EBZ160掘进机液压系统流量饱和现象的分析与改进

席亚兵 盖巍巍 陈 亮

（1.三一重型装备有限公司；2.铁法煤业（集团）有限责任公司大兴煤矿）

EBZ160 掘进机是煤岩、半煤岩巷道掘进的主要机械设备，它是通过液压控制来实现机构的运转。流量控制基于负载敏感变量泵+负载阀控制系统，负载敏感阀通过将压差信号返回给泵变量机构，经过斜盘倾角调整，达到改变泵输出流量和控制损耗最小化的目的，具有自适应负载需求和节能的优势。然而，部分操作司机反馈，此设备的液压系统有时会出现动作缓慢无力的现象，特别在多动作组合工作时，情况会更明显。本研究就EBZ160 掘进机在井下出现的上述问题进行计算与分析，并提供解决方案。

1 液压系统饱和现象简介

掘进机的液压系统主要是由负载敏感阀和负载敏感泵相互配合使用，来保证功率合理的输出。当多执行机构复合动作时，为使变量泵的输出压力足以驱动负载较高的执行机构，通过梭阀网络将最高负载压力反馈至泵，此时，泵只能在负载压力较高的回路里保持流量匹配特性。为了使系统正常工作，通过在阀中各回路里设置压力补偿阀，以保证各执行结构均具有流量匹配［1］。当主泵输出的流量小于或等于执行机构所需要的流量时，即流量饱和。根据选择主阀的品牌不同，负载敏感阀会有阀前补偿和阀后补偿的区分，二者区别如下。

（1）阀前补偿。流量饱和时，即通过所有节流口的所需流量大于主泵提供的最大流量，高负载侧节流口两端压差下降，达不到补偿阀的设定压力，补偿阀的压差调节失效。随着各个阀口开度的增加，流量会流向低压力负载侧。

（2）阀后补偿。当流量饱和度开始增加时，泵的出口压力开始逐渐减小，各节流口两端的压力差随之减小并始终保持一致，系统会按照阀口开度的比例将流量分配给各个执行结构，而不是流向低负载［2-3］。

2 液压系统参数

根据EBZ160 悬臂式掘进机机型的基本配置，通过查找技术参数和样本，汇总参数如下。

（1）油泵电机功率P功率=90 kW，主泵型号为A11VO145LRDS+A11VO145LRDS 双联柱塞泵，单泵排量V1=145 ml/r。

（2）铲板部采用液压马达驱动，马达排量q2=1 400 ml/r，转速n2=33 r/min。

（3）第一运输机采用的是IAM600 双马达驱动，马达排量q3=600 ml/r，链速V3=61 m/min。

（4）行走部采用减速机总成GT80T+A2FE125 行走马达的配置，驱动轮节圆直径D4=668.57 mm，行走减速机总成速比i=185.1，马达排量q4=125 ml/r；根据掘进机技术参数要求，行走速度V4=6.5 m/min。

（5）截割头升降油缸参数：油缸内径D5=180 mm，油杆直径d5=110 mm，油缸行程H5=552 mm，一个循环所需要的时间t5=22 s。

（6）截割头回转油缸参数：油缸内径D6=160 mm，油杆直径d6=100 mm，油缸行程H6=746 mm，一个循环所需要的时间t6=22 s。

（7）截割头伸缩油缸参数：油缸内径D7=100 mm，油杆直径d7=63 mm，油缸行程H7=550 mm，一个循环所需要的时间t7=16 s。

3 液压系统的流量统计

EBZ160 悬臂式掘进机的液压系统为负载敏感、压力切断、恒功率控制。根据液压计算公式，结合上述掘进机的参数，通过计算可以得到各执行机构所需要的流量如表1所示。

?

4 流量饱和计算与分析

4.1 流量饱和情况分析

由于EBZ160 掘进机一般应用在煤岩和半煤岩的巷道中，当掘进机正常工作时，液压系统一般维持在中压负荷区，即液压系统压力维持在15 MPa～20 MPa。为了节约系统能源，主泵采用恒功率控制方式，根据表1 可知，液压泵的输出流量Q1维持在270～360 L/min。根据掘进机正常工作和井下司机操作设备时的习惯，主要有以下几种情况：

（1）正常掘进工作，即只收料和运料，行走部不参与动作。所需流量Q总需求=Q2+Q3+Q5+Q6+Q7=353.8 L/min。当煤岩或半煤岩的硬度不是很高，且相对均匀时，负载相对稳定，液压系统可以保持在15 MPa左右就可以驱动设备的各执行机构，因此流量基本满足Q1≥Q总需求的要求。但是事实上，井下煤层分布多变，总会有局部区域硬度很高，这样就会迫使液压系统瞬间压力达到20 MPa 左右，由于主泵采用恒功率控制，功率保持常数，因此输出流量Q1会随着系统压力升高而减小，短时间内出现Q1≤Q总需求，即流量饱和现象发生。

（2）部分司机在操作掘进机时，用驱动行走马达前进的方式来提供额外的推力，此时所需要的流量Q总需求=Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7=353.8～504.6 L/min。由于行走马达的参与，流量需求会迅速增大，会一直出现Q1≤Q总需求的现象，设备处于流量需求最大状态，即流量饱和。

（3）掘进机不掘进，仅清底出货时，需要借助行走来前后移动设备，此时所需要的流量Q总需求=Q2+Q3+Q4=208～358.5 L/min。行走部驱动掘进机向前移动使铲板收货，当前进阻力变大到达液压系统的切断压力25 MPa 时，主泵的流量就会逐渐减小到高压小流量的216 L/min，甚至主泵输出的流量仅能维持系统的内泄。在这个过程中，同样也会不时出现Q1≤Q总需求的现象。

综上所述：无论出现哪一种情况，都会有流量饱和现象的发生，主阀的压力补偿器就会间歇的丧失功能。此时泵输出的流量Q1要么流向低压力负载区，要么按开度成比列的分配给各阀。最终反馈到执行机构上就会出现行走无力、各油缸伸缩缓慢等情况[4-5]。

4.2 解决方案

4.2.1 规范操作方式

司机的操作习惯能在很大程度上影响流量饱和情况的出现。掘进机的操作方法：首先启动油泵电机，打开喷雾装置，并开动第一运输机与铲板部，将截割部处于对中、水平位置。启动截割电机，开动掘进机，靠掘进机行走使截割头逐渐插入岩石掏槽，插入深度根据实际情况确定。一般情况，当截割硬度较小（f≤6）的煤壁或岩石时，采用左右循环向上的截割方法。当截割岩石硬度不同时，先选择较软的岩石进行钻进，然后采用由下而上、左右截割的方法进行截割。截割出初步断面形状后，与实际所需的形状和尺寸可能存在一定差别，此时可进行二次修整。按照以上操作原则，在掘进时就会很大程度上减少流量饱和现象。在清底出货时，即使行走马达参与其中，也只是短暂出现流量饱和，处于可接受范围之内。

4.2.2 设备改进

发生流量饱和现象主要来自2个原因：一是负载突然变大，导致系统压力急剧升高，而使泵输出的流量变小而造成的；二是有大流量的行走马达参与机构运动，从而主泵流量不够而产生。

因此为了从根本上解决问题，将EBZ160 掘进机的串泵排量由145+145 MPa 提升为190+145 MPa，同时为了提高主泵的输出功率，油泵电机由90 kW 提升到110 kW。此增容方案的主泵输出流量如表2 所示。

?

根据表2的中结果，对比上述流量饱和现象发生时所需主泵的流量，可以发现增容方案配置的EBZ160 悬臂式掘进机能够满足要求，同时经过市场验证，流量饱和情况几乎不再发生。

5 结 语

EBZ160悬臂式掘进机流量饱和现象的产生主要来自于两种情况，一是当掘进机负载突然增大，二是行走马达参与机构运动，此时主泵流量不够而发生掘进机流量饱和现象。将掘进机主泵输出功率提升之后，此情况得到极大改善，设备运行正常。