基于負載敏感原理的全液壓抓巖機液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

李璇

基于負載敏感原理的全液壓抓巖機液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

李璇

（江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學校 實訓中心，江蘇 徐州 221000）

針對HZY-06型中心回轉(zhuǎn)式液壓抓巖機中所存在的復合動作不連貫、抓斗張開速度過慢、油溫過高等問題，基于負載敏感原理對其液壓系統(tǒng)進行改進設(shè)計與分析。改進后的液壓系統(tǒng)采用了負載敏感變量泵和負載敏感多路閥，可分配給每個執(zhí)行元件所需的壓力和流量，配合設(shè)置在抓斗油缸回路中的差動連接裝置，有效改進了傳統(tǒng)定量泵系統(tǒng)的弊端，滿足了執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)動連貫、油溫降低、張斗快速的設(shè)計要求。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，復合動作可連貫運行，抓斗張開時間僅為1.55 s，可為液壓抓巖機的改造提供參考。

抓巖機；負載敏感；液壓系統(tǒng)

傘鉆和抓巖機煤礦立井施工過程中重要的成套機械裝備，傘鉆主要用于爆破施工時的鉆孔工序，而抓巖機則是在爆破后抓取松散的碎巖，并將其放入井底的吊桶。實踐表明，抓巖機的性能優(yōu)劣直接影響煤礦立井施工進度[1]。

目前建井施工單位大多使用中心回轉(zhuǎn)式氣動抓巖機，而氣動抓巖機在實際使用中存在以下不足：

（1）單臺氣動抓巖機工作時產(chǎn)生的噪音至少在90 dB以上，會對作業(yè)人員的聽力造成極大傷害；

（2）井下因受到各氣動元件排氣的影響而使空氣增加了大量的粉塵；

（3）氣動抓巖機耗風量可達20 m3/min，能耗巨大[2-3]。

液壓抓巖機針對以上問題可以帶來較大改善，因而在立井施工建設(shè)中，液壓抓巖機代替氣動抓巖機已成必然趨勢?，F(xiàn)階段我國針對液壓抓巖機的研究和應用還不夠深入，目前設(shè)計較為成熟的機型主要為HZY-06型中心回轉(zhuǎn)式液壓抓巖機。由于其采用定量泵系統(tǒng)，在使用過程中不可避免地會出現(xiàn)油溫過高、復合動作不連貫等問題，嚴重制約了液壓抓巖機在煤礦建井工作中的推廣應用[4-6]。

因此，本文對現(xiàn)有中心回轉(zhuǎn)式液壓抓巖機進行優(yōu)化設(shè)計，以提升其工作性能和工作效率，進一步推動液壓抓巖機在我國煤礦立井施工中的應用，同時減少能耗、降低噪聲和粉塵污染。

1 全液壓抓巖機總體設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

中心回轉(zhuǎn)式全液壓抓巖機安裝在吊盤上，在立井施工過程中隨井深不斷下放。其工作過程可以概括為：通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)使吊臂與堆狀碎巖保持直線位置；通過變幅機構(gòu)調(diào)整吊臂與機架間的角度，使吊臂末端懸吊的抓斗靠近堆狀碎巖；提升絞車下放抓斗，同時抓斗張開抓取巖石；再次操作回轉(zhuǎn)機構(gòu)、變幅機構(gòu)和抓斗，將碎巖放至吊桶內(nèi)；吊桶升至地面，進行卸矸。

由此可知，中心回轉(zhuǎn)式全液壓抓巖機的執(zhí)行機構(gòu)主要有：回轉(zhuǎn)機構(gòu)、變幅機構(gòu)、抓斗機構(gòu)、和提升機構(gòu)。本文在確定了抓巖機動力源和結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，對總體技術(shù)方案的具體條件提出如下優(yōu)化要求：

（1）抓巖機集回轉(zhuǎn)機構(gòu)、變幅機構(gòu)、提升機構(gòu)、抓斗及液壓系統(tǒng)于一體，進行一體化設(shè)計，采用全液壓驅(qū)動，結(jié)構(gòu)形式為中心回轉(zhuǎn)式；

（2）變幅機構(gòu)采用推力油缸驅(qū)動，使吊臂在一定幅度內(nèi)運動；

（3）回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用大扭矩液壓馬達驅(qū)動，并通過多級齒輪副進行減速；

（4）提升機構(gòu)采用鋼絲繩纏繞提升的結(jié)構(gòu)形式，且液壓抓斗的斗容由0.6 m3提升為1 m3。

（5）液壓系統(tǒng)由液壓泵站、液壓操縱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及管路組成，考慮到井下施工的特點，冷卻系統(tǒng)宜采用水冷的方式。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

中心回轉(zhuǎn)式全液壓抓巖機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.抓斗2.吊臂3.回轉(zhuǎn)機構(gòu)4.底座5.主機架6.鋼絲繩 7.提升機構(gòu)8.司機室9.變幅油缸

1.2.1 回轉(zhuǎn)機構(gòu)

回轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在抓巖機的底座上，而底座固定安裝在吊盤上?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)由液壓回轉(zhuǎn)裝置、回轉(zhuǎn)支承、中央回轉(zhuǎn)接頭等部件組成，而液壓回轉(zhuǎn)裝置由液壓馬達、小齒輪、減速器、制動器等組成。底座上安裝有內(nèi)齒圈，液壓回轉(zhuǎn)裝置的軸端位置安裝有與之相嚙合的小齒輪；同時，液壓回轉(zhuǎn)裝置下部固連有回轉(zhuǎn)體，回轉(zhuǎn)體又與主機架相聯(lián)接。當液壓馬達驅(qū)動小齒輪繞底座上的內(nèi)齒圈公轉(zhuǎn)時，即可通過回轉(zhuǎn)體帶動主機架等部件實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。

1.2.2 提升機構(gòu)

提升機構(gòu)主要由液壓提升絞車和制動器組成，絞車安裝在主機架下部的橫梁上，提升鋼絲繩的一端固定在絞車的卷筒上，另一端依次繞過回轉(zhuǎn)機架上的定滑輪，主機架上部的張緊滑輪、吊臂兩端的定滑輪及懸吊裝置上的動滑輪，然后固定在吊臂末端。當液壓絞車運轉(zhuǎn)時，制動器松開，絞車通過卷筒和鋼絲繩帶動抓斗提升或下降。

1.2.3 變幅機構(gòu)

變幅機構(gòu)主要由吊臂和變幅油缸組成。吊臂與主機架上部正面鉸接，變幅油缸活塞桿端與吊臂中部鉸接，油缸下端與主機架下端鉸接，當壓力油進入油缸下腔推動活塞桿外伸時吊臂上舉，當壓力油進入油缸下腔推動活塞桿收回時，吊臂下落。從而實現(xiàn)抓斗沿徑向前后運動。

1.2.4 抓斗機構(gòu)

抓斗是抓巖機重要的執(zhí)行機構(gòu)，其斗容決定著抓巖機每次抓取碎巖的重量，現(xiàn)有的HZY-06型抓巖機的斗容為0.6 m3。抓斗中抓瓣的開閉由位于中部位置的抓斗油缸驅(qū)動，當抓斗油缸活塞向下運動時，抓瓣打開，完成卸矸動作；當抓斗油缸活塞向上運動時，抓瓣閉合，完成抓巖動作。

2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 優(yōu)化設(shè)計要求

針對中心回轉(zhuǎn)式全液壓抓巖機的實際工況，液壓系統(tǒng)的改進須滿足以下要求：

（1）回轉(zhuǎn)扭矩與速度。抓巖機回轉(zhuǎn)過程中其摩擦阻力矩很小，只是在啟動和停止時，機體的慣性阻力矩較大，因此回轉(zhuǎn)過程需考慮啟動和制動扭矩，并考慮限速和緩沖裝置。

（2）抓斗張開速度。抓斗油缸伸出時抓斗張開，此時大腔進油，運動速度相對氣動抓斗較慢；但是由于抓斗打開時油缸所需推力較小，故為了提高其運動速度，可用差動回路打開抓斗。

（3）復合運動。抓巖機工作過程中，為提高工作效率，往往會出現(xiàn)聯(lián)動的工況，特別是變幅和回轉(zhuǎn)兩個動作聯(lián)動的場合較多，在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，須尤為關(guān)注。

（4）液壓系統(tǒng)的散熱?？紤]到井下通風較差，自然冷卻較困難的情況，應合理設(shè)計液壓系統(tǒng)，減少溢流，降低發(fā)熱量；并選擇合理的散熱裝置，將油溫控制住合理范圍內(nèi)。

（4）由于井下空間有限，抓巖機應與液壓傘鉆共用一套泵站。

鑒于以上要求，本文擬選用負載敏感系統(tǒng)取代HZY-06機型現(xiàn)有的定量泵系統(tǒng)。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計分析

中心回轉(zhuǎn)式抓巖機改進后的液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

（1）液壓泵站。抓巖機與液壓傘鉆共用此泵站。泵站中采用力士樂生產(chǎn)的負載敏感變量泵代替了原系統(tǒng)中的定量泵，該變量泵最大可提供350 L/min的流量，由于負載敏感系統(tǒng)的特點，各執(zhí)行機構(gòu)的流量不因其負載變化而改變，實現(xiàn)了多執(zhí)行元件的復合動作；泵站上還有冷卻器，過濾器，回油管有主回油管和泄漏油回油管，其中泄漏油不允許有背壓，不經(jīng)過冷卻和過濾系統(tǒng)。

（2）三位四通負載敏感多路閥。該閥分為兩組，分別控制變幅、回轉(zhuǎn)兩個動作和抓巖、提升兩個動作；每組多路閥上有兩個負載敏感口、兩個壓力入口、兩個壓力出口、兩個回油口和兩個控制油口。

（3）變幅油缸。油缸活塞桿伸出時吊臂增幅，為了減小油缸活塞桿運動至極限位置時的沖擊，在活塞桿頭端設(shè)計緩沖裝置；吊臂減幅時使用單向節(jié)流閥回油節(jié)流，以減緩下降速度、降低沖擊。

（4）液壓回轉(zhuǎn)裝置。其自帶過載保護、平衡閥以及制動器，可以有效地降低啟動和制動時的沖擊，減小液壓系統(tǒng)瞬時壓力峰值。

（5）液壓鎖。它由兩個液控單向閥組成，主要用于在外界有一定負載且換向閥處于中位時，變幅油缸仍能保持其位置靜止不動。

（6）抓斗油缸。為了提高其活塞桿伸出的速度，本文在抓斗油缸回路中采用液控單向閥和單向閥組成了差動回路，使抓斗在張開動作時實際輸入流量得到大幅提高。

（7）提升絞車。大扭矩馬達連接滾筒，通過鋼絲繩纏繞的方式對液壓抓斗執(zhí)行提升、下落的動作。

（8）梭閥。用于采集系統(tǒng)中最高的負載壓力，并且將此壓力反饋給與之相匹配的負載敏感泵。

1.液壓泵站 2.負載敏感多路閥 3.變幅油缸 4.液壓回轉(zhuǎn)裝置 5.液壓鎖 6.抓斗油缸 7.提升絞車 8.梭閥

2.3 負載敏感多路閥原理

負載敏感多路閥原理圖如圖3所示，圖中所示的負載敏感多路閥控制變幅油缸和回轉(zhuǎn)馬達兩個執(zhí)行元件。其中，1為總溢流閥，用作安全閥，調(diào)定值為20 MPa，此即為系統(tǒng)最高工作壓力；2為單向溢流閥，起防沖擊作用；3為LS溢流閥，限定各個執(zhí)行元件的最高壓力，兩個LS溢流閥的調(diào)定值分別為17 MPa和13 MPa，此即為變幅油缸和回轉(zhuǎn)馬達極限工況時的工作壓力；4為壓力補償器，用于保證通過每一聯(lián)的流量不受負載變化影響；5為梭閥，用于采集系統(tǒng)中最高的負載壓力，并將此壓力反饋給與之相匹配的負載敏感泵；6為先導油控制閥，用于提供給先導閥組所需的控制油液，它所包含的一個減壓閥和一個安全閥的設(shè)定值一般為3.5 MPa和4 MPa。每個換向閥上都有可調(diào)比例節(jié)流口，而使得泵輸出流量與比例節(jié)流閥的輸入信號成正比[7-8]。

改進前的HZY-06型液壓抓巖機中四個執(zhí)行機構(gòu)（變幅、回轉(zhuǎn)、抓斗、提升）均依靠一套定量泵系統(tǒng)提供動力，當工作人員操縱先導手柄進行復合動作時，必然會出現(xiàn)負載小的執(zhí)行元件先動作、負載大的執(zhí)行元件后動作的不連貫工況（例如，變幅回轉(zhuǎn)復合動作時，若變幅油缸負載小，則會出現(xiàn)變幅油缸先伸縮至極限位置后，才使油壓升高，進而驅(qū)動液壓回轉(zhuǎn)裝置動作）。而通過負載敏感系統(tǒng)對執(zhí)行元件進行控制時，可通過負載敏感多路閥中的壓力補償器將每個執(zhí)行元件所對應的換向閥前壓力調(diào)整為相等（例如，抓巖機進行變幅回轉(zhuǎn)復合動作時，若變幅動作所需壓力為16.6 MPa、回轉(zhuǎn)動作所需壓力為12.4 MPa，則壓力補償器會在回轉(zhuǎn)換向閥前產(chǎn)生4.2 MPa的壓力損失，使兩聯(lián)換向閥的閥前壓力相等），進而使得復合動作連貫運行。這從根本上解決了目前所使用的HZY-06型液壓抓巖機聯(lián)動困難的問題，并大大降低了系統(tǒng)的發(fā)熱量[9-10]。

1.總溢流閥2.單向溢流閥3.LS溢流閥4.壓力補償器5.梭閥6.先導油控制閥

2.4 系統(tǒng)溫升計算

當抓巖機執(zhí)行復合動作時，同時動作的兩個執(zhí)行機構(gòu)的負載壓力皆不相同，如果相差過大或聯(lián)動時間過長，液壓系統(tǒng)將會發(fā)熱。例如，變幅油缸的負載壓力為16.6 MPa，液壓回轉(zhuǎn)裝置的負載壓力為12.4 MPa，則多路閥中控制變幅油缸那一聯(lián)閥壓力補償器閥口上的損失為：16.6－12.4＝4.2 MPa，此壓力損失將以液壓油發(fā)熱的形式消耗在補償器的閥口上。復合動作時的功率損失為：

式中：1為平均壓力損失，1＝4 MPa；1為執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)動時的平均流量，1＝200 L/min。

代入數(shù)據(jù)求得：＝13.3 kW。

取油箱有效容積為1575 L，則其散熱面積約為9 m2，由于井下通風條件較差，單靠自然風冷不能滿足系統(tǒng)的散熱需求，因此須通過水冷方式對其散熱，系統(tǒng)溫升為：

式中：為系統(tǒng)溫升，℃；為散熱系數(shù)，取200 W/(m2?℃)；為油箱散熱面積，m2。

代入數(shù)據(jù)求得＝7.4℃，取井下溫度為20℃時，通過水冷的方式可將油溫控制在28℃以內(nèi)。由此可見，較之原液壓系統(tǒng)的油溫大大降低。

3 現(xiàn)場試驗

在抓巖機優(yōu)化之前，萊蕪張家洼鐵礦一直使用HZY-06型全液壓抓巖機，由于該型號抓巖機采用的是定量泵系統(tǒng)，因此在使用過程中一直存在油溫過高、執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)工困難等問題，導致生產(chǎn)效率較低，且故障率較高，以致于施工單位考慮再次起用噪聲極大、粉塵極高的氣動抓巖機。

目前，改進后的HZY-10型全液壓抓巖機已在該礦井進行現(xiàn)場試驗。試驗結(jié)果表明：由于采用了負載敏感系統(tǒng)，全液壓抓巖機油溫得到明顯降低，在井下通風不良的情況下，也可以控制在30℃以內(nèi)；回轉(zhuǎn)變幅、回轉(zhuǎn)張斗、變幅提升等復合動作可連貫運行，抓巖效率大幅提升。抓巖機改進前后的性能參數(shù)對比如表1所示。

表1 全液壓抓巖機參數(shù)改進前后對比

4 結(jié)論

（1）優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)采用了負載敏感變量泵和負載敏感多路閥代替了原機型的定量泵和普通多路閥，并配合設(shè)置在抓斗油缸回路中的差動連接，可有效改進傳統(tǒng)定量泵系統(tǒng)的弊端，滿足了執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)動連貫、油溫降低、張斗快速的設(shè)計要求。

（2）為了驗證優(yōu)化的合理性，本文將改進后液壓抓巖機在萊蕪張家洼礦進行了現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明抓巖機復合動作可連貫運行，且抓斗張開時間僅為1.55 s。

綜上所述，本文所改進的中心回轉(zhuǎn)式全液壓抓巖機較之現(xiàn)有的機型，提升了工作性能、提高了工作效率，對工程實踐應用具有一定的參考意義。

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Optimum Design of Hydraulic System of Full Hydraulic Rock Grab Machine Based on Load Sensing Principle

LI Xuan

( Training Center, Jiangsu Provincial Xuzhou Pharmaceutical Vocational College, Xuzhou 221000, China )

In order to solve the problems of incoherent composite action, slow grab opening speed and high oil temperature of HZY-06 central rotary hydraulic rock grab machine, the hydraulic system of HZY-06 is analyzed and improved based on the principle of load sensing. The improved hydraulic system adopts the load sensing variable pump and the load sensing multi-channel valve, which can distribute the pressure and flow required by each actuator, and cooperate with the differential connection device set in the grab oil cylinder circuit, which effectively offsets the disadvantages of the traditional quantitative pump system and meets the design requirements of coherent actuator linkage, oil temperature reduction and fast bucket opening. The field test results show that composite action can run continuously, and it only takes 1.55s to open the grab, which can provide reference for the reconstruction of hydraulic rock grab machine.

rock grab machine；load sensing；hydraulic system

TD421

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.10.003

1006－0316 (2020) 10－0016－06

2020－05－25

國家自然科學基金資助項目（51705222）；江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究課題（2019-R-76323）；江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學校2020年度科項目。

李璇（1989-），女，江蘇徐州人，碩士，講師，主要研究方向為液壓傳動與控制，E-mail：cumtzhangjialu@163.com。