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２０１６ 年 ２ 月 第 ４４ 卷 第 ４ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｆｅｂ ２０１６ Ｖｏｌ ４４ Ｎｏ ４ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１６ ０４ ０４５ 收稿日期 ２０１４－１２－１０ 作者简介 王威 （１９８３）， 男， 学士， 助理研究员， 主要从事锚杆钻车设计工作。 Ｅ－ｍａｉｌ ｍｋｙｗｗ＠ １２６ ｃｏｍ。 锚杆钻车液压系统的优化 王威１， 武秀芳２ （１ 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司， 山西太原 ０３０００６； ２ 晋西工业集团有限责任公司， 山西太原 ０３００２７） 摘要 简介锚杆钻车液压系统的工作情况， 计算锚杆钻车液压系统的散热量和整机的热平衡温度， 同时结合锚杆钻车 的实际工作特点， 完善锚杆钻车的液压系统。 关键词 锚杆钻车液压系统； 平衡温度； 冷却器 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ４－１４５－２ 近年来， 随着煤矿综采设备在成套化、 重型化、 大型化、 智能化方面取得长足发展， 综采工作面的产 能大幅提高。 而巷道掘进还处于一个相对较低的水 平， 其中锚杆钻车的支护速度是制约巷道成巷速度的 主要原因之一。 因此改善和提高锚杆钻车的支护速度 对于提高巷道掘进速度有着重要意义。 １ 锚杆钻车工作介绍 锚杆钻车是专门用于煤矿井下对巷道顶板或侧帮 进行高效锚杆支护的综合支护设备。 该设备具有超前 支护、 自动卷缆、 独立行走、 除尘系统， 并可独立完 成自动钻孔和锚杆支护等功能。 整机在进行上述功能 动作时， 全部依靠自身携带的液压动力站提供动力。 因此整机液压系统中包含大量的液压操作元件和执行 元件。 这部分液压元件在工作过程中造成的容积损失 和机械损失的能量， 及液压管路中的压力损失， 几乎 全部转化为热量。 这部分热量除少部分散发到周围空 气中， 其余大部分热量随着液压油进入油箱， 使整机 系统的温度逐步升高。 但并不是整机液压系统的温度 越高越好， 一般整机的工作温度控制在 ５０～７０ ℃内。 锚杆钻车在打钻过程中主要完成以下一系列的动 作 首先将钻架的支撑柱升起， 以稳定钻架； 钻杆放 入钻箱中， 操作液压手柄进行钻孔， 完成钻孔过程 后， 将锚杆和药卷先后放入孔内进行搅拌， 之后操作 液压手柄紧固锚杆。 整个支护过程完成后， 将钻箱收 回到初始位置； 操作行走阀将整机驶到下一个工作位 置。 锚杆钻车完成一次支护过程大约需要 ８ ｍｉｎ。 ２ 锚杆钻车发热计算 根据锚杆钻车钻架在各个阶段的工作时间， 计算 锚杆钻车在工作过程时间内的热平衡温度。 具体计算 方法如下 ２ １ 计算单个循环内的损失 液压系统发热的主要原因是由于液压泵和执行元 件的功率损失以及各种控制阀的功率损失造成的。 其 中系统的发热计算主要包括以下几个方面 （１） 液压泵的功率损失 Ｈ１＝ Ｐ（１ － η） 式中 Ｐ 为液压泵的输入功率； η 为液压泵的总效率。 （２） 阀的功率损失 Ｈ２ ＝ ｐ 阀ｑ 式中 ｐ阀为溢流阀的调整压力； ｑ 为经过溢流阀流回油箱的流量。 （３） 管路的功率损失 Ｈ３＝ （０ ０３ ～ ０ ０５）Ｐ 系统中总的功率损失， 即系统的发热功率 Ｈ 为 上述几项之和 Ｈ ＝ Ｈ１ ＋ Ｈ ２ ＋ Ｈ ３ 通过计算可知， 锚杆钻车在单个工作循环内的平 均功率损失 Ｈ＝８ ９７ ｋＷ。 ２ ２ 油箱散热计算 锚杆钻车的液压油箱容积是 １ ６００ Ｌ， 表面积达 到 ９ ９ ｍ２， 假设油箱的初始温度为 １４ ℃。 （１） 计算平均功率损失 Ｈ＝ ８ ９７ ｋＷ， 环境初始 温度为 Ｔ０＝１４ ℃时， 整机液压系统的平衡温度 Ｔｍａｘ ＝ Ｔ ０ ＋ Ｈ ｋＡ ＝ ３５２ ８６ Ｋ 此时平衡温度为 ３５２ ８６－２７３ １５＝７９ ７１ ℃。 式中 Ｔ０为环境温度， Ｋ； ｋ 为油箱传热系数， Ｗ／ （ｍ２Ｋ）， 通风良好取 ｋ＝１５ Ｗ／ （ｍ２Ｋ）； Ａ 为 油 箱 散 热 面 积， ｍ２， Ａ ≈ ６ ６６ ３ Ｖ２＝ ９ １ ｍ２。 （２） 通过下井实际测算， 锚杆钻车完成单个循 环大概需要 ３ ｈ， 在此过程中油箱的温度升高到 Ｔ ＝ Ｔ０＋ Ｑ ｋＡ １ － ｅｘｐ － ｋＡ ｃｍ ｔ ＝ ３５６ ４ Ｋ 此时油箱温度升高到 ３５６ ４－２７３ １５＝８３ ２５ ℃ 此时液压系统温度已超过液压系统要求的最高工 作温度 ７０ ℃。 随着液压系统中油液的温度升高， 直 接影响系统中液压元件的性能和寿命； 同时油温升高 也导致液压油的物理、 化学性质发生改变， 随着温度 升高液压油的黏度降低， 使液压系统的泄漏增加， 系 统容积效率降低， 橡胶密封失效。 因此需要在锚杆钻 车的整机液压系统中增加液压冷却系统以控制液压油 温度。 ３ 冷却器的选用 冷却器包括油－气冷却器和油－水冷却器两种形 式 油－气冷却器安装成本低， 维修方便， 可自由选 取驱动装置， 同时也不会污染整机液压系统。 但是 油－气冷却器的体积较大， 且工作过程中产生大量的 噪声， 同时受环境影响较大； 油－水冷却器要求工作 地点要有水源， 当冷却水温度一定时， 冷却器只能提 供固定的冷却能力， 且其体积较小， 但冷却水有渗漏 的可能， 污染整个液压系统， 损坏液压元件。 锚杆钻车属于行走机械类产品， 且需要在工作面 中来回运动， 并结合锚杆钻车液压系统的特点， 选择 油－气冷却器改造锚杆钻车液压系统。 锚杆钻车液压系 统采用负载敏感反馈开式变量系统， 可实现多执行元 件同时运动时的自动控制， 并可匹配流量降低系统发 热。 改造后的锚杆钻车液压系统原理图如图 １ 所示。 图 １ 锚杆钻车液压系统改造原理图 因此结合原有锚杆钻车的发热量和冷却器的散热 量计算， 选用 ＡＫＧ 公司的 Ｔ 系列冷却器。 通过井下 实际测试 （见图 ２） 冷却器的进出口温度， 进出口的 油液温度相差 １０ ℃， 保证油箱中的油液温度不超过 ７０ ℃， 整个液压系统始终处于最佳状态运行， 完全 满足锚杆钻车液压系统的散热要求。 图 ２ Ｔ 系列冷却器 ４ 结束语 液压系统中热平衡的计算是十分重要的环节， 它 直接影响整机的工作可靠性和整机液压系统中元件、 附件的使用寿命， 因此在整机液压系统设计计算中必 不可少。 但是由于缺少试验数据和有很多无法确定的 因素， 例如 溢流阀的溢流损失， 节流阀的压力、 流 量损失， 这都是无法通过理论计算得到的， 只有通过 现场测试和理论计算结果相结合的方法计算元件的热 量损失。 通过计算和实际相结合的方法， 计算锚杆钻 车在各个工作过程中功率消耗和热量产生， 总结出一 套行之有效的锚杆钻车热量计算公式， 对于改善后续 产品和新产品设计都起着非常重要的作用。 参考文献 ［１］ 成大先．机械设计手册［Ｍ］．北京化学工业出版社， ２００２． ［２］ 赵旭，米勇．ＴＺＭ５００ 全路面起重机液压系统损耗功率计 算及冷却器选型［Ｊ］．机械管理开发，２０１１（６）２３－２６． ［３］ 潘淑璋，沙永柏，薛军．钻机液压系统中的散热设计［Ｊ］． 机械设计，２００５（２２）４５－４６． ［４］ 丁永成．开式变量泵在 ＣＭＭ２５⁃４ 锚杆钻机中的应用 ［Ｊ］．煤矿机械，２０１０，３１（４）１７０－１７２． ２０１６ 广州国际工业自动化技术及装备展览会 ３ 月盛大开展 ２０１６ 年 ３ 月 ８ 日， ＳＩＡＦ 广州国际工业自动化技术及装备展览会在广州中国进出口商品交易会展馆盛大开幕。 ＳＩＡＦ 广州国际工业自动化技术及装备展览会是世界知名的德国纽伦堡 ＳＰＳ ＩＰＣ Ｄｒｉｖｅｓ 电气自动化展会系列之一。 ＳＩＡＦ 覆盖 工业自动化多个领域， 包括机器人、 机器视觉、 传感器、 工业测 量、 连接系统、 传动和机械驱动系统及控制技术等， 为中国迅速增长及日趋精密的制造业提供与时俱进的解决方案， 是开拓庞大的中国市场的交易平台。 （内容来源 互联网） ６４１机床与液压第 ４４ 卷
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