掘进机的液压系统设计与分析

詹广强 王俊峰 康熙

摘要：掘进机的工作运行与液压技术紧密相关，二者相互促进。掘进机采用液压系统具有许多突出的优点，如结构简单、控制简单、操作简便省力、易于实现自动化、体积小、调速性能好、过载保护性能好等。因此研究掘进机及其液压系统具有重要的意义。本文关于掘进机液压系统的设计主要针对液压系统的回路、元件、工作原理等进行了详细的分析、选型和研究。

关键词：掘进机；液压系统；元件选用1掘进机液压系统回路循环方式选择

回路的循环方式有开式和闭式两种。

掘进机的工作条件是煤尘和岩粉多，通风条件差，机器的体积受工作面空间的严格限制。根据循环方式的特点，如选用开式系统，要考虑机器的体积，若采用闭式系统，应考虑散热条件。由于掘进机液压系统多为泵——缸系统，泵——缸和泵——马达组成的混合系统，油泵向二个以上执行元件供液的组成式系统，所以掘进机的液压系统设计成开式系统[1]。

2掘进机液压系统的基本组成

按照掘进机工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用管路有机地连接起来就组成一个掘进机液压系统。它是以油液为工作介质、利用液压泵将液压能转变为机械能，进而实现掘进机的各种动作。掘进机除了截割头的旋转运动外，其余各部分的动作均采用液压传动。掘进机的液压系统可分为以下四部分：行走部分、输送部分、装载部分及工作部分。是由电动机驱动齿轮泵分别向回路供压力油，从而组成了四个独立的开式系统。

按照掘进机工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用管路有机地连接起来就组成一个掘进机液压系统。它是以油液为工作介质、利用液压泵将液压能转变为机械能，进而实现掘进机的各种动作。按照不同的功能可将挖掘机液压系统分为几个基本部分：油缸回路、行走回路、装载回路、运输回路。擬订如下：

2.1 油缸回路

油缸回路为了实现油缸伸缩，采用齿轮泵的供油，包括工作机构升降油缸、工作机构回转油缸、工作机构伸缩油缸、铲板升降油缸和铲板支撑油缸供压力油，并由这5组油缸来完成掘进机所需要的各种动作，为防止截割头铲板下降过速，使其运动平稳，为使截割头支承油缸能在任何位置上定位，不致因换向阀的漏损而改变其位置或因油管破裂造成事故，故在截割升降回路中有单向节流阀和液控单向阀，在铲板升降回路和支撑回路装有平衡阀以避免爆管事故的发生。限制系统的最大压力，使系统和元件不因过载而损坏，通常用安全阀来实现，安全阀设置在主油泵出油口附近，因此溢流阀是常开的。更合适油缸工作。液压掘进机执行元件的进油和回油路上常有限压阀，限制液压缸、液压马达在闭锁状态下的最大闭锁压力，超过此压力时限压阀打开、卸载保护了液压元件和管路免受损坏，这种限压阀实际上起了卸荷阀的作用。

双作用单杆液压缸和换向阀等原件组成，可以使液压缸实现差动连接的一种速度控制回路。同时选择差动回路比较简单，应用广。

2.2 行走回路

行走回路的完成主要是由齿轮泵向液压马达供油，驱动机器左右行走，需要快速行走时，两个齿轮泵输出的油液可以使用手动换向阀的动作来控制行走马达正反转。防滑制动可以由行走减速器上的摩擦片制动，制动油缸的油液直接由泵的输出油液控制，制动安全可靠。行走装置的作用是支撑掘进机的整机质量并完成行走任务，采用履带式。

2.3 装载回路

装载装置的功能是将物料运到运输装置，装载回路由齿轮泵通过一个阀式集分流器分别向2个液压马达供油，由溢流阀调定。可以把齿轮泵输出的油液经一个手动换向阀的动作，来控制马达的正反转。利用节流阀的可变通流截面改变流量而实现调速的目的，通常用于定量系统中改变执行元件的流量。这种调速方式结构简单，能够获得稳定的低速。根据节流阀的安装位置，节流调速有进油节流调速和回油节流调速两种。

装载机构为进油节流调速，节流阀安装在高压油路上，液压泵经换向阀与节流阀串联，压力油经节流阀和换向阀进入马达。

这种节流方式由于节流后进入执行元件的油温较高，增大渗漏的可能性，加以回油无阻尼，速度平稳性较差，发热量大，效率较低。但可以很好的实现限速。

2.4 运输回路

运输回路由齿轮泵向液压马达供油，由齿轮泵输出油液经一个手动换向阀控制马达的正反转。将装载上来的物料向机身后部运输。

3液压元件的选用

3.1 液压马达的选用

选用低速大扭矩液压马达，这种马达具有很多优点适合掘进机的工作环境。如：噪音低；启动扭矩大，具有良好的低速稳定性，能在很低的速度下平稳运转；采用平面补偿配流盘，泄漏少，维修方便；效率高，转速范围宽，可靠性好，寿命长；体积小，重量轻，功率质量比高等。

根据马达输出功率，转速，额定压力，和转矩要求选定斜轴式柱塞马达型号为：NHM1-63，用于行走。排量为63ml/r的液压马达，驱动机器左右行走，行走速度为3m/min。

选低速大扭矩液压马达的型号为：NHM600A和NHM1300。分别用于输送和装载[2]。排量大，启动效率高，低速稳定性好。装载马达为2个排量为1300ml/r的液压马达，系统工作压力为14Mpa。输送马达排量为600ml/r，系统工作压力为14Mpa。

3.2 液压泵的选用

选用双联齿轮泵，这种泵具有结构简单、容积效率高、工作压力高、抗污染能力强、抗振性强、噪音低、寿命长、工作稳定可靠等特点。

⑴确定液压泵的最大工作压力Pp：

式中Pp——额定压力；

——从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。 的准确计算要待元件选定并会出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单，流速不大的，取 。

⑵确定液压泵的流量Qp：

式中K——泄露系数 一般取1.1-1.3；

——系统最大流量。

发生在马达全速运转时：

⑶选择泵的规格

根据以上求得的Pp和Qp值，按系统中拟定的液压泵的形式，从产品样本或手册中选择相应的液压泵。为使液压泵有一定的压力储备，所以选择的泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%～60%。

泵取CBZ2063/2040双联齿轮泵，排量调节为 ，额定压力16Mpa，转速 。

3.3 液压阀的选用

⑴溢流阀。溢流阀的基本功能是限定系统的最高压力，防止系统过载或维持压力近似恒定。本系统中选用二级同心先导式溢流阀，安装在泵的出油口处，用来恒定系统压力，防止超压，保护系统安全运行。如果压力过大，可通过溢流阀流回油箱。

溢流阀具体的型号和尺寸由相关厂家的样本中查得。

产品型号为：DB10-AZ-35-S1。

⑵平衡阀。安装在后支撑油缸和换向阀的管路上，用来保证工作平稳，无冲击振动。

产品型号为：LHK33G-21-180/180。

⑶单向阀。系统单向阀也是必不可少的元件，它用来防止油液倒流，从而使执行元件停止运动，或保持执行元件中的油液压力。还可以保持一定的背压。这里使用的是液控单向阀。

产品型号为：KDF/C

⑷换向阀。在系统中要用到一组五联多路换向阀，每个阀为三位四通换向阀。在系统中换向阀的主要作用是改变压力油进入执行元件的方向，进而实现不同的动作要求，在三位四通的换向阀中，左右阀位要求能够进回油，中间的阀位要求禁止油液流通，以达到执行元件动作达到要求后停止或悬停在任一位置。

除此之外，还需要用到手动换向阀来控制压力油进入马达。

手动换向阀的产品型号为：

34SM-B20H-T（左、右行走马达）

34SH-B20H-W（中间输送机马达）

五联多路换向阀产品型号为：ZL15GOT-OT-OT-YT-YT。

⑸节流阀。在一定的阀口压差作用下通过改变阀口的通流面积来调节其通过流量，因而可对液压执行元件进行调速。

这里使用的单向节流阀的产品型号为：MK15G。

3.4 液压缸的选用

单作用液压缸仅在靠自重、外负载或弹簧力等机械方式实现回城时在使用，一般多使用双作用液压缸。

所以这里选用工程机械用的双作用单活塞杆液压缸[3]。

4确定调速方式

液压系统调速方式分有容积调速、节流调速及两种合成的联合调速。选择调速方案要考虑三个原则。

4.1 根据压力，速度和负载变化特点选择

压力高、功率大的可选容积调速，反之选节流调速。从经济效果看，一般节流调速适用于功率在2~3KW以下的系统，5KW以上的用容积调速较好。

要求达到微小的低速时，应选节流调速。负载变化较大，又影响速度的稳定性，如果要求速度的稳定性较高，在选择调速方法时应该同时考虑速度稳定的方法。

选择调速方法时，还应该考虑负载的变化是恒功率，还是恒扭矩的特性。

4.2 根据工作条件选择

要特别注意液压系统的振动、噪音和发热等造成的一些不良影响，节流调速会导致油液的严重发热，在这种情况下，即使功率不大也要考虑选用容积调速，或选变量泵，节流阀的联合调速。

4.3 根据成本费用选择

一般来说，节流调速费用低，容积调速和联合调速费用高。但同时也并非如此，如果采用变量泵将节流调速改变成联合调速，可以节省一个定量泵和其他一些液压元件，设备费用反而会降低。另外，从长期使用来看，功率消耗也不可忽视。

综合上述因素和原则，本掘进机的行走液压马达的调速方式为根据各执行元件的工作程序来获得不同的速度。将转载机构油马达的供油管路，经过一个换向阀与行走机构油马达的供油管路并联。装载机构停止工作时，掘进机可以较高速行驶，以实现快速调动，而当行走机构油马达停止工作时，使该油路卸荷，不向行走机构油马达供油，保证装载工作正常进行。

5掘进机的液壓系统原理图及分析

工作机构伸缩液压系统：主泵→单向阀→手动换向阀→液压缸→冷却器→油箱。可实现液压缸的伸缩，换向阀在左位时，杆伸出。处于右位时，杆缩回。在中间位置时，液压缸保持状态，锁紧。

工作机构升降液压系统：主泵→单向阀→手动换向阀→节流阀→液压缸→冷却器→油箱。可实现液压缸的伸缩，换向阀在左位时，杆缩回。处于右位时，杆伸出。在中间位置时，液压缸保持状态。节流阀可以控制速度，避免爆管事故的发生。

工作机构回转系统：主泵→单向阀→手动换向阀→液压缸→冷却器→油箱。可实现液压缸的伸缩，换向阀在左位时，左杆伸出右杆缩回，机构向右转。处于右位时，左杆缩回右杆伸出，机构向左转。在中间位置时，保持状态。

铲板升降系统：主泵→单向阀→手动换向阀→液压缸→冷却器→油箱。可实现铲板的升降，换向阀在左位时，活塞杆伸出，铲板上升。处于右位时，活塞杆缩回，铲板下降。在中间位置时，保持状态。平衡阀用来保证工作平稳，防止冲击振动

铲板支撑系统：主泵→单向阀→手动换向阀→液压缸→冷却器→油箱。可实现后支撑油缸的升降，换向阀在左位时，活塞杆伸出，上升。处于右位时，活塞杆缩回，铲板下降。在中间位置时，保持状态。平衡阀用来保证工作平稳，防止冲击振动

上部行走马达处换向阀处于左位或右位，换向阀1处于上位时，实现快速行走。

换向阀1处于下位，换向阀2处于上位时，行走和装载同时进行。

上部行走马达处换向阀处于中位 ，换向阀1处于下位，2处于上位时装载。2处于下位时，马达反转。

[参考文献]

[1]杨培元,朱福元,主编.液压系统设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，2005.8.

[2]吴宗泽.机械设计师手册（下）[M].北京：机械工业出版社,2002.

[3]煤炭工业部生产司开拓处组织.掘进机选型手册.北京：煤炭工业出版社,1989.