靜液壓傳動在KQTG- 165鉆機底盤上的應用

汪鵬程， 胡智君， 吳 寧

(安徽銅冠機械股份有限公司， 安徽 銅陵 244061)

0 引言

KQTG- 165鉆機是安徽銅冠機械股份有限公司近年來開發的一種高氣壓環形潛孔鉆機，該機主要應用于非煤地下礦山及隧道、水利等巖土工程中進行全方位大直徑深孔鑿巖。其底盤采用柴油機為動力，靜液壓傳動的方式，優點是結構緊湊、操作簡單、機動靈活，可在井下方便地實現轉場，深受用戶的好評。

1 靜液壓傳動在鉆機底盤上的布置方式

KQTG- 165鉆機整機結構示意圖如圖1所示，其底盤傳動采用安裝在副車架6上的柴油發動機通過彈性聯接體驅動DA控制的力士樂A4V系列雙向斜盤結構軸向柱塞變量泵工作，油泵輸出高壓油驅動安裝在后機架5上斜軸結構變量馬達A6V，馬達通過和自身花鍵聯結的分動箱調速后分別將扭矩提供給前、后橋，完成底盤行走動作。其傳動路線如圖2所示。

1.工作機構 2.前機架 3.電動機 4.駕駛室 5.后機架 6.副車架 7.發動機圖1 KQTG- 165鉆機整機結構示意圖

圖2 KQTG- 165鉆機傳動路線

由其傳動路線，可知靜液壓傳動實際上就是把原動機輸入的機械能通過液壓泵轉換為液壓能，再由液壓馬達將液壓能重新轉化為機械能，并對外輸出能量的一種傳動方式[1]。

2 鉆機底盤靜液壓傳動的組成和原理

2.1 系統的基本組成

A4V變量泵和A6V變量馬達的構成的閉式回路如圖3所示，實際集成了多個液壓控制元件，各個元件的主要功能如下。

2.1.1 主泵及控制回路

采用伺服油缸5控制柱塞變量泵1的斜盤，伺服油缸5是依靠變量泵1內嵌的輔助泵2壓力來推動的，通過電磁換向閥4進行切換，改變斜盤偏轉方向。

1.主泵(A4V變量泵) 2.輔助泵 3.雙聯齒輪泵 4.三位四通電磁換向閥 5.伺服油缸 6.高壓溢流閥 7.單向閥 8.DA閥 9.溢流閥 10.梭閥 11.低壓溢流閥 12.過濾器 13.變量馬達(A6V) 14.電磁換向閥 15.油缸 16.單向閥 17.冷卻器圖3 KQTG- 165鉆機底盤靜液壓傳動原理圖

電磁換向閥4處于中位，控制油截止，變量泵1斜盤處于中位，無流量輸出，整機處于空檔狀態，整機速度為零。電磁換向閥4切換左、右得電，伺服油缸5推動斜盤發生偏轉，實現變量泵1輸出主油路方向的變化，從而實現整機前后行駛方向的改變。

2.1.2 軸向柱塞變量馬達及控制回路

通過單向閥16在主回路上取油，電磁換向閥14切換，推動油缸15處于兩種極限狀態，改變變量馬達13斜軸角度來實現變量馬達的兩種排量，從而實現整車兩種檔位速度的切換。

2.1.3 輔助泵及其控制回路

輔助泵2通過主泵1和發動機輸出軸串聯在一起，主要有三個作用：(1)其通過單向閥7，向主油路低壓管路補充內部泄漏的油，補油壓力由溢流閥9設定，一般大小約2 MPa，由廠家出廠時調定；(2)提供壓力油給伺服油缸5，通過電磁換向閥4切換，實現整機前后運動方向的改變。(3)通過DA閥8實時測定發動機的轉速，將發動機的轉速轉化為控制主泵1排量的大小，實現檔位的無極調速。

輔助泵2除了上述主要功能外，還提供停車制動的外接油口。

2.1.4 系統過載保護回路

由于主泵和馬達組成的閉式回路，壓力很高，可達到45 MPa，高壓溢流閥6是防止主油路高壓一側免受過載，起安全閥作用。為了防止高壓溢流閥6頻繁開啟，引起系統發熱，系統增加了壓力截流閥。梭閥10和溢流閥11構成壓力截流閥，當主油路壓力超過高壓溢流閥6的調定壓力時，從主油路過來的高壓油經過梭閥10推動溢流閥11動作，切斷控制油路并讓伺服油缸5的控制油卸載回油箱。

2.2 鉆機底盤靜液壓的工作過程

KQTG- 165鉆機的換檔換向開關控制旋鈕如圖4所示，“0”為空檔，整車前進、后退各有一個低速檔和一個高速檔。

圖4 換檔換向開關示意圖

2.2.1 空檔狀態

檔位旋鈕置于“0”，電磁換向閥4不得電，處于中位，變量泵1的斜盤傾角為零，主油泵空轉，不輸出壓力油，馬達不加載，整車處于靜止狀態；輔助泵從油箱吸油，通過DA閥供給電磁換向閥4，但因電磁換向閥4不得電，阻斷了輔助泵2來油，輔助泵2的壓力油主要通過溢流閥9溢流回油箱。

2.2.2 低速檔狀態

檔位旋鈕置于“1”檔，馬達電磁換向閥14不得電，馬達排量最大；電磁換向閥4一端得電，從輔助泵2的過來的控制油使得變量泵1的斜盤發生偏轉(備注：電磁閥4兩端的電位置不同改變變量泵1的斜盤的偏轉方向，從而決定整車前、后運行的方向)，變量泵1輸出高壓油，馬達轉動，從而驅動整車行駛。

同時輔助泵2打開通往主油路低壓端的單向閥7，向閉式主回路進行補油。

2.2.3 高速檔狀態

檔位旋鈕置于“2”檔，馬達電磁換向閥14得電，馬達排量最小；電磁換向閥4一端得電，從輔助泵2過來的控制油使得變量泵1的斜盤發生偏轉，變量泵1輸出高壓油，馬達轉動，從而驅動整車以較高速度行駛。

3 鉆機底盤靜液壓驅動的基本特點

A4V變量泵和A6V變量馬達構成閉式負載反饋回路。當工作條件發生變化(例如行車阻力突然增大)，造成油馬達負荷發生變化，通過壓力變化反饋至(變量泵)的伺服調節機構，改變變量泵斜盤的角度，以改變泵的排量，從而改變油馬達的速度，整個過程是一個自動調節過程[2]。

3.1 容積調速回路

靜液壓傳動系統實際上是一個容積調速液壓回路。所謂容積調速，就是改變液壓泵或液壓馬達的工作容積(排量)進行調速的方法[3]。在不考慮系統泄漏和能量轉化過程的損失，容積調速中馬達輸出軸上的扭矩、轉速和功率分別為：

(1)

式中PM—馬達的工作壓力，MPa；

qM—排量，mL/r；

Pp—油泵的工作壓力，MPa。

(2)

式中nM—馬達的轉速，r/min；

QM—流量，mL/min；

Qp—油泵的流量，mL/min；

qp—油泵的排量，mL/r；

nP—油泵的轉速，r/min。

馬達功率：

N=PMQM=PPQP

(3)

根據公式(2)可知，假定發動機轉速(即油泵轉速nP)恒定，改變油泵排量qp或馬達排量qM，就可以實現馬達轉速nM的變化。

根據公式(2)和(3)，假定發動機轉速(即油泵轉速nP)恒定，油泵輸出的壓力Pp和排量qp均不變的情況下(即油泵的輸出功率不變)，而變量馬達排量qM減小，則馬達轉速nM提高，屬于恒功率調速；

根據公式(1)和(2)假定油泵排量qp和馬達的排量qM均不變，發動機轉速(即油泵轉速nP)增加，油泵的流量QP增加，馬達的轉速nM增加，馬達扭矩T不變，屬于恒扭矩調速。此時對油泵而言，油泵輸出功率隨馬達轉速nM呈比例變化。

由于油泵和液壓馬達均可進行變量，當油泵處于最大排量，液壓馬達處于最小排量時，傳動裝置可以輸出最高轉速；當油泵處于最小排量，液壓馬達處于最大排量時，傳動裝置可以輸出最大扭矩。通過恒扭矩調速回路和恒功率調速回路的組合，通過發動機油門調節，鉆機底盤靜液壓傳動可以獲得一條理想的動力特征曲線[4]。

3.2 A4V變量泵DA控制方式

A4V系列變量泵控制方式很多，主要有：液壓手動伺服控制HW、電氣控制EL、與壓力有關的液壓控制HD、與轉速有關的液壓控制DA等，其中DA控制方式應用最廣泛。

DA控制閥又稱為速度感應控制閥，見圖2中的序號8。DA閥的輸出控制壓力P與其輸入的流量Q的平方成正比[5]，由于發動機和變量泵、輔助泵通過軸驅動，則DA輸入的流量Q與發動機轉速n的平方成正比。以上關系可簡化為以下：

DA閥輸出壓力；

P=kQ2=k(nq)2=kq2n2

(4)

式中k—比例系數；

Q—DA閥輸入流量，mL；

n—發動機轉速，r/min；

q—輔助泵排量，mL/r。

即DA控制閥可根據輔助泵提供的流量Q，輸出一個與發動機的轉速n平方成正比的控制壓力P。控制壓力P進入變量泵伺服油缸，改變斜盤角度，從而達到無極變速調節變量泵排量的目的。簡而言之，DA控制閥就是將發動機的轉速轉化為控制變量泵排量的液壓元件。

KQTG- 165鉆機采用德國道依茨發動機D914L04，發動機怠速為700 r/min，其最高轉速為2 300 r/min。在發動機怠速情況下，調整DA控制閥內置的彈簧預緊力滿足DA閥輸出控制壓力恰能推動變量泵斜盤開始偏轉；在發動機最大速度情況，通過調整DA控制閥內置彈簧的剛度和阻尼孔的大小來滿足DA閥輸出控制壓力能推動變量泵斜盤偏轉到最大；通過調節DA閥的控制范圍以調整變量泵的輸出功率，使其處于發動機輸入功率曲線以下，保證不發生過載。

因輔助泵軸和發動機串聯在一起，故而輔助泵輸出流量受發動機油門控制，當外界載荷變大時，超出了發動機的額定功率后，發動機轉速降低，輔助泵輸出流量Q減小，通過DA閥輸出壓力P會同步按Q平方成比例減小，伺服油缸移動，斜盤的偏擺角度減小，變量泵排量下降至某一數值，變量泵在該排量下穩態工作，變量泵輸出功率減小，因此避免了發動機因外界載荷過大而熄火；反之，當外界載荷減小時，發動機轉速提高，輔助泵輸出流量Q增大，DA閥輸出壓力P以Q平方成比例變大，改變斜盤偏擺角的力增加，變量泵排量增大至某一數值，變量泵在該排量穩定工作，發動機輸出功率變大，減小了功率損失，提高了發動機的使用效率。由于DA控制閥的自動調節作用，從而減輕了駕駛員的心理負擔，提高了使用安全性。

4 結語

KQTG- 165鉆機工作中，當A6V馬達負載變化時，柴油發動機的扭矩(轉速)也發生變化。由于DA閥的作用，A4V主泵的排量也隨之變化(自動的增大或減小)，始終保持A4V主泵的扭矩與柴油機的輸出扭矩的最佳匹配，實現高效、自動化、低油耗控制。在地下無軌設備中，由于靜液壓傳動具有傳動啟動、運轉平穩的特點，能自動防止過載，能在較大的范圍內實現無極調速，車輛的通過性能良好、操作簡單、配置靈活，能更好地滿足井下復雜的路面環境，因而靜液壓傳動有著廣泛的應用前景。