掘锚机泵站系统优化设计

高 生 金秀宇

（三一重型装备有限公司， 辽宁 沈阳 110027）

悬臂式掘进机是煤矿巷道、公路隧道、铁路隧道、水利隧道等隧道成型过程中最重要的设备，而掘进机的性能对整个巷道成型的速度及质量起关键性作用。尤其在条件相对恶劣的井下作业时，确保掘进设备稳定地运行，满足掘进机的可靠性最为关键。液压泵站作为整台设备的“心脏”，为设备各执行元件提供动力，确保设备平稳运行，其作用毋庸置疑。

0 背景

目前传统的液压泵站上的油泵电机组件和油箱采用呈直线设置的布置方式设在掘进机的机体上，吸油过滤器位于油箱的内腔中且固定在内腔靠近油泵电机组件一侧的腔壁上，吸油管的第一端与吸油过滤器连接，吸油管的第二端与油泵电机组件连接，而油泵电机组件和油箱采用前后直线布设方式，在掘进机进行下山作业时，由于油箱内液体前倾，可能会出现吸油过滤器露出液体的情况，从而导致油泵电机组件上的柱塞泵无法吸入液体，不但会造成掘进机无法完成作业动作，还会使柱塞泵磨损严重，影响寿命。由于可能导致柱塞泵吸空问题，所以限制了掘进机适用坡度，无法完成大坡度作业。

1 泵站系统结构特点及功能

液压泵站系统包括油箱组件、油泵电机组件、多路控制阀、平衡阀、先导阀、液压马达、油缸、相关油管和密封零件等。采用液压系统对执行元件进行控制。而流量控制是通过负载变量泵和负载阀共同配合完成，压差信号由负载阀反馈给变更泵，再由斜盘倾角调节，从而改变输出流量以达到最小损耗的目的，实现自适应调节与节能。

1.1 传统泵站系统结构特点

目前多数掘进机设备，采用油泵电机组件与油箱组件前后直线放置，空间利用上不够紧凑，油箱组件只能通过支口及螺栓悬挂在掘进机本体侧面。当掘进机高强度作业时，产生较大冲击和震动，对油箱组件固定带来很大难度。并且油泵电机组件与油箱组件前后直线放置，导致吸油管路过长，影响吸油效率。结构特点如图1所示。

图1 油泵电机组件与油箱组件前后直线布置示意图

1.2 优化后泵站系统结构特点

EBZ260M-2掘锚机泵站系统油箱与泵站整体设计在后支撑上，采用上下结构设计，占用空间小，油箱布置在油泵电机上方，可有效减少吸空概率。整体结构如图2所示：将泵站系统结构进行优化后，油泵电机组件与油箱组件设计成上下安装结构，吸油过滤器安置于油箱中间靠近底部附近，无论掘进机上坡还是下坡，吸油过滤器都不会露出液压油面，不会出现油泵吸空问题；油泵吸空问题得到解决，从而减少了掘进机大坡度作业的一个限制因素；采用架体安装结构，油箱组件竖直固定在架体上，避免悬挂掘进机本体侧壁，安装方便，受力效果好，结构稳定；吸油管竖直连接油箱与油泵，减少管路长度，吸油效率高。结构特点如图3所示。

图2 EBZ260M-2掘锚机主机结构示意图

图3 油泵电机组件与油箱组件上下布置示意图

1.3 泵站系统功能

EBZ260M-2掘锚机采用750L液压油箱，配合液压辅件，对相关执行元件进行控制：1）行走部采用轴向柱塞马达，驱动行走减速器，实现驱动轮旋转，完成整机行走。2）截割部的伸缩以及上、下、左、右移动是通过泵站驱动液压油缸实现。3）铲板部在泵站的作用下，驱动星轮马达，带动星轮旋转，完成物料装载。4）第一运输机利用泵站驱动一运马达，带动一运刮板链转动，实现物料传送。5）后支撑油缸在泵站的作用下，实现升降动作。6）行走部履带涨紧和第一运输机刮板链的张紧也是在泵站作用下完成。7）超前支护的举升、伸缩和翻转通过泵站系统控制完成。8）锚杆部的一级、二级伸缩，主臂伸缩，液压锚杆钻机滑动及打孔动作都是在泵站系统的作用下完成。

2 泵站系统设计要求

EBZ260M-2掘锚机泵站系统采用功率为132kW交流电机，串联2个排量为260ml/r和190ml/r的变量柱塞泵。变量泵通过吸油管路经过过滤器从油箱组件中吸入液压油。经过油泵增压的液压油再由多路控制阀分配给掘进机截割部，铲板部，第一运输机，行走部以及后支撑部中的相应马达、油缸等执行元件，完成掘进机相应动作，同时液压回油需要进行冷却散热，经由回油过滤器重新回到油箱组件，其中相关执行元件的内泄回油直接通过油箱组件泄油口流回。1）系统工作压力25 MPa；2）截割升降、回转油缸压力22MPa，其他各油缸压力25MPa；3）铲板星轮采用进口马达（2×1600 ml/r）；4）一运驱动采用进口马达（2×1000 ml/r）；5）行走马达减速器（18万N·m）保证有效驱动力；6）标配油温油位自动监测保护装置；7）整机标配电控，遥控和手控可切。

2.1 泵站系统流量计算

该泵站系统采用二联泵，排量为（260+190 ）ml/r，计算每个泵的流量及系统流量。

2.2 过滤器型号确定

EBZ260M-2泵站系统设有吸油过滤器、回油过滤器和空气过滤器。2个油泵分别由2个吸油过滤器2个回油过滤器组成。

2.2.1 吸油过滤器型号确定

该系统是开式系统，设备正常运行时从油箱吸油，2个油泵的流量总和：

EBZ260M-2掘锚机采用2个800 L/min过滤器，型号：TF-800×100F，公称流量：800 L/min；过虑精度：100μm；压力损失：＜0.1bar。

2个过滤器的流量总和：800 L/min +800 L/min=1600 L/min＞2.5×Q=1570 L/min，满足流量要求。

2.2.2 回油过滤器型号确定

2个高压油泵流量分别是363L/min和265L/min。在液压回路，油箱回油口处设有3个同型号回油过滤器，每个过滤器按流量210L/min计算即可。

元件参数如下。最大工作压力：41bar；爆破压力：145bar；滤芯压溃压力：10bar；过滤精度：12μm；系统流量：Q=210L/min过滤器不装滤芯的压降ΔP壳体：0.1bar；洁净滤芯压降ΔP滤芯：0.166bar；介质黏度μ：46.5mm2/s。过滤器总的压降如下。

2.3 驱动电机的功率计算

EBZ260M-2掘锚机泵站系统中，油泵电机功率是132 kW，下面以此为依据计算每个油泵的功率分配。

2.3.1 第一联油泵所消耗的功率

第一联油泵提供的执行元件及所用功率的计算结果见表1。

表1 第一联油泵提供的执行元件及所用功率的计算结果

从上表1可以看出，星轮马达和一运马达有同时达到最大功率的可能，所以该油泵应分配的功率：18+18+50=86kW。

2.3.2 第二联油泵所消耗的功率

第二联油泵提供的执行元件及所用功率的计算结果见表2。

表2 第二联油泵提供的执行元件及所用功率的计算结果

从上表2可以看出，掘进机行走时的最大功率可以达到86kW，实际这种工况很少，而油缸的动作与行走不会同时达到最大工况，所以该油泵分配功率设计46kW，满足使用要求。

2.4 泵站系统发热计算

EBZ260M-2掘锚机泵站总功率是132kW，按照液压系统总的效率是70%计算，则系统总的发热功率：132×30%=39.6kW，以此为依据计算需要的散热面积。

散热功率按40kW计算，根据散热功率计算散热面积，如公式（1）所示。

式中：A— 散热面积，m2；P—散热功率，40000 W；Tmax— 液压油最高温度，取60℃；T0— 环境温度，取30℃；K—传热系数，按水冷计算，k=465W/（ m2·k）。带入公式：

结论：散热面积达到2.9m2时，可以满足设计要求。

该泵站系统中选择的换热器的散热面积为1.25m2，所以整个系统必须有3组这样的换热器才能满足系统散热要求，为了提高散热效果，选用4组散热器。

2.5 泵站系统中油管参数的确定

油管直径如公式（3）所示。

式中：Q—系统流量，吸油胶管流量Q1=363L/min，吸油胶管流量Q2=265L/min；高压管路流量Q3＝363L/min,高压管路流量Q4=365L/min；V—流速；推荐流速：吸油胶管，流速 1.2 m/s；高压胶管，流速 6m/s；d—油管直径（mm）。

将上述参数带入公式。

吸油胶管：内径

3 泵站系统常见故障分析

泵站系统作为掘进机的“心脏”，而连接各部件的液压管路，犹如掘进机的“血管”。作为“血液”的液压油，无疑成为液压系统最重要的部分。通常70%的液压系统故障，都是由于对液压油管理的不当造成的。为了减少液压系统故障的发生，需要注意以下几点：1）保证液压油干净，不能混入杂质。2）按照说明书定期更换过滤器。3）定期检查油质，如有不良，马上更换。4）定期查看油液位置，保证油量。5）维修或更换液压元件时，必须将油孔封好，防止混入杂物。除去液压油以外，泵站系统中的柱塞泵、液压油缸、溢流阀、减压阀、多路阀、平衡阀以及液控手柄等也是故障多发位置。具体表现：1）柱塞泵出油压力不足或出油量不够。可以检查吸油管和过滤器是否堵塞；吸油管与泵的连接位置是否出现泄漏；再有就是检查油液是否过于黏稠，或者液压油温升是否过低。2）液压油缸运行时，出现爬行、推力小、锁定和启动不灵敏的情况。可以查看油缸端盖的密封情况，使其不能太松也不要太紧，保证能够用手平稳地拉动活塞杆；检查活塞杆和活塞是否同心；液压油缸的缸筒是否出现变形；检查油缸工作行程中，液压缸孔径是否出现腰鼓形，使油缸两端油液互通。3）溢流阀出现漏油、噪声或者振动。检查阀组中锥阀或者钢珠是否出现磨损；检查滑阀和阀体配合时，是否间隙过大；查看阀组中弹簧是否出现变形；滑阀滑动是否顺畅。4）减压阀无法减压或者压力波动不稳定。检查阻尼孔是否堵塞；滑阀与阀体是否连接顺畅，有无卡滞；查看减压阀泄油口是否堵塞；主阀芯是否出现卡住不动的情况[5]。5）多路阀中滑阀无法换向或者漏油。检查滑阀是否卡滞不动；阀体有无变形；弹簧是否出现断裂或者损坏；控制油路是否出现堵塞；密封圈损坏。6）平衡阀故障导致油缸动作不平稳。检查平衡阀主阀芯是否卡滞；锥阀和阀座接触不良。7）液压控制手柄无法锁定。带摩擦片手柄的锁紧螺钉是否出现松动。

4 结语

EBZ260M-2 掘锚机泵站系统采用油泵电机组件与油箱组件上下安装结构，将吸油过滤器安置于油箱中间靠近底部位置，有效解决了柱塞泵吸空的困扰，为掘锚机适用大坡度环境作业提供了有力支撑。对泵站系统中柱塞泵、过滤器、油管及冷却器等重要部件设计的计算分析，为整机的可靠性及先进性奠定了坚实的基础。EBZ260M-2掘锚机在多个煤矿的实际作业中，经受住各种恶劣井下条件的考验，达到了预期的效果。