掘進機用非電驅(qū)動液壓泵站

左 奪 金 峰

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 102206）

0 引言

掘進機是目前應(yīng)用較廣泛的煤礦巷道開拓設(shè)備，其主要由以下幾部分構(gòu)成：截割部、裝載鏟板部、刮板輸送機、行走部、液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)、電控系統(tǒng)，通過與后配套轉(zhuǎn)運設(shè)備組合，同步實現(xiàn)煤巖的截割、裝載、轉(zhuǎn)運。整機的動作除截割以外都依靠液壓驅(qū)動實現(xiàn)。

目前，隨著掘進機技術(shù)的發(fā)展，重型大噸位掘進機在隧道施工作業(yè)中嶄露頭角，以其機動靈活、作業(yè)高效獲得市場認(rèn)可。在隧道（巷道）掘進過程中，掘進設(shè)備以電力泵站驅(qū)動為主，工作電壓多為1140V 或3300V，施工前需要在施工區(qū)域預(yù)設(shè)變電站，為隧道掘進設(shè)備提供高壓動力電源。當(dāng)掘進設(shè)備需要長距離調(diào)動或轉(zhuǎn)換工作面時，需要全程拖拽高壓電纜為掘進機提供動力源，在移動距離超限后，甚至需要移動變電站，操作不便、工作效率低。為了進一步提升設(shè)備的機動性能，提升工作效率，降低勞動強度，設(shè)計非電驅(qū)動的可拖拽泵站，該泵站可與掘進機設(shè)備搭接配套使用，泵站輸出高壓油可快速切入掘進機液壓系統(tǒng)，為掘進機提供動力源。

1 泵站總體設(shè)計

針對上述問題開發(fā)出一種隧道掘進設(shè)備高速調(diào)動的非電驅(qū)動設(shè)備，動力采用柴油機驅(qū)動液壓泵，由柴油機組、液壓泵、切換閥組、液壓油箱、柴油油箱、冷卻系統(tǒng)組成獨立動力拖掛驅(qū)動單元。在掘進設(shè)備調(diào)動過程中，可以切斷主機電源，甩掉電纜，完全由柴油機作為動力源，驅(qū)動液壓泵站輸出高壓油，經(jīng)切換閥組將壓力油引入掘進設(shè)備液壓系統(tǒng)主回路，此時，操作者可以正常操作掘進設(shè)備，在脫離電纜情況下實現(xiàn)非電動作的正常運行。

2 液壓系統(tǒng)參數(shù)校核

目前行業(yè)內(nèi)掘進機液壓系統(tǒng)普遍使用負(fù)載敏感系統(tǒng)，泵站配備油泵同樣選用負(fù)載敏感變量泵，現(xiàn)有掘進機行走馬達按可變排量160mL/r～100mL/r 設(shè)定，行走速度5m/min～7.5m/min，目標(biāo)機型行走減速機速比為i=365，掘進機主機液壓系統(tǒng)壓力設(shè)定25MPa，工作介質(zhì)選用N68 抗磨液壓油，清潔度要求按NAS11 執(zhí)行。選用柴油機驅(qū)動液壓泵，設(shè)定柴油機穩(wěn)定轉(zhuǎn)速1600r/min，初選A11VO190 負(fù)載敏感變量泵。

2.1 行走系統(tǒng)速度流量計算

該套獨立泵站主要目的是為在主機斷電情況下驅(qū)動掘進機整機長距離轉(zhuǎn)場，在行走動作停止后，可以驅(qū)動行走多路閥組附帶的其他油缸動作，由于油缸動作運行速度慢，所需流量遠低于行走馬達流量，因此，僅對行走馬達額定工況流量進行校核計算。

當(dāng)行走馬達多路閥供油流量上限達=118L/min 時，計算行走馬達輸出轉(zhuǎn)速。

式中：—馬達輸入流量，=118L/min；η—馬達容積效率，η=0.94；—馬達的排量，=160mL/r。

帶入公式可得：

根據(jù)行走減速機速比，進一步計算主機行走速度：

其中，為減速機速比，=365；為驅(qū)動鏈輪節(jié)圓直徑，=0.898m。計算得出，馬達在排量為160mL/r 時，主機行走速度可達5.35m/min。

主機適配液壓馬達為2 點變量馬達，當(dāng)控制馬達變量后，馬達排量為100mL/r，按此排量計算得出馬達在流量118L/min 時的最大轉(zhuǎn)速。

帶入公式可得：

進一步計算主機行走速度：

計算得出，在單個馬達供油流量118L/min 時，掘進機行走速度分別可達5.35m/min 和8.57m/min，滿足掘進機正常工作速度和高速轉(zhuǎn)場速度需求。

此時，兩側(cè)馬達所需最大流量為118×2=236L/min。

2.2 油泵參數(shù)校核

油泵選用掘進機同級油泵，力士樂A11V0190 負(fù)載敏感變量泵，根據(jù)行走馬達供油量對其進行校核計算。

油泵排量：190mL/r。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速：1600r/min。

根據(jù)計算公式，輸出流量如下：

式中：v—每轉(zhuǎn)幾何排量，mL，v=190mL/r；—轉(zhuǎn)速r/min，=1600r/min；η—容積效率，η=0.95。

將上述參數(shù)代入公式可得：

計算得出油泵最大輸出流量為288.8L/min，大于馬達236L/min 的流量需求，滿足驅(qū)動主機行走速度條件。

2.3 油箱設(shè)計

液壓油箱主要作用是儲存液壓油，沉淀油液雜質(zhì)，促使油液熱量散發(fā)。該系統(tǒng)為開始液壓系統(tǒng)，油箱通過空氣濾清器與外界大氣聯(lián)通，濾清器開啟壓力設(shè)定5kPa。油箱底部設(shè)置吸油過濾器，為降低油泵吸油阻力，選用流量630L/min，過濾精度100μ 黎明吸油過濾器。中高壓液壓系統(tǒng)，油箱容積可按系統(tǒng)流量的5 倍估算，288.8L/min×5=1444L，元整為150L，采用薄板焊接，立方體結(jié)構(gòu)，油箱端面預(yù)留清洗孔。

2.4 驅(qū)動功率計算

獨立泵站以柴油機作為動力驅(qū)動裝置，在此，對柴油機輸入功率進行校核計算，僅考慮驅(qū)動主機行走時的功率需求。行走部由雙馬達配減速機驅(qū)動，在Δ=25MPa 時的輸出扭矩:

式中：Δ—馬達輸入壓力，Δ＝25MPa；η—馬達機械效率，η=0.92；—馬達的排量，=160mL/r。

帶入公式得：

在Δ=25MPa 時的輸出功率：

2 個馬達的輸出功率：

2.5 系統(tǒng)的發(fā)熱計算

該泵站為隧道掘進機行走供油，所需最大功率為85kW，按照液壓系統(tǒng)總效率為70%計算，則系統(tǒng)總的發(fā)熱功率為85×30%＝25.5kW。

以此為依據(jù)，選取散熱功率為50kW 的風(fēng)冷散熱器即可滿足系統(tǒng)散熱需求。

2.6 發(fā)動機功率校核

根據(jù)以上計算可知，當(dāng)驅(qū)動掘進機全速行走時，最大驅(qū)動功率為85kW。初選濰柴WP4.1NG175E300 發(fā)動機，最大功率140kW，最大扭矩轉(zhuǎn)速680r/min（（1300～1900）N·m），排放標(biāo)準(zhǔn)國五，燃料柴油，發(fā)動機型式直列4 缸、四沖程發(fā)動機汽缸數(shù)4 個，氣門數(shù)4 個，缸徑105mm，行程118mm，排量4.1L，進氣方式增壓中冷，壓縮比18 ∶1。燃燒系統(tǒng)電控高壓共軌，發(fā)動機尺寸長度945mm，寬度700mm，高度727mm，質(zhì)量390kg。功率轉(zhuǎn)速曲線如圖1 所示。

圖1 柴油機功率轉(zhuǎn)速曲線

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1600r/min 時，最大輸出功率可達114.8kW，大于設(shè)備所需驅(qū)動功率85kW，滿足系統(tǒng)驅(qū)動功率要求。泵站電控系統(tǒng)設(shè)定發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速760r/min，加速時間1min，1min 后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1600r/min，此時可驅(qū)動液壓泵站系統(tǒng)正常運行。

2.7 發(fā)動機加油周期計算

該泵站依靠柴油機驅(qū)動液壓泵，為主機液壓系統(tǒng)提供動力，同樣，需要考慮柴油機油耗問題和加油周期問題，根據(jù)發(fā)動機燃油消耗參數(shù)信息，可以初步計算出泵站柴油加注周期，見表1。

表1 發(fā)動機燃油消耗參數(shù)信息

在大扭矩工況下，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1600r/min 時，燃油消耗量約為22kg/h，根據(jù)空間布置需要，在該方案中，為柴油機匹配容積為400L 的燃油油箱，柴油的密度按0.85kg/L 計算，可初步估算燃油加注周期：

連續(xù)運行15h，需要加注柴油。此時，按主機行進距離計算，400L 燃油可驅(qū)動主機行進距離可達5.35×60×15.45=4959m，滿箱燃油可行進約5km。

主機行走速度按低速5.35m/min 計算，1h 可行走距離為5.35×60=321m，單次轉(zhuǎn)場按1000m 估算，單次轉(zhuǎn)場耗時3.5h，該套泵站轉(zhuǎn)場4 次，需要補充燃油。

3 液壓系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)原理如圖2 所示，掘進機液壓系統(tǒng)中，在掘進機主機多路閥回油管路和負(fù)載反饋管路中，預(yù)先串接換向閥組，包括液控?fù)Q向閥組，閥組內(nèi)含3 片液控?fù)Q向閥，在掘進機主機多路閥P 口高壓油管路中串接梭閥組件，梭閥組件包括2 個單向閥，其中一個單向閥連接原主機油路，由掘進機液壓泵站高壓油推動開啟，另一個單向閥連接到獨立泵站高壓油路，由獨立泵站高壓油推動開啟。并且可實現(xiàn)掘進機泵站和獨立泵站的壓力互鎖，梭閥組件僅允許一路壓力較高的壓力油通過，對液壓系統(tǒng)供油。

圖2 液壓原理圖

當(dāng)掘進機正常通電工作時，油泵電機驅(qū)動掘進機主機油泵，輸出壓力油進入主機油路單向閥，高壓油推動單向閥，開啟單向閥后壓力油進入掘進機多路閥，為液壓系統(tǒng)供油。同時，高壓油鎖止獨立泵站供油單向閥，實現(xiàn)單路導(dǎo)通。換向閥組為受壓力油控制，保持初始狀態(tài)，將掘進機多路閥回油管路、卸油管路和掘進機油箱導(dǎo)通，使進入閥組的壓力油在完成工作循環(huán)后得以返回掘進機油箱，進入下一階段循環(huán)。實現(xiàn)油液無流失，不受獨立泵站系統(tǒng)影響。換向閥組同時導(dǎo)通多路閥負(fù)載反饋回路，使負(fù)載反饋壓力油直接回到掘進機泵站，控制泵站輸出壓力。此時，掘進機液壓系統(tǒng)正常工作，不受外部系統(tǒng)影響。

當(dāng)掘進機設(shè)備停機斷電后，掘進機液壓系統(tǒng)停止工作，此時，掘進機液壓系統(tǒng)無壓力。通過電氣控制系統(tǒng)為柴油機點火，啟動柴油發(fā)動機，由于柴油機的特性，轉(zhuǎn)速需要逐步拉升，達到工作額定轉(zhuǎn)速，在此之前，獨立泵站無法輸出穩(wěn)定的高壓油。但此時產(chǎn)生的壓力油足以推動換向閥組完成換向動作，電氣信號輸出開啟控制回路電磁通斷閥，使控制油可以進入換向閥組，并推動換向閥組換向，換向后，掘進機多路閥回油管路與掘進機液壓系統(tǒng)脫離，進入獨立泵站液壓系統(tǒng)。負(fù)載反饋回路完成切換，直接與獨立泵站相連。在此階段后，歷時1min 后，柴油機完成升速過程，電控系統(tǒng)控制柴油機將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1600r/min，此時獨立泵站變量泵可以穩(wěn)定輸出壓力油，高壓油進入泵站油路單向閥，開啟單向閥后同時鎖止掘進機液壓系統(tǒng)供油管路，導(dǎo)通獨立泵站供油管路和閥組，此時，已將掘進機多路閥組完全剝離掘進機液壓系統(tǒng)，使其進、回油路完全融入獨立泵站液壓系統(tǒng)。泵站高壓油進入掘進機主機多路閥，執(zhí)行驅(qū)動掘進機行走動作。完成工作循環(huán)后，主機多路閥回油進入返回獨立泵站風(fēng)冷系統(tǒng)，冷卻后返回泵站油箱，完成工作循環(huán)。

液壓系統(tǒng)中，切換閥組通過換向動作，將獨立泵站進、回油路直接切換進掘進機液壓系統(tǒng)，同時，封閉掘進機原液壓系統(tǒng)。通過換向閥組可以實現(xiàn)獨立泵站液壓系統(tǒng)的快速切換，避免了煩瑣的管路連接過程。同時，在正常供電由掘進機液壓系統(tǒng)提供動力的情況下，切換閥組同樣可以實現(xiàn)阻隔獨立泵站液壓系統(tǒng)的功能，使2 套液壓系統(tǒng)互不影響，均可獨立運行。

4 裝機驗證

柴油機液壓泵站配備我司EBZ318 掘進機使用，為掘進機行走提供動力。EBZ318 掘進機總質(zhì)量128t，設(shè)計行走速度6.5m/min，適用于煤巷、半煤巖巷的巷道掘進，也可在鐵路、公路、水力工程等隧道施工中使用，能實現(xiàn)連續(xù)切割、裝載、運輸作業(yè)。最大定位截割斷面可達38m。截割硬度不大于130MPa，爬坡能力±18°。

在掘進機裝配過程中，預(yù)裝切換閥組件和單向閥組件，將其接入掘進機液壓系統(tǒng)。裝機完成，正常啟動設(shè)備，依靠掘進機液壓系統(tǒng)驅(qū)動主機，完成各動作參數(shù)調(diào)試。液壓系統(tǒng)壓力調(diào)定25MPa，主機行走速度6.5m/min，完成調(diào)試后停機。掘進設(shè)備主機斷電后，柴油機液壓泵站可以通過快插液壓管路快速與掘進機切換閥組對接，將2 套液壓系統(tǒng)搭接。啟動柴油機點火系統(tǒng)，柴油機啟動保持怠速在760r/min，這時，柴油機液壓油泵輸出控制油，可推動掘進機換向閥組動作，換向閥組實現(xiàn)切換功能，柴油機液壓泵站系統(tǒng)快速并入掘進機液壓系統(tǒng)，柴油機完成加速，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1600r/min后，系統(tǒng)可為設(shè)備提供高壓油，掘進機可以正常執(zhí)行液壓動作。此時行走壓力可達25MPa，行走速度達標(biāo)。柴油機液壓泵站可以替代掘進機液壓泵站驅(qū)動主機行進，該套設(shè)備在中金嶺南有色金屬股份有限公司施工現(xiàn)場配套EBZ318 掘進機使用，可以驅(qū)動掘進機高效機動，提高了工作效率，降低了勞動強度，客戶評價良好。

5 結(jié)論

柴油機液壓泵站可以輸出穩(wěn)定流量并維持系統(tǒng)壓力，在施工現(xiàn)場完成了獨立驅(qū)動掘進機轉(zhuǎn)場運行，單次行進歷程1km，主機機動性能提升，全程2 人操作，節(jié)省了大量人力物力，提高了效率。進一步驗證了該類柴油機泵站在礦山施工和隧道挖掘工況中的可行性，未來可在該領(lǐng)域推廣使用。但同時也暴露了自身問題，在通風(fēng)條件差時，柴油尾氣消散速度較慢。在使用該設(shè)備時需要保持巷道通風(fēng)條件良好。