矿用悬臂式掘进机液压系统的测试分析_袁星.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-24 作者简介 袁星 （1986-） ， 男 （汉族） ， 山西大同市人， 助理工程师， 现从事快速安全掘进， 优化支护工艺工作。 矿用悬臂式掘进机液压系统的测试分析 袁星* （同煤集团燕子山矿， 山西 大同 037037） 摘要 为进一步优化设计悬臂式掘进机液压系统， 对悬臂式掘进机液压系统进行了一系列的测试 分析。具体介绍了掘进机液压系统的主要构成与应用的测试方法， 指出了液压系统应主要测试的项 目， 总结了这些项目的具体测试方法， 并提出了依据实际测试结果来进一步优化掘进机液压系统的 具体优化设计思路， 以期通过科学、 合理的应用这些优化设计思路， 可达到进一步改进优化掘进机液 压系统的目的。 关键词 掘进机； 液压系统； 构成； 测试； 优化设计 中图分类号 TD421.5 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0157-04 由于液压元器件类型比较固定， 因此有关国家对 液压元件的测试设定了相应的行业标准。但是由于元 件系统并不能达到统一标准， 因此系统测试不能实施 通用标准。在对液压系统进行测试时， 主要观测动作 机能、 保压等。从而不能有效的体现系统的效率以及 相应的可能性等。悬臂式掘进机在煤矿开采行业应用 比较广泛。由于掘进机内部构造大都采用液压元件， 因此液压系统对其性能影响较大。为此本文掘进机液 压系统进行测试， 并且对得到的数据进行分析， 从而能 够给系统的优化做出有力的支撑。 1掘进机液压系统构成及分析 掘进机机体主要有如下三部分构成 第一， 五部系 统、 一机系统、 六系统。其中五部系统主要是指截割 部、 铲板部、 本体部、 后支撑部以及对应的行走部。一 机系统主要是指第1输送机。六系统主要是指电气系 统、 液压系统、 水系统、 风机除尘系统、 物探防突系统以 及对应的集中润滑系统。 掘进机液压系统主机的分布的执行结构如图1所示。 （1） 行走马达。掘进机所执行的动作需要借助履 带提供动力， 诸如前进、 后退、 转向等。巷道路面包括 上坡以及下坡等各种情况。主要借助高速柱塞马达以 及减速器方案。 （2） 铲板液压缸及支撑液压缸。铲板液压缸及支 撑液压缸功能分别对应着铲板部与后支撑部。此类型 的液压缸主要包括两种行程 不接触地而的空行程、 接 触地的负载行程。 （3） 升降液压缸及回转液压缸。升降液压缸及回 转液压缸功能分别对应着截割部的垂直以及水平方向 摆动， 与此同时可以提供截割进给力， 这可以有效地对 不同部位的煤岩实现截割， 从而可以挖掘出想要的形 状以及尺寸。 （4） 装载及运输马达。可以把已经截割下的煤岩 输送给转载机， 实现煤的运输功能。而对于运输马达 而言， 大都设置为低速大扭矩马达， 这样可以提供充足 的速度以及满足运输需要。 掘进机液压系统主要包括两个回路 行走、 装运， 都 设置1台液压泵配合1套多路阀驱动若干执行机构。其 157 2020年第10期西部探矿工程 中行走回单元设置有行走马达， 而装运单元设置有装载 马达以及相应的运输马达。行走及装运回路都配置液 压缸。现在， 大都采用掘进机液压系统， 原理如图2所 示。配置的变量柱塞泵能够实现负载敏感、 压力切断等 功能。在装载机上设置有平衡阀， 其可以有效地保证机 身及截割部可靠支撑以及相应的平稳动作等。 2掘进机液压系统测试方法概述 虽然流量传感器能够较好地检测执行机构的动 作， 但是和系统不能实现较好地连接， 因此仅能够实现 压力测试。在工作的过程中， 可以借助自身设置的测 压点， 对执行机构动作速度进行检测。由于传统的机 械压力表响应速度比较慢以及无过程记录。因此无法 实现检测试验的需要。本实验借助德国 HYDRO- TECHNII公司开发的便携式测试仪采集数据， 相应的 采样频率 100～1000Hz。 3掘进机液压系统主要测试项目 由于在实施液压系统检测时， 动作机能、 耐压等是 常规项目， 因此笔者重点介绍如下几种测试项目。 （1） 泵吸油口压力。柱塞泵样本明确了吸油口压 力值， 当压力小于该设定值时， 柱塞泵在吸油往往会产 生吮吸力， 最终导致柱塞与滑靴产生间隙， 严重影响液 压泵的可靠性。测试泵吸油口的压力时， 主要从各个 元件单独体积相应的组合配合下进行测试。图3所示 为装运泵自吸口压力曲线， 分析图发现其相对压力始 终高于-0.004MPa。通过比对样本设定值绝对压力高 于0.08MPa发现， 能够满足工作需要。 （2） 压力损失。依据系统采用的实际压力损失， 能 够对系统效率以及管路规格进行分析。在进行实验时， 在执行单元单独以及组合情况下， 测量以及计算涉及各 路段的压力损失。其中主要测压点如下所示 第一， 液 压泵出油口； 第二， 多路阀工作油口； 第三， 多路阀进油 口； 第四， 执行机构进油口； 第五， 执行机构出油口。 （3） 压力脉动。压力脉动将会导致液压管路振动， 更有甚者将导致设备机体出现振动， 这样严重影响了 系统的稳定性。为此需要展示执行机构所在的各种工 况情况， 这样可以获得充足的数据。经过测试发现， 当 铲板液压缸带动机身上升与下降时， 出现非常大小的 压力波动， 图4为铲板液压缸无杆腔压力曲线。 （4） 压力冲击。当出现液压冲击时， 系统将瞬间出 现一个远大于额定压力值的压力， 这样会损坏密封装 置以及管件等元件。在进行压力试验时， 采用不同的 速度试验在液控手柄， 这样可以使得不同的执行单元 的启动以及停止等动作获得不同的速度， 从而可以检 测对应的压力值。当处于工作状态下， 通常装载与运 输马达都是同步开启以及关闭， 这样泵的流量输出相 对较大。当处于停止状态， 装运泵出口压力在手柄快 速复位以及相应的慢速复位时， 压力变化情况见图5。 通过分析图可以发现， 当进行快速推动手柄复位时， 在 158 2020年第10期西部探矿工程 泵的出口位置压力能够达到30MPa。当柄复位动作减 缓， 那么相应的压力将趋向于0MPa。 （5） 执行机构组合动作。对执行机构组合动作进行 测试， 与此同时对执行机构的负载压力进行同步测试。 分析每一个执行单元之间的压力或者检测之间是否存 在干扰。图6所示为铲板液压缸及支撑液压缸处于同步 状态时， 无杆腔压力曲线。通过对曲线分析可以发现支 撑液压缸的压力显著低于铲板液压缸负载压力。 4优化系统设计的思路 依据对系统测试展示的结果可以制定出优化系统 的建议。 （1） 泵吸油回路的设计。众所周知， 掘进机所处的 工作环境相对复杂， 往往在油箱内吸入大量的颗粒。 由此在液压泵内设置吸油滤油器。在进行设计时需要 考虑吸油滤油器与管路的压力， 这样才可以满足液压 泵吸油压力的工作需要。 （2） 变量泵负载敏感阀压力值的设定。设置变量 泵负载敏感阀压力值， 公式如下 ΔPPΔPvΔPL 式中 ΔPv相应的多路阀处于工作状态时需要的最 低工作压降； ΔPL相应的泵出口与多路阀进口之间的压力 损失。 ΔPP数值过小将会致使多路阀定压差阀节流口出 现最大设定值时， 流量感应口也不会获得足够的压力 差。ΔPP数值过大， 那么将会导致功率损失过多。当变 量泵处于工作状态时， 负载敏感阀设定压力合适， 可以 使得变量泵压力恒定。经过分析发现， 导致ΔPP变化的 因素相对较多， 在考核变量泵参数时需要参考如下参 变量诸如 管路压力损失、 多路阀最小压降以及负载敏 感阀压力等。 （3） 确定合理的执行机构额定压力。当机身处于 升起状态时， 铲板液压缸的无杆腔压力可以达到 23MPa。当升起动作停时， 无杆腔可以保持原有的工 作状态。当机身处于下降状态， 无杆腔压力大约为 25MPa。当铲板液压缸工作时， 实际压力接近额定压 力为25MPa。 ， 往往容易出现液压缸损坏的现象， 为此 需要提高额定值， 从而可以优化稳定性。 （4） 消除冲击。通常情况下， 装载及运输马达同步 开起、 停止。假如停止动作过快， 那么泵出口位置压力 冲击较大。因此需要控制回路方向阀口关闭速度。 （5） 合理的工作回路组合。负载敏感单泵可以给 不同执行单元发出指令， 并实现同时发生动作。泵出 口压力主要由负载压力最高的执行机构决定， 负载较 低的回路主要借助多路阀内部的定压差阀， 才可以消 除多余的压力。假如各执行机构负载压力之间的差值 相差比较大， 那么严重削弱系统效率。为此可以对组 合回路进行优化。 5结语 在掘进机液压系统中设置有各种功能的压力传感 器， 可以借助便携式测试仪对系统的各个环节进行检 测， 从而可以获得跟个通道的数据， 进而可以在计算机 上进行分析， 这样能够了解系统的实效性以及实际性 能。依据采集的数据对系统进行优化设计， 并且得到 了良好的效果， 从而对掘进机液压系统的效率进行优 化。（下转第162页） 159 2020年第10期西部探矿工程 3应用效果 该掘进系统已成功应用于山西煤炭运销集团七一 煤业有限公司中， 大约掘进了1200m的巷道距离。在 没有使用这个托揽装置之前， 移变至电缆小车之间电 缆、 双锚掘进机供电电缆时常被折断， 极大制约了设备 的开机率， 增加了人员的作业强度， 导致该掘进系统的 作用无法得到充分发挥。在应用该拖揽装置之后， 设 备从未出现供电电缆折断或压断的问题， 极大保障了 掘进工作的高效性及稳定性。 4结语 针对设备之间的电缆在快速掘进系统中极易折断 的问题， 基于巷道的地质条件、 作业面的设置、 设备的 特点等， 研发出一种不需人员看护及操作的无动力拖 揽装置。该装置具备较多的优势， 如拖揽及储揽功能， 不需要外在动力， 且拖揽的长度可适当调整等。有效 改善了该掘进系统中供电电缆折断及压断的问题， 极 大提升了设备的开机率， 降低了人员的作业强度， 增强 了人员的安全性； 可极大节约人工成本， 增强掘进的效 率， 促使掘进工作更加高效稳定。 总之， 该无动力拖缆装置具有很多优点， 通过在矿 井掘进工作面装设该无动力拖缆装置， 一方面可有效 减轻工人作业强度， 提高掘进机开机率， 提高掘进效 率， 另一方面可有效减少供电电缆被挤断、 压断事故的 发生， 有助于更好的保障矿井安全生产， 该无动力拖缆 装置具有一定的推广应用价值。 参考文献 [1]王进辉.电缆拖挂装置的改进设计[J].煤矿机械，20191033- 35. 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