礦用懸臂式掘進機液壓系統優化探析

潘洪偉

（潞安集團漳村煤礦， 山西 長治 046000）

引言

目前，使用最廣泛的懸臂式掘進機液壓系統的電機功率大多處于100 kW以上，額定流量處于400 L/min以上，而郵箱的容量僅僅為幾百升。油箱的殼體有著較大的厚度，并且大多處于主機的內部，對其散熱造成了阻礙。除非工作現場有著較為理想的冷卻水流量及溫度，否則將會導致液壓油出現較高的溫度。在實際工作中操作人員監控不當，油溫超出70℃后掘進機依舊處于長時間的運行狀態，因此，依據回路設計及參數設定的層面出發來增強液壓系統的效率，避免功率的損耗，減少油溫的上升，從而使系統運行具備較高的可靠性。

1 掘進機液壓系統構成及原理

1.1 掘進機液壓系統的主要執行機構

1）采取高速柱塞馬達與減速器相結合的方案來設計行走馬達，與BVD平衡閥相配合[1]；

2）采取低速大扭矩的馬達來設計為裝載及運輸馬達，需要確保充足的裝運速率，其對流量的需求也過大；

3）鏟板液壓缸及后支撐液壓缸分別驅動鏟板部和后支撐部的升降，從而帶動掘進機升降，存在較高的工作壓力；

4）升降及回轉兩個液壓缸分別帶動截割部在垂直及水平兩個方向上進行擺動并提供相應的動力；

5）推進液壓缸驅動懸臂伸縮。掘進機液壓系統一般會設置兩套回路，分別為行走及裝運，其主要是由一臺液壓泵與一套多路閥相結合來帶動多個執行單元。行走回路的執行單元主要包含了行走馬達。裝運回路的執行單元主要包含了裝載及運輸兩種馬達。液壓缸分別安裝在行走及裝運兩個回路中，其組合存在較多個方案。

1.2 掘進機液壓系統原理

目前，掘進機液壓系統的原理詳見圖1。采用變量柱塞泵。為了使機體及截割單元可以穩定運行，液壓缸都需要安裝平衡閥。多路閥通常要采取前置定壓差閥。

圖1 掘進機液壓系統原理示意圖

2 掘進機液壓系統測試方法

由于使用了負載敏感變量泵，不存在多余的輸出流量，對回路效率產生影響的因素主要為壓力損耗。通過配置在管路之中的串聯測壓點，采取壓力傳感器及相應的采集系統來對掘進機在各個運行狀況下的壓力進行測試。主要測壓點有液壓泵的出油口及工作油口，多路閥的進油口及工作油口，執行單元的進/出油口，平衡閥組的進/出油口。

3 掘進機液壓系統效率影響因素分析及優化

3.1 變量泵的負載敏感閥壓力

變量泵的負載敏感閥壓力△Pp如果較低，將會導致多路閥的定壓差閥節流口達到最大值，也無法為流量感應口提供充足的壓力差，進而缺少了輸出流量；如果該數值較高，則功率將會出現過大的損耗。其計算過程詳見式（1）

式中：△Pv為多路閥需要的最低工作壓差；△PL為泵出口到多路閥進口壓力損失。

變量泵的負載敏感閥應當依據式子（1）來設定壓力，并存有相應的余量。一般情況下，在變量泵運行的過程中，負載敏感閥的設定壓力應當維持恒定。但是在實際運行的時候存在較多的因素，并且各個型號的變量泵的穩定性存在較多的差異。各個品牌及型號的多路閥所需要的最低工作壓差△Pv也存在差異[2]。

圖2和圖3所表示的是某個掘進機所采用的變量泵及多路閥的檢測曲線。根據圖2可知，在待機及對輸出壓力、流量進行調整的過程中，泵的負載敏感閥壓力設定為2.6～2.8 MPa之間。根據圖3可知，當壓力差大于1.5 MPa之后，流量基本保持穩定。

圖2 柱塞變量泵負載敏感閥壓差曲線

圖3 多路閥壓差-輸出流量曲線

3.2 工作回路

負載敏感單泵將會促使多個執行單元同時運行，泵口的壓力常常由具備最高負載壓力的執行單元所決定，而不具備較高負載的回路則要依靠多部路閥中存在的定壓差閥來損耗其中多余的壓力。若各個執行單元的負載壓力存在較大的差別，將會導致系統的效率不斷降低。例如：負載壓力較低、裝運馬達存在較大的流量等，目前所使用的大多處于十幾兆帕。而鏟板及后支撐液壓缸的流量過小、負載壓力過高。鏟板液壓缸在帶動主機進行升降的過程中，無桿腔保持20 MPa以上的壓力。如果鏟板液壓缸、裝運馬達同時運行，經過式子（2）進行計算可知，將會損耗15 kW的功率。此時需要對工作回路的組合加以調整，避免一臺泵驅動負載壓力存在較多差別的回路同步運行。一部分機型已經應用于裝運馬達之中，無法與液壓缸同用。

3.3 平衡閥壓力

平衡閥主要具備三種功能，分別為單向、節流和溢流，可以使液壓缸活塞桿保持可靠的位置，及處于多變負載條件下也可以穩定運行。掘進機中的液壓缸控制體系中均采用了平衡閥。其設定壓力一般為最大負載的1.3倍[3]。為了對備件進行更好地生產及管理，掘進機生產商常常將各個液壓缸的平衡閥設定為統一的規格及參數，選擇最高的負載為依據來設定所有平衡閥的壓力。這樣將會使負載較低的液壓缸回路在平衡閥中損耗較多的壓力。

圖4 鏟板液壓缸伸縮過程中無桿腔壓力曲線

圖5 推進液壓缸動作過程中無桿腔壓力曲線

根據檢測數據可知，掘進機的各個液壓缸中，鏟板液壓缸有著最大的無桿腔負載。根據圖4可知，其數值最大可實現25 MPa，那么平衡閥的壓力將會設定為30 MPa。推進液壓缸的活塞桿從全縮回轉變為全伸出，再轉變為全縮回，在該過程中無桿腔的壓力變化詳見圖5。在伸出活塞桿之后，無桿腔的壓力及面積分別為8 MPa和255 cm2，由于有桿腔存在較大的背壓，此時僅僅有30 kN的輸出力。根據運行的實際需求來適當調整推進液壓缸中平衡閥的壓力，無桿腔的壓力降低為1.5 MPa，流量保持80 L/min。通過式子（2）進行計算得出，功率損耗降低2 kW與此相似，回轉及升降液壓缸的平衡閥壓力也會得到一定的降低。

4 結語

1）液壓系統大多設置了具備負載敏感性能的變量泵，但是如果參數及回路無法得到合理的設定，其節能效果也受到較大的影響；

2）通過運用傳感器及數據采集體系來檢測液壓系統，并深入分析相應的曲線，是對系統進行優化的有效渠道；

3）經過大量實踐顯示，掘進機的液壓系統在經過改進之后，油溫上升的狀況得到了極大改善。