 m)，采用步進式掘進，步距為1.5 m，由于該機頭與機尾之間存在1.5 m空頂距，需要在此布置多臺錨桿機。錨桿機作為掘進機的關鍵設備直接制約著掘進速度，故有必要設計合理的錨桿機液壓控制方案。

1 錨桿機組成及工作原理

錨桿鉆機的位置如圖1所示。錨桿鉆機主要有撐柱組件、長短進給油缸、滑架、鏈傳動、鉆箱、冷卻降塵系統、液壓系統及電氣系統組成，采用全液壓驅動，如圖2所示。全斷面掘進機推進過程中同時打錨桿。

圖1 錨桿機位置

錨桿鉆機依靠長、短進給油缸的兩級進給和鉆箱的旋實現鉆孔和安裝錨桿作業。鉆孔前，首先將支撐柱撐頂，將鉆架穩定好。布置于滑架的長短進給油缸將滑架及鉆箱由滑架底部推至頂部，兩次推進運動的完成共同實現鉆機鉆箱進給運動。

圖2 錨桿鉆機結構

2 三種液壓系統方案

2.1 單泵-分流閥方案

采用分流閥將一臺液壓泵2輸出的流量等分給2臺錨桿機，錨桿機的3個執行器采用中位機能為M的換向閥5串聯在一起。系統壓力由溢流閥3調節，推進缸與支撐缸的平衡閥9具有油缸保壓及平穩下降的作用，如圖3所示。2臺錨桿機同時工作時，溢流閥溢流出少量高壓油液回油箱，其他油液等分到2臺錨桿機。當僅僅1臺錨桿機工作時，不工作回路的油液經過分流閥、3個換向閥及管路直接回到油箱。

1-過濾器;2-液壓泵;3-溢流閥;4-分流閥;5-換向閥;6,7,8-執行器;9-平衡閥。

分流閥由2個固定節流口及2個可變節流口組成，要產生分流效果，必須產生壓降，這樣會產生大量的熱，同時油液經過串聯的換向閥也要產生熱量。系統產生大量的熱會造成系統泄漏及效率降低,故有必要在系統中采用強制冷卻。液壓馬達、推進缸及支撐缸串聯在一個回路中，各個元件的速度不容易匹配馬達和油缸同時工作時，馬達承受一定的背壓，對馬達使用壽命造成一定的影響。

2.2 雙泵-分流閥方案

該種方案采用大小流量的液壓泵3配備2個分流閥4。其中一個分流閥經過2個換向閥5連接2臺馬達7,另一個分流閥經過4個換向閥連接4個液壓缸。換向閥中位采用M機能。2個溢流閥2分別設置2臺液壓泵的系統壓力如圖4所示。

1-過濾器;2-液壓泵;3-溢流閥;4-分流閥;5-換向閥;6-平衡閥;7,8,9-執行器。

由于2臺錨桿機參數一樣，回轉、推進及支撐的回路壓力可以按照工況進行調節，流量分配更加合理。2臺機器同時工作時，壓力、流量都可以得到充分利用。當僅僅一臺機器工作時另一路油液經過分流閥、3個換向閥及管路直接回到油箱。仍然會造成壓力損失，會產生大量的熱。并且分2泵會造成系統管路復雜，結構也不緊湊。

2.3 負載敏感方案

由圖5所示,負載敏感回路中，液壓泵出口處的換向閥5前后分別引出壓力油至泵的流量控制閥閥芯兩端，流量閥的彈簧力較小且預先設定(一般約相當于壓力2.0 MPa)。當換向閥閥口開度大一些，換向閥兩端的壓差就減小，從而調節變量機構兩端壓差就減小，推動斜盤使之傾角增大，直到輸出的負載流量在節流閥上的壓差重新與流量閥的彈簧力達到平衡為止。通過改變換向閥的閥口大小來適應不同工況所需要的負載流量。

式中：FS為變量機構的彈簧力;AF為閥芯有效作用面積。

泵的輸出流量：Q2=K·A·(Δp)m。

泵的輸出功率：P=P1+P2

式中：P1為有用功;P2為節流損失。

對于負載敏感泵來說，不存在溢流損失，盡管系統依然存在節流損失，但節流損失僅僅為比例節流口產生的壓差(2.0MPa)所造成的能量損失,且產生的損失較小，其損失功率為：P2=Q2×Δp。

1-過濾器;2-液壓泵;3-溢流閥;4-方向閥;5-單向閥;6-平衡閥;7,8,9-執行器。

2個錨桿機同時工作時，負載敏感油路通過單向閥5進行壓力反饋，使系統始終滿足外負載的要求。只要系統中所有同時工作的回路總流量之和小于液壓泵的飽和流量，那么各個執行器就可以同時工作，且互不干擾。當僅一臺錨桿機工作時，對回路沒有影響。

3 三種液壓系統方案分析

1) 方案1:結構簡單，價格低廉但發熱量較大，效率較低，馬達和液壓缸不能很好地分配流量。

2) 方案2:執行器的壓力、流量分配合理，與方案1比較可靠性高，且有較大的發熱量。

3) 方案3:采用負載敏感控制液壓系統，實現多個執行器同時運行根據負載合理分配壓力與流量，執行機構都不運行時，液壓泵僅僅產生少量油液，用來彌補系統的泄漏。外部負載超過系統設置最大值時，液壓系統自動調節到最小流量，對系統進行保護。

4 結論

為使錨桿機作為掘進機的關鍵設備能提升速度,合理的設計液壓控制方案很有必要。通過設計的3種液壓系統方案進行了比較結果,其中第3方案,即負載敏感方案,通過井下試驗，此方案效率最高，而且安全可靠。