負載敏感變量泵在掘進機液壓系統中應用

劉乙慧

(山西焦煤機械電氣有限公司， 山西 太原 030024)

掘進機工作過程中，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雜，呈現隨機性、突變型等特點，因此為保證截割臂姿態的穩定性、降低系統能耗，與變量泵相結合的負載敏感控制技術被引入掘進機液壓系統的控制當中。負載敏感控制是指當外載荷的壓力、流量等發生變化時，變量泵可獲得信號，并對泵的運行狀態做出自適應調整[1-3].

1 掘進機液壓系統組成

掘進機液壓系統主要由行走回路、裝載回路、轉載運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。掘進機的左右、前后、回轉等行走動作通過分別驅動兩側的履帶運動實現，驅動裝置具有輸出扭矩大、運動速度低等特點，因此適宜采用定量柱塞馬達。

2) 裝載回路。裝載回路主要驅動兩處三爪星輪轉動，將截割下的煤炭回收至運輸裝載，由于煤炭堆積不均勻，兩處三爪星輪負載大小不同，因此一般采用兩個定量馬達進行大扭矩驅動。

3) 轉載運輸回路。該回路主要驅動刮板鏈將三爪星輪轉載而來的煤炭運離設備，刮板鏈采用定量液壓馬達做為驅動。

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，負責截割臂的升降、鏟板升降、掘進機后部支撐等功能。泵缸回路對液壓系統的穩定性要求較高，因此適宜采用負載敏感變量泵控制[4,5].

2 負載敏感變量泵工作原理

負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、負載敏感閥、壓力切斷閥、恒功率閥、節流閥等組成。工作狀態下，節流閥開啟，泵缸回路正常動作；否則節流閥關閉。該泵具有負載敏感、壓力切斷、恒功率控制等功能。

負載敏感變量泵的工作原理如下：

1) 當電機轉速為零時，變量泵無輸入動力，則泵內斜盤在小徑活塞缸內彈簧作用下保持最大擺角。

2) 當電機輸出設定轉速，但節流閥處于關閉狀態時，變量泵內斜盤跟隨轉動，并由此產生輸出壓力，壓力傳遞至負載敏感閥閥體右側，但仍小于閥體左側的彈簧作用力，因此閥芯不動。隨著泵的輸出壓力增大，直至克服負載敏感閥左側彈簧的壓力，閥芯向左側移動，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，但大、小徑活塞缸無桿腔的作用面積之比為2∶1，因此泵內斜盤兩側的受力大小不同，斜盤角度減小，減小至僅能補償泵內泄漏流量的最小角度。此時的變量泵輸出流量最小，處于工作待機狀態。

3) 當掘進機液壓系統正常工作時，節流閥打開，外負載壓力傳遞至負載敏感閥的左側有桿腔，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，閥口相應變小或關閉，對應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。當節流閥兩側的壓力差值與負載敏感閥左側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載壓力之和，同時，變量泵的輸出流量也正好與負載所需流量相等，實現了泵的輸出與負載需求相適應。

1—節流閥 2—負載敏感閥 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 負載敏感變量泵液壓原理圖

3 掘進機截割升降回路仿真分析

3.1 截割升降回路組成

以常見EBZ318掘進機為例，其截割升降回路見圖2，主要由電機、負載敏感變量泵、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，可控制液壓介質進入截割升降液壓缸的不同腔體內，實現截割頭的升降動作。為了防止工作過程中截割頭由于自重或沖擊導致的位置下移，在多路閥和升降油缸之間增加了可實現壓力平衡和過載溢流功能的的平衡溢流閥組。當截割巖石的硬度發生較大波動時，液壓系統的外負載出現較大突變，瞬間高壓可能損壞缸體、閥體的密封結構，而平衡溢流閥組可通過溢流等動作實現卸壓，以保護液壓系統安全。

1—電機 2—負載敏感變量泵 3—多路閥 4—平衡溢流閥組 5—截割升降油缸圖2 掘進機液壓升降回路組成圖

3.2 仿真模型建立

為研究以負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模型，包括液壓系統模型、機械元件模型、控制系模型等。

負載敏感變量泵模型參數設置中，變量泵的最大排量為0.25 L/r，恒功率閥的最大調定功率為120 kW，壓力切斷閥的設定切斷壓力為250 bar，負載敏感閥的待機壓力為2.5 MPa. 驅動電機額定轉速為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徑分別為140 mm、220 mm.

3.3 仿真結果

1) 待機工況。

分析從變量泵啟動到進入待機狀態之間的變化，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系見圖3. 在變量泵啟動瞬間(0～0.25 s)，由于泵內斜盤角度處于最大狀態，且多路閥閥口關閉，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整，泵的輸出壓力也迅速降低，在約0.6 s后穩定在2.4 MPa，這與模型設定的負載敏感閥待機壓力2.5 MPa接近。

圖3 待機狀態下變量泵輸出壓力變化圖

2) 截割抬升工況。

當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，截割頭向上截割運動，截割升降油缸無桿腔內的介質壓力變化見圖4.

在0～5 s時間段內，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. 該數值實際由截割頭的自重加載引起，模型中數值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，多路閥進行換向動作，閥口完全打開，但由于采用了節流槽結構，因此換向后的壓力波動較小，未出現過大超調量，在約6 s時壓力即可達到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，模擬截割頭的向上截割運動，外載荷存在一定波動，因此截割升降油缸無桿腔內的壓力也在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，而油泵繼續供給壓力，在外載荷和運動慣性作用下，無桿腔內的壓力瞬時升高至45 MPa，從而觸發變量泵的壓力切斷閥動作，壓力又快速降低，在約36.8 s后逐漸穩定在25 MPa左右，即壓力切斷閥的切斷壓力。

4 結 論

掘進機是煤礦井下的重要巷道掘進施工設備，為提高其液壓系統的穩定性、降低系統能耗，介紹了掘進機液壓系統的組成，對泵控系統常用的負載敏感變量泵的工作原理進行了分析，利用AMESim仿真軟件建立了截割升降回路的仿真模型，分別對待機工況和截割抬升工況下的壓力波動情況進行了研究，仿真結果表明：

1) 負載敏感變量泵在待機工況下，可自動實現輸出介質的低壓和小流量特性，有效降低待機能耗。

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