EBZ260掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

EBZ260掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì),ebz260,掘進(jìn)機(jī),液壓,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論 文) 題 目： EBZ260掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作 者： 李 晨 光 指導(dǎo)教師： 謝 苗 副教授 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化(流體傳動(dòng)與控制) 時(shí) 間： 二零一五年六月 　 中文題目：EBZ260掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 外文題目：THE HYDRAULIC SYSTEM DESIGN OF EBZ260 ROADHEADER 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）共 85 頁（其中：外文文獻(xiàn)及譯文20頁） 圖紙共7張 完成日期 2015年6月 答辯日期 2015年6月 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)生誠信承諾保證書 本人鄭重承諾：《 》畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容真實(shí)、可靠，系本人在 指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立完成。如果存在弄虛作假、抄襲的情況，本人承擔(dān)全部責(zé)任。 學(xué)生簽名： 年 月 日 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師誠信承諾保證書 本人鄭重承諾：我已按學(xué)校相關(guān)規(guī)定對(duì) 同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的選題與內(nèi)容進(jìn)行了指導(dǎo)和審核，確認(rèn)由該生獨(dú)立完成。如果存在弄虛作假、抄襲的情況，本人承擔(dān)指導(dǎo)教師相關(guān)責(zé)任。 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 摘要 懸臂式掘進(jìn)機(jī)是集截割、行走、裝載及運(yùn)輸于一體的巷道掘進(jìn)的綜合化機(jī)組，是井下巷道掘進(jìn)的主要產(chǎn)品。懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)作為掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，其控制性能的優(yōu)劣直接決定了掘進(jìn)機(jī)整體性能的優(yōu)越與否。因此，對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的研究對(duì)推動(dòng)我國掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展具有重要的意義。 論文通過對(duì)EBZ260型懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，簡單對(duì)掘進(jìn)機(jī)的工況進(jìn)行了分析并對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和液壓缸簡單設(shè)計(jì)并且對(duì)馬達(dá)進(jìn)行了選型，針對(duì)恒功率控制、負(fù)載敏感、壓力補(bǔ)償控制原理進(jìn)行分析研究，并對(duì)其液壓回路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對(duì)工況分析所得參數(shù)對(duì)其各部分執(zhí)行元件的參數(shù)進(jìn)行合理的計(jì)算，經(jīng)過各個(gè)廠家液壓元件的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，合理的完成液壓系統(tǒng)所需的主要液壓元件的選型。并對(duì)截割升降回路進(jìn)行簡單仿真分析，最終設(shè)計(jì)出一套帶負(fù)載敏感和壓力補(bǔ)償?shù)木蜻M(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)。此外，通過對(duì)EBZ260型懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，明確液壓系統(tǒng)在整體控制中的作用以及相互聯(lián)系，為整體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 關(guān)鍵詞：掘進(jìn)機(jī)；液壓系統(tǒng)；工況分析；選型； Abstract Roadheader is a cutting, walking, loading and transportation of tunneling in one integrated unit, is the underground tunneling main products. Roadheader hydraulic system as the tunneling machine control system is one of the core technology, the control performance will directly determine the overall performance of roadheader superior or not. Therefore, the hydraulic system of roadheader research on the promotion of the development of TBM has important significance. Papers by EBZ260 type roadheader hydraulic system analysis and design, detailed analysis of its working conditions characteristic for constant power control, load sensing and pressure compensation control theory analysis and study, and to optimize the design of its hydraulic circuit through Engineering Analysis parameters obtained for each part of the implementation of its component parameters for a reasonable calculation, through the various advantages and disadvantages of hydraulic components manufacturer contrast, reasonable hydraulic system needed to complete the main hydraulic components selection, and then for the design of hydraulic system performance checking, testing the design of the hydraulic system is reasonable, and further improve the design deficiencies, and ultimately design a load sensing and pressure compensation with the boring machine hydraulic system. In addition, through the EBZ260 type roadheader hydraulic system analysis and design, specifically in the overall control of the hydraulic system and the role of linkages, the overall control system design to provide the basis. Keywords: boring machine; hydraulic system; Engineering Analysis; selection; 目錄 前言 1 1緒論 2 1.1懸臂式掘進(jìn)機(jī)概述 2 1.1.1懸臂式掘進(jìn)機(jī)的分類、組成及工作原理 2 1.1.2懸臂式掘進(jìn)機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀[8] [19] 5 1.2懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 7 1.3本課題研究的意義及主要內(nèi)容 9 1.3.1本課題研究的意義 9 1.3.2本課題研究的主要內(nèi)容 10 2掘進(jìn)機(jī)工作過程介紹及回路設(shè)計(jì) 11 2.1懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作過程介紹 11 2.2液壓系統(tǒng)額定壓力的確定 12 2.3液壓系統(tǒng)的液壓控制分析 12 2.3.1負(fù)載敏感控制[11] 12 2.3.2壓力補(bǔ)償[15] 14 2.3.3恒功率控制 15 2.4液壓系統(tǒng)基本回路設(shè)計(jì) 16 2.4.1行走部回路設(shè)計(jì) 16 2.4.2截割部回路設(shè)計(jì) 17 2.4.3鏟板部回路設(shè)計(jì) 18 2.4.4后支撐部回路設(shè)計(jì) 19 2.4.5第一運(yùn)輸機(jī)回路設(shè)計(jì) 20 2.4.6多負(fù)載回路設(shè)計(jì) 20 2.5擬訂液壓系統(tǒng)原理圖 21 3EBZ260型掘進(jìn)機(jī)工況分析及液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算 22 3.1行走部的參數(shù)計(jì)算 22 3.3.1單側(cè)履帶行走機(jī)構(gòu)裝置所需最小功率 22 3.3.2行走部最大牽引力計(jì)算 23 3.3.3單側(cè)履帶行走機(jī)構(gòu)輸出扭矩與輸出轉(zhuǎn)速的確定 24 3.3.4行走馬達(dá)參數(shù)的確定 25 3.2截割部的參數(shù)計(jì)算 25 3.2.1截割部升降時(shí)截割頭上產(chǎn)生的截割切向力 25 3.2.2截割部升降油缸伸出力的計(jì)算 27 3.3.3截割部升降油缸的設(shè)計(jì) 28 3.2.4截割部回轉(zhuǎn)時(shí)截割頭上產(chǎn)生的截割切向力 32 3.3后支撐部的參數(shù)計(jì)算 33 3.3.1后支撐油缸的輸出力計(jì)算 33 3.3.2后支撐部液壓缸的設(shè)計(jì) 35 3.4鏟板部的參數(shù)計(jì)算 39 3.4.1鏟板部星輪的參數(shù)計(jì)算 39 3.4.2鏟板油缸的輸出力計(jì)算 40 3.5第一運(yùn)輸機(jī)的參數(shù)計(jì)算 41 3.5.1第一運(yùn)輸機(jī)馬達(dá)的參數(shù)計(jì)算 42 3.6工作元件的主要參數(shù) 42 3.6.1各液壓馬達(dá)的主要計(jì)算參數(shù) 42 3.6.2各液壓缸的主要計(jì)算參數(shù) 43 4液壓系統(tǒng)的元件選型 44 4.1液壓泵的選型 44 4.2泵站電機(jī)的選型 46 4.3液壓馬達(dá)的選型 47 4.4液壓控制閥的選型 49 4.5過濾器的選擇 51 4.6管件的選定 51 4.7管路的布置 52 4.8液壓油的選擇及郵箱的初步估算 52 5EBZ260掘進(jìn)機(jī)截割升降回路液壓系統(tǒng)的仿真 54 5.1 截割升降回路液壓系統(tǒng)仿真模型的建立及仿真 54 5.1.1 變量泵仿真模型的建立 54 5.1.2 壓力補(bǔ)償閥仿真模型的建立 58 5.1.3 截割升降回路系統(tǒng)模型的建立 58 5.2 截割升降回路系統(tǒng)的仿真研究 60 5.2.1 系統(tǒng)輸出特性研究 60 5.2.2負(fù)載變化對(duì)泵出口壓力的影響 60 6技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析 62 7總結(jié) 63 致謝 64 參考文獻(xiàn) 65 附錄A 譯文 66 掘進(jìn)機(jī)在采礦和掘進(jìn)工業(yè)的應(yīng)用 66 附錄B 外文文獻(xiàn) 75 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 前言 煤礦掘進(jìn)是煤炭生產(chǎn)和建設(shè)的基礎(chǔ)工程。近年來，我國煤礦掘進(jìn)機(jī)械化得到了迅速的發(fā)展，裝備水平也有很大的提高，在自主創(chuàng)新能力上也有長足的進(jìn)步。 煤炭工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的主要支柱產(chǎn)業(yè)。在未來50年內(nèi)，煤炭仍是主要的能源和戰(zhàn)略物質(zhì)，具有不可替代性，是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的保證。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及國加入WTO后，煤炭工業(yè)現(xiàn)代化的步伐也在加快。目前，國內(nèi)掘進(jìn)機(jī)發(fā)展水平相對(duì)落后，巷道掘進(jìn)成為煤礦發(fā)展的一個(gè)瓶頸，制約著煤炭工業(yè)的發(fā)展。 我國的掘進(jìn)機(jī)技術(shù)開發(fā)工作始于1965年，最初是仿前蘇聯(lián)的ЛК-3型掘進(jìn)機(jī)，1979年后，先后從日本、奧地利、英國、美國、西德、原蘇聯(lián)、匈牙利引進(jìn)了多種型號(hào)的掘進(jìn)機(jī)，通過引進(jìn)日本MRH-5100-41型、奧地利AM-50等型掘進(jìn)機(jī)的制造技術(shù)和先進(jìn)加工設(shè)備，并進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)化，到1989年底，我國已自行研制成功了AM50、ELM-55、EMIA-30、EL-90、5100等6種8個(gè)型號(hào)的掘進(jìn)機(jī)，使我國中小型掘進(jìn)機(jī)不再依賴進(jìn)口。此后，我國又開始了重型掘進(jìn)機(jī)技術(shù)開發(fā)和研制工作。1999年，煤科總院太原分院開發(fā)出了EBJ-160型掘進(jìn)機(jī)，2001年，佳木斯煤機(jī)廠又完成了從日本引進(jìn)S200M型掘進(jìn)機(jī)的消化吸收、國產(chǎn)化任務(wù)。經(jīng)過幾代人的不懈努力，截止到目前為止，我國掘進(jìn)機(jī)的開發(fā)研究在輕型及中重型上己其本達(dá)到國際先進(jìn)水平，但在重型掘進(jìn)機(jī)的研究上，與一些發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品還存在著一定的差距。 掘進(jìn)機(jī)按照對(duì)巷道斷面的作用方式可劃分為2種：全斷面掘進(jìn)機(jī)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)最常用、最重要的一種就是懸臂式掘進(jìn)機(jī)。我國對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代中期，通過對(duì)引進(jìn)型掘進(jìn)機(jī)的消化吸收和國產(chǎn)化工作積累了一些設(shè)計(jì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的初步經(jīng)驗(yàn)，但當(dāng)時(shí)研制規(guī)模較小，成效甚微。我國煤礦真正推廣應(yīng)用懸臂式掘進(jìn)機(jī)則是在1979年引進(jìn)了100余臺(tái)國外產(chǎn)品以后。在此后的30多年中，我國在引進(jìn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品及制造技術(shù)的同時(shí)，翻開了自主開發(fā)研制、規(guī)模生產(chǎn)的一頁。 隨著懸臂式掘進(jìn)機(jī)在采礦工程和隧道掘進(jìn)中的逐步推廣和大量使用，這種生產(chǎn)方式帶來了很高的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，因此懸臂式掘進(jìn)機(jī)已成為各主要產(chǎn)煤國家不可缺少的生產(chǎn)設(shè)備。 87 1緒論 1.1懸臂式掘進(jìn)機(jī)概述 1.1.1懸臂式掘進(jìn)機(jī)的分類、組成及工作原理 十九世紀(jì)末，英國已經(jīng)研發(fā)了掘進(jìn)技術(shù)，正是因?yàn)檫@一技術(shù)的誕生，英吉利海峽海底隧道得以完成。后來掘進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)截割、裝載、運(yùn)輸、噴霧除塵等功能。尤其在開挖鐵路隧道、地鐵車站、水下隧洞和煤巷巷道等地下工作方面有著舉足輕重的作用。并且在掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用方面可以根據(jù)不同的工作環(huán)境，不同的工作條件設(shè)計(jì)不同類型的掘進(jìn)機(jī)[3]。 在我們國家，全國都少氣、貧油，所以為了將多煤這個(gè)資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化成國民經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢，必須大力發(fā)展煤炭產(chǎn)業(yè)，同時(shí)在煤炭生產(chǎn)中必須始終秉著“采掘并重，掘進(jìn)先行”的方針。但是，我國的采煤機(jī)械遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于掘進(jìn)機(jī)械，為了實(shí)現(xiàn)采掘平衡、煤炭生產(chǎn)飛速發(fā)展，必須著重發(fā)展掘進(jìn)機(jī)械。 部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī) (又稱懸臂式掘進(jìn)機(jī))是集機(jī)械、電氣、液壓及自動(dòng)控制于一體的工程機(jī)械之一，它是世界上公認(rèn)的廣泛應(yīng)用于井下巷道掘進(jìn)、交通和水下隧道掘進(jìn)以及其它工程洞穴開掘的最有效的高技術(shù)施工裝備。它和傳統(tǒng)的鉆爆法相比，不僅具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作效率高、完成效果好、經(jīng)濟(jì)、安全等優(yōu)點(diǎn)，而且還可實(shí)現(xiàn)破煤、裝載、轉(zhuǎn)載、行走及除塵等多項(xiàng)功能，因此被廣泛地應(yīng)用于巷道、隧道以及工程洞穴的掘進(jìn)工程中[15]。 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)趨于完善，帶動(dòng)發(fā)展了相關(guān)產(chǎn)業(yè)，很大程度上提高了機(jī)械裝備制造業(yè)的水平。目前，各國制造、推廣使用的巖一煤和煤一巖掘進(jìn)機(jī)大多以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為主，它已成為各產(chǎn)煤國家不可缺少的生產(chǎn)設(shè)備。 懸臂式掘進(jìn)機(jī)可以通過截割頭的轉(zhuǎn)動(dòng)、懸臂的伸縮和擺動(dòng)截割出不同形狀的斷面，所以從截割頭的布置方式、懸臂伸縮方式、截割頭型式、截割對(duì)象及驅(qū)動(dòng)方式五個(gè)主要方面[22]，可將懸臂式掘進(jìn)機(jī)按圖 1.1 所示進(jìn)行分類。 懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要由截割部、除塵噴霧系統(tǒng)、鏟板部、本體部、行走部、液壓系統(tǒng)、后支撐、電氣系統(tǒng)、第一運(yùn)輸機(jī)及潤滑系統(tǒng)組成[6]，其總體結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示。 圖1.1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)分類 Fig. 1.1 Classification of the cantilever roadheader 截割部分別由截割頭、伸縮部、截割減速機(jī)和截割電機(jī)組成，有的型號(hào)的掘進(jìn)機(jī)沒有伸縮部，但主要功能都是破碎煤巖，完成斷面截割；除塵噴霧系統(tǒng)分為內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)，主要用于冷卻截齒、滅塵及消滅火花；鏟板部包括主鏟板、側(cè)鏟板、鏟板驅(qū)動(dòng)裝置和從動(dòng)輪裝置，主要功能是裝載由截割機(jī)構(gòu)破碎下的煤巖、支撐整機(jī)、清理底板功能等；本體部包括回轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)架、本體架和本體蓋板，其中本體架作為機(jī)器的最大零件，承受著機(jī)器工作過程中產(chǎn)生的載荷，作為本體架和支撐懸臂的連接體，回轉(zhuǎn)臺(tái)具有可實(shí)現(xiàn)截割頭的鉆進(jìn)掏槽、掃落煤巖、懸臂的升降和回轉(zhuǎn)等各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的重要作用，同時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)也是截割頭工作過程中所遇到的復(fù)雜多變沖擊載荷的主要承受體；行走部包括漲緊輪組、漲緊油缸、定量液壓馬達(dá)、履帶鏈、履帶架、減速機(jī)、支重輪等零部件，主要用于承擔(dān)整機(jī)的重量，支承和平衡掘進(jìn)機(jī)在工作過程中受到的所有作用力和反作用力，同時(shí)完成機(jī)器作業(yè)過程中的行走和回轉(zhuǎn)動(dòng)作；液壓系統(tǒng)由油缸、馬達(dá)、操縱臺(tái)、泵站以及相互聯(lián)結(jié)的油管組成，液壓系統(tǒng)主要用于各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作，例如行走馬達(dá)、星輪馬達(dá)、第一運(yùn)輸機(jī)馬達(dá)、內(nèi)噴霧泵馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)和截割頭上下左右的移動(dòng)，鏟板的升降，后支撐腿的升降，履帶和一運(yùn)的漲緊，還有為錨桿機(jī)提供動(dòng)力接口；后支撐部的組成部分主要 1-截割部；2-潤滑系統(tǒng)；3-除塵噴霧系統(tǒng)；4-鏟板部；5-本體部；6-行走部； 7-液壓系統(tǒng)；8-電氣系統(tǒng)；9-后支撐；10-第一運(yùn)輸機(jī) 圖1.2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的總體結(jié)構(gòu) Fig. 1.2 The overall structure of cantilever roadheader 包括后支撐架和后支撐腿，其可以提高工作穩(wěn)定性，尤其是可以有效的減少甚至避免設(shè)備在截割時(shí)的振動(dòng)和橫向滑動(dòng)，同時(shí)還可以固定其他零部件例如電控箱和泵站；電氣系統(tǒng)主要由電控箱、操作箱、電鈴、機(jī)車燈、報(bào)警儀、急停按鈕以及油泵電機(jī)、截割電機(jī)、二運(yùn)電機(jī)等部件組成，懸臂式掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)配合操作可以自如的實(shí)現(xiàn)整機(jī)的各種生產(chǎn)作業(yè)，同時(shí)其還具有發(fā)出警告、顯示機(jī)器工作情況和故障狀態(tài)等功能；第一運(yùn)輸機(jī)包括前溜槽、后溜槽、刮板鏈組件、漲緊裝置和驅(qū)動(dòng)裝置，主要用于將裝載機(jī)構(gòu)裝載起來的物料運(yùn)輸?shù)睫D(zhuǎn)載結(jié)構(gòu)中；潤滑系統(tǒng)主要分為自動(dòng)潤滑系統(tǒng)和集成潤滑系統(tǒng)，其中自動(dòng)潤滑系統(tǒng)包括潤滑泵組、油脂濾油器、主分配器、子分配器Ⅰ、子分配器Ⅱ等部件，集成潤滑系統(tǒng)主要由兩個(gè)支重輪分配器組成，潤滑系統(tǒng)主要用于減少相接觸零部件間的摩擦、冷卻摩擦表面、密封、清洗、防銹和減震降噪。 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作步驟為[7]： (1) 將工作面清理干凈，使鏟板臥底到正確的位置； (2) 掘進(jìn)機(jī)通過履帶行走機(jī)構(gòu)行走到工作區(qū)域，并利用液壓油缸放下鏟板和后支撐腿，支撐整機(jī)； (3) 截割電機(jī)開始工作，截割頭在電機(jī)的帶動(dòng)下在工作面進(jìn)行截割； (4) 調(diào)節(jié)截割臂的位置，使截割頭在工作面左下角鉆入； (5) 利用截割回轉(zhuǎn)油缸和截割升降油缸使得截割頭截割出初步斷面形狀，其截割路線如圖 1.3所示； (6) 截割頭破碎下的煤巖通過裝載機(jī)構(gòu)裝入第一運(yùn)輸機(jī)； (7) 將第一運(yùn)輸機(jī)中的煤巖裝入運(yùn)輸機(jī)或礦車； (8) 通過液壓支架支護(hù)巷道，保證安全。 圖1.3 截割路線 Fig. 1.3 The cutting route 當(dāng)截割較軟的煤壁，采用圖 1.3 中所示的截割路線；當(dāng)截割較硬的煤巖時(shí)應(yīng)采用由下而上左右截割的方法，當(dāng)截割很硬的巖石時(shí)，應(yīng)先截割硬巖周圍部分并使其墜落，避免勉強(qiáng)截割。 1.1.2懸臂式掘進(jìn)機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀[8] [19] (1) 國外發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀 1949 年，第一臺(tái)懸臂式掘進(jìn)機(jī)在匈牙利研制成功。60年來特別是二戰(zhàn)以后，各種新的理論、新的技術(shù)被廣泛應(yīng)用到懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)與制造中，因此懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研制工作有了突破性的進(jìn)展，所以生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用。 目前，奧地利的奧鋼聯(lián)、阿爾卑尼公司，日本的三井三池制作所生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)在世界上比較著名，還有英國的安德森、多斯科、艾姆科公司，德國的阿特拉斯科普柯-?？苫舴蚓蜻M(jìn)機(jī)技術(shù)公司、保拉特有限公司、維斯特伐利亞公司等等，它們所生產(chǎn)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)累計(jì)達(dá)到 5000 臺(tái)，近 100 余種機(jī)型。國外懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展歷程為： 1) 四十年代末期至六十年代中期，懸臂式掘進(jìn)機(jī)雛形結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本形成，主要用于掘進(jìn)軟煤巷道，機(jī)重 15t 左右，代表機(jī)型有匈牙利全國礦山機(jī)械研究所的 F5、烏克蘭的ПК-3等； 2) 六十年代中期至七十年代末期，煤巷掘進(jìn)機(jī)蓬勃發(fā)展，機(jī)重 20-40t 左右，代表機(jī)型有英國安德森公司的 RH25、奧地利阿爾卑尼公司的 AM50 和日本三井三池公司的MRH-100 等； 3) 七十年代末期至八十年代末期是半煤巖掘進(jìn)機(jī)開始成熟時(shí)期，出現(xiàn)大量的重型機(jī)器，機(jī)重可達(dá)到 50t 左右，同時(shí)其具有完善的功能和較高的可靠性，代表機(jī)型有英國多斯克公司的 MKⅡB、LH1300，奧地利阿爾卑尼公司的 AM75 和德國保拉特公司的 E169 等； 4) 八十年代后期至上世紀(jì)末期，重型機(jī)機(jī)重增加至 70t 以上，切割硬度 100Mpa 以上，懸臂式掘進(jìn)機(jī)配備高新技術(shù)向巖巷掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)型。 5) 上世紀(jì)末至今，該時(shí)期懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割功率可到達(dá) 300kw，截割系數(shù)達(dá)到 12，機(jī)身重量可升至 100t 以上，截割斷面達(dá)到 42m2左右，可在縱向±16°、橫向 8°的斜坡上工作，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、電機(jī)功率自動(dòng)調(diào)節(jié)、離機(jī)遙控操作及工況監(jiān)測和故障診斷等機(jī)電一體化功能。 近年來，國外的懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研制工作主要圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行： 1) 逐步提升截割功率，提高機(jī)器的可靠性； 2) 掘進(jìn)機(jī)的配套設(shè)備多樣化； 3) 為了是掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，采用機(jī)電一體化技術(shù)； 4) 在現(xiàn)有的截割技術(shù)上，研究探索新的截割技術(shù)。 (2) 國內(nèi)發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀 相比國外掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展歷史，我國研制掘進(jìn)機(jī)的工作起步則比較晚，從我國掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展歷史看，可分為仿制階段、引進(jìn)并消化吸收階段、國產(chǎn)化階段、自主創(chuàng)新階段。 1) 仿制階段 二十世紀(jì)六十年代初期，我國通過模仿前蘇聯(lián)的產(chǎn)品，仿制出一批性能尚不穩(wěn)定的懸臂式掘進(jìn)機(jī)，這是我國對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的初步探索，可惜的是由于仿制出的掘進(jìn)機(jī)性能不穩(wěn)定并沒有推廣使用。 2) 引進(jìn)并消化吸收階段 二十世紀(jì)六十年代中期至二十世紀(jì)七十年代末期，我國先后從奧地利、匈牙利和原蘇聯(lián)等國引進(jìn)多種機(jī)型，并對(duì)其進(jìn)行消化、吸收； 3) 國產(chǎn)化階段 二十世紀(jì)七十年代末期至二十世紀(jì)八十年代末期，我國與國外知名公司共同合作，研發(fā)出幾種比較有代表性的懸臂式掘進(jìn)機(jī)，積累研究經(jīng)驗(yàn)，并通過消耗吸收，我國實(shí)現(xiàn)了對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的國有化，其中與匈牙利合作生產(chǎn)的 AM-50 型號(hào)懸臂式掘進(jìn)機(jī)和與日本合作生產(chǎn)的 S-100 型號(hào)懸臂式掘進(jìn)機(jī)當(dāng)屬典型，隨后，我國又自行研發(fā)出多種型號(hào)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)，其水平已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)行列； 4) 自主創(chuàng)新階段 二十年代八十年代末期至今，我國懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研制重點(diǎn)轉(zhuǎn)向重型及個(gè)性化機(jī)型，以適應(yīng)礦井生產(chǎn)的需要，此階段以 EB 型、JEL 型、EBH 型和 EBZ 型為代表機(jī)型，其掘進(jìn)技術(shù)可與國外先進(jìn)水平持平，由此證明我國懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研制工作已經(jīng)進(jìn)入世界先進(jìn)領(lǐng)先行列。 1.2懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由液壓控制系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)，而且整機(jī)的工作穩(wěn)定性直接取決于液壓系統(tǒng)的好壞。隨著懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展，液壓控制系統(tǒng)也發(fā)生了一系列的變化。為了保護(hù)環(huán)境，節(jié)約能源，人們?cè)趯?duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不僅僅要求液壓控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能，同時(shí)更加關(guān)注其是否具有節(jié)能特性，因此懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓控制系統(tǒng)的發(fā)展大致可以分為以下三個(gè)階段： 第一階段：節(jié)流調(diào)速控制系統(tǒng)階段[4] 在懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓控制系統(tǒng)中最早應(yīng)用到的液壓控制技術(shù)是節(jié)流調(diào)速控制系統(tǒng)。其工作原理為：通過改變回路中流量控制元件（節(jié)流閥）通流截面積的大小來控制流入執(zhí)行元件或自執(zhí)行元件流出的流量，以調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)節(jié)流閥的連接方式可將節(jié)流調(diào)速控制系統(tǒng)分為進(jìn)口節(jié)流調(diào)速控制系統(tǒng)、出口節(jié)流調(diào)速控制系統(tǒng)和旁路節(jié)流調(diào)速控制系統(tǒng)，其原理圖如圖1.4 所示。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、容易設(shè)計(jì)且能夠滿足工程機(jī)械的基本要求，是其他液壓控制系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)。但是由于每種節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)均存在節(jié)流損失、發(fā)熱、能量利用率低和動(dòng)態(tài)載荷下運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)性行等缺點(diǎn)，所以該系統(tǒng)只在一些小型設(shè)備上應(yīng)用。 (a)進(jìn)口節(jié)流 (b)出口節(jié)流 (c)旁路節(jié)流 圖1.4節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 Fig. 1.4 The principle diagram of the throttling controlling system 第二階段：負(fù)載敏感控制系統(tǒng)階段[4] 自二十世紀(jì)八十年代以來，為了實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的節(jié)能，負(fù)載敏感控制技術(shù)逐漸發(fā)展起來。負(fù)載敏感控制技術(shù)是指利用負(fù)載敏感控制閥感應(yīng)出負(fù)載變化的信號(hào)，并自動(dòng)將負(fù)載所需壓力、流量和功率等信號(hào)反饋到負(fù)載敏感控制閥彈簧腔和變量泵變量控制機(jī)構(gòu)的敏感腔，使其壓力發(fā)生變化，從而調(diào)整供油單元的運(yùn)行狀態(tài)，使其僅向系統(tǒng)提供負(fù)載所需要的壓力、流量和功率等，最大限度的減少能量損失，達(dá)到節(jié)能的目的。負(fù)載敏感控制系統(tǒng)的原理圖如圖1.5所示，負(fù)載敏感控制技術(shù)可以節(jié)約設(shè)備的空間，還可以大幅度提高原動(dòng)機(jī)的利用效率和減小系統(tǒng)發(fā)熱，所以在車輛、工程機(jī)械以及其他機(jī)械設(shè)備的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 第三階段：LUDV 控制系統(tǒng)階段[4] 負(fù)載敏感控制系統(tǒng)當(dāng)變量泵所能提供的最大流量小于負(fù)載所需的流量時(shí)便失去了負(fù)載敏感功能，此時(shí)負(fù)載較大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分配的流量不能滿足其工作的需求，速度相應(yīng)會(huì)降低，直至為零，設(shè)備的動(dòng)作失去協(xié)調(diào)性。為了克服負(fù)載敏感控制閥上述缺點(diǎn)，LUDV 控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，原理如圖 1.6 所示。LUDV 控制技術(shù)又稱負(fù)載獨(dú)立流量分配技術(shù)，它是利用梭閥機(jī)構(gòu)將負(fù)載最大壓力傳遞給變量泵和所有的壓力補(bǔ)償閥并對(duì)負(fù)載壓力比較低的回路進(jìn)行壓力補(bǔ)償?shù)囊簤嚎刂萍夹g(shù)。這種 LUDV 控制液壓系統(tǒng)自動(dòng)并且按比例地為各執(zhí)行機(jī)構(gòu)分配流量而不是單純地流向負(fù)載較低的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在采用 LUDV 控制技術(shù)的液壓控制系統(tǒng)中，變量泵和各個(gè)回路的壓力補(bǔ)償閥將接受來自于梭閥感應(yīng)到的系統(tǒng)最大負(fù)載壓力，使得多路控制閥的輸出壓力均小于系統(tǒng)的最大負(fù)載壓力。由于壓力補(bǔ)償閥的存在，使得各個(gè)多路控制閥主閥具有相同的壓差，即保證了當(dāng)節(jié)流閥需求較大的流量時(shí)，各多路控制閥閥口仍然具有相同的壓差，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度與外負(fù)載大小無關(guān)，此時(shí)，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度完全由其所在回路的節(jié)流口的開度控制，確保各執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)工作。本論文掘進(jìn)機(jī)的液壓控制系統(tǒng)采用負(fù)載獨(dú)立流量分配技術(shù)。 圖1.5 負(fù)載敏感控制系統(tǒng)原理圖 圖1.6 LUDV控制系統(tǒng)原理圖 Fig. 1.5 The schematic of load sensitive system Fig. 1.6 The schematic of LUDV system 1.3本課題研究的意義及主要內(nèi)容 1.3.1本課題研究的意義 近年來，隨著煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展，巷道掘進(jìn)速度的提高，使掘進(jìn)機(jī)不僅應(yīng)具備完備的工作性能而且還要有較輕的質(zhì)量，以便提高經(jīng)濟(jì)效益。懸臂式掘進(jìn)機(jī)包括機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，以往人們對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)所進(jìn)行的研究均是對(duì)單個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行研究，機(jī)械工程師、液壓工程師和控制工程師在各自領(lǐng)域進(jìn)行相應(yīng)的研究，互相之間并沒有交流與溝通，若出現(xiàn)問題也只能局限在各自的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行調(diào)試，這樣設(shè)計(jì)出來的物理樣機(jī)即使各個(gè)系統(tǒng)單方面均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但將其整合起來，整機(jī)性能未必能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。本論文將整體設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)的液壓系統(tǒng)，并且驗(yàn)證系統(tǒng)的控制特性，將各個(gè)領(lǐng)域的工程師處于同一個(gè)平臺(tái)中，采用協(xié)同仿真的方法對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的性能進(jìn)行研究，這樣可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)中的不兼容性并采取有效的應(yīng)對(duì)措施，這樣建造出的物理樣機(jī)不僅減少了出故障的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也大幅度的降低了成本，具有實(shí)用價(jià)值。 1.3.2本課題研究的主要內(nèi)容 (1)根據(jù)EBZ260型掘進(jìn)機(jī)工況對(duì)其液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其系統(tǒng)的參數(shù)匹配及其關(guān)鍵元件進(jìn)行研究； (2)在對(duì)負(fù)載敏感技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)采用節(jié)流調(diào)速、負(fù)載敏感控制技術(shù)(LS)及負(fù)載獨(dú)立流量分配控制技術(shù)(LUDV)的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了解對(duì)比研究，從而更直觀地了解LUDV這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)； (3)對(duì)EBZ260型掘進(jìn)機(jī)液壓控制系統(tǒng)的行走、截割、鏟板及后支撐回路系統(tǒng)進(jìn)行簡化，并選取截割升降回路進(jìn)行仿真研究，并對(duì)系統(tǒng)中部分關(guān)鍵元件進(jìn)行仿真分析； (4)負(fù)載敏感閥參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性影響進(jìn)行仿真研究，從而為掘進(jìn)機(jī)液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及變量泵的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)及研究方向。 2掘進(jìn)機(jī)工作過程介紹及回路設(shè)計(jì) 2.1懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作過程介紹 懸臂式掘進(jìn)機(jī)是集截割、裝運(yùn)、行走于一體的綜合化工作機(jī)組，其工作條件和環(huán)境極其惡劣，工作狀況也隨機(jī)多變。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)過程主要由以下幾個(gè)動(dòng)作組成：行走、支撐、截割、裝運(yùn)以及其它輔助動(dòng)作。由于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作對(duì)象及工作條件變化較大，考慮到節(jié)能等因素則需對(duì)液壓系統(tǒng)做一定的要求：①掘進(jìn)機(jī)在控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作時(shí)，其所受到的工作阻力與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作業(yè)速度隨時(shí)發(fā)生變化，因此，要求各執(zhí)行機(jī)構(gòu)(液壓缸和液壓馬達(dá))的工作壓力和流量也能實(shí)時(shí)地發(fā)生相應(yīng)的變化。對(duì)本機(jī)來說，這一點(diǎn)靠負(fù)載敏感控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；②為了最大限度地利用電機(jī)功率、提高工作效率及工作狀況的要求，工作過程中要求截割和裝運(yùn)需同時(shí)工作。對(duì)于本機(jī)來說，為了保證這兩個(gè)機(jī)構(gòu)能同時(shí)互不影響地工作，采用了雙聯(lián)泵分別對(duì)這兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供油。 懸臂式掘進(jìn)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)主要包括以下幾點(diǎn): (1)行走及支撐：在行走過程中，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退及左右轉(zhuǎn)彎。在行走過程中，履帶的結(jié)構(gòu)及其地質(zhì)條件對(duì)掘進(jìn)機(jī)的行走有很大影響。近年來，掘進(jìn)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)一般主要由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。對(duì)于本機(jī)，其行走機(jī)構(gòu)是由進(jìn)口力士樂的插入式定量馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)行走到合適的位置時(shí)，啟動(dòng)支撐系統(tǒng)，以便進(jìn)行擺動(dòng)截割。 (2)截割：在掘進(jìn)機(jī)開始截割前，啟動(dòng)噴霧系統(tǒng)。掘進(jìn)機(jī)在截割過程中，截割條件、切屑厚度、截距、截槽形狀以及截齒的受力狀況和單位能耗等狀況都對(duì)截割產(chǎn)生很大的影響。且掘進(jìn)機(jī)的截割工況還受截割機(jī)構(gòu)本身?xiàng)l件(截割速度、截齒布置、牽引速度)的影響。對(duì)于懸臂式掘進(jìn)機(jī)來說，最佳的截割工況是煤質(zhì)好、單位能耗小及整機(jī)承受的動(dòng)負(fù)載小。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割過程主要由兩種截割方式來完成：①鉆進(jìn)截割；②移動(dòng)截割：上下移動(dòng)截割和水平移動(dòng)截割。鉆進(jìn)截割時(shí)主要靠行走機(jī)構(gòu)的前進(jìn)來配合完成。當(dāng)截割頭截割到一定深度時(shí)，驅(qū)動(dòng)懸臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使懸臂橫向擺動(dòng)從而進(jìn)行水平截割，當(dāng)截割到巷道邊界時(shí)，再沿垂直方向截割一定的高度，然后再轉(zhuǎn)向水平擺動(dòng)截割，如此地往復(fù)循環(huán)，直到完成對(duì)巷道工作面的完整截割。 (3)裝運(yùn)：在進(jìn)行截割的同時(shí)，需啟動(dòng)裝運(yùn)馬達(dá)進(jìn)行裝運(yùn)工作。裝運(yùn)機(jī)構(gòu)分別由四臺(tái)進(jìn)口低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。其中，裝載機(jī)構(gòu)分別由兩臺(tái)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；第一運(yùn)輸機(jī)分別由兩臺(tái)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。在裝運(yùn)過程中，很可能出現(xiàn)兩個(gè)弧形五齒星輪受力不均而導(dǎo)致星輪轉(zhuǎn)速不同。對(duì)于本機(jī)，采用了壓力補(bǔ)償閥從而保證了流向這兩個(gè)馬達(dá)的流量基本不變，維持了星輪的轉(zhuǎn)速。 綜上所述，掘進(jìn)機(jī)在整個(gè)掘進(jìn)過程中裝載馬達(dá)、運(yùn)輸馬達(dá)及內(nèi)噴霧馬達(dá)同時(shí)工作，這兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別由兩臺(tái)泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。則懸臂式掘進(jìn)機(jī)的整個(gè)工作循環(huán)為：啟動(dòng)隔離開關(guān)，然后啟動(dòng)水路系統(tǒng)，再開啟油泵電機(jī)，然后操作人員扳動(dòng)行走操縱手柄，驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)行走至合適的位置，然后啟動(dòng)噴霧系統(tǒng)，接著啟動(dòng)截割電機(jī)依靠行走機(jī)構(gòu)的前進(jìn)來實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)截割，當(dāng)截割達(dá)到一定深度時(shí)，啟動(dòng)支撐系統(tǒng)，從而進(jìn)行左右上下截割。在進(jìn)行截割的同時(shí)需啟動(dòng)裝運(yùn)機(jī)構(gòu)，以避免造成煤巖堆積的現(xiàn)象。 2.2液壓系統(tǒng)額定壓力的確定 根據(jù)所要設(shè)計(jì)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際工況的使用要求，并參考《MTT238.2-2008 懸臂式掘進(jìn)機(jī)第2部分：型式與參數(shù)》中表7 液壓系統(tǒng)基本參數(shù)來確定液壓系統(tǒng)額定壓力，參數(shù)表如表2-1： 由于本論文設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)是某公司的EBZ260掘進(jìn)機(jī)，該機(jī)采用的系統(tǒng)壓力再對(duì)照掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)額定壓力參數(shù)表，選取的系統(tǒng)額定壓力為25。 表2-1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)額定壓力參數(shù)表 Tab.2-1 roadheader system rated pressure gauge 系統(tǒng)額定壓力/MPa 6.3 10 12.5 14 16 (18) 21 25 31.5 注：新設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)盡量不采用括號(hào)內(nèi)數(shù)值 2.3液壓系統(tǒng)的液壓控制分析 懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)上采用目前先進(jìn)的液壓系統(tǒng)控制技術(shù)——LRDS控制系統(tǒng)。LRDS控制系統(tǒng)通過負(fù)載敏感閥、壓力切斷閥和恒功率閥來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)流量和壓力的控制，從而使各液壓元件動(dòng)作滿足操作者需求和負(fù)載變化，避免了流量損失，同時(shí)控制系統(tǒng)最高壓力，防止系統(tǒng)壓力過高，損壞液壓元件。本機(jī)控制系統(tǒng)具有負(fù)載敏感控制、壓力切斷和恒功率控制功能。 2.3.1負(fù)載敏感控制[11] 負(fù)載敏感控制技術(shù)是一種能夠感應(yīng)液壓系統(tǒng)壓力和流量需求，從而提供負(fù)載所需的壓力和流量的液壓控制技術(shù)。該負(fù)載敏感系統(tǒng)中所需的主要元件有負(fù)載敏感變量泵和敏感控制閥，共同組成閉中心負(fù)載敏感控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的變量泵需具有一個(gè)負(fù)載敏感閥，當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)，負(fù)載敏感閥使變量泵能夠在較低的壓力下保持待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，負(fù)載敏感閥感應(yīng)系統(tǒng)流量的需求并促使泵提供所需的流量，同時(shí)在系統(tǒng)工況發(fā)生變化時(shí)該閥能夠根據(jù)變化后的流量需求提供所需的流量。目前，多數(shù)液壓系統(tǒng)并不是恒壓系統(tǒng)，當(dāng)外部負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)的工作壓力也隨之變化，這就需要一個(gè)具有特殊感應(yīng)負(fù)載壓力的控制閥，即負(fù)載敏感控制閥（方向閥），以實(shí)現(xiàn)負(fù)載敏感控制系統(tǒng)的完整控制性能。當(dāng)液壓系統(tǒng)不工作，處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，控制閥必須切斷動(dòng)作油缸（或馬達(dá)）與變量柱塞泵之間的壓力信號(hào)，此時(shí)變量柱塞泵自動(dòng)轉(zhuǎn)入低壓待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)控制閥轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)時(shí)，控制閥先從動(dòng)作油缸（或馬達(dá)）得到壓力-流量的需求，并將壓力-流量信號(hào)傳遞給變量泵，使變量泵對(duì)系統(tǒng)壓力-流量做出響應(yīng)。其中系統(tǒng)所需的流量是由控制閥的開度控制的。這種負(fù)載敏感變量柱塞泵與負(fù)載敏感控制閥組成的閉式負(fù)載敏感控制系統(tǒng)使整個(gè)液壓系統(tǒng)具有根據(jù)負(fù)載情況提供所需壓力-流量的特性，此即負(fù)載敏感控制技術(shù)的基本功能。一般情況下，負(fù)載敏感控制閥里還具有壓力補(bǔ)償閥，以確保流向各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量。圖2.1為負(fù)載敏感控制系統(tǒng)原理示意圖。 圖2.1 負(fù)載敏感控制系統(tǒng)原理示意圖 Fig. 2.1 Schematic diagram of load sensitive control system 現(xiàn)假定高壓切斷閥的彈簧調(diào)定壓力為 30，負(fù)載敏感閥的彈簧調(diào)定壓力為Fs=2。其工作過程的三個(gè)階段如下： （1）低壓待機(jī)狀態(tài)。在系統(tǒng)剛啟動(dòng)的瞬間，由于系統(tǒng)未建立起壓力，負(fù)載敏感閥閥芯在彈簧預(yù)緊力的作用下被推至最左端，油液未進(jìn)入變量活塞缸，此時(shí)變量泵斜盤傾角最大。當(dāng)系統(tǒng)正常啟動(dòng)，變量泵開始進(jìn)行供油，由于沒有操縱控制閥，其目前仍處于中位封閉狀態(tài)，所以泵提供的流量全部進(jìn)入負(fù)載敏感閥中。當(dāng)油液壓力超過負(fù)載敏感閥的彈簧預(yù)緊力 2 時(shí)，敏感閥閥芯右移，油液進(jìn)入變量活塞缸中，變量活塞缸的活塞右移，從而推動(dòng)斜盤傾角減小，變量泵排量減小。當(dāng)變量泵出口壓力PP 達(dá)到與負(fù)載敏感閥的彈簧調(diào)定壓力 2 相同時(shí)，斜盤傾角減小至近乎為零，此時(shí)變量泵處于低壓待機(jī)狀態(tài)。在此狀態(tài)下，變量泵只提供補(bǔ)償內(nèi)部泄漏的流量以保持與負(fù)載敏感閥彈簧調(diào)定壓力 2 平衡。 （2）正常工作狀態(tài)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作導(dǎo)致液壓缸活塞移動(dòng)時(shí)，液壓缸內(nèi)的壓力油（即負(fù)載壓力PL）將通過控制閥內(nèi)的通路，流經(jīng)負(fù)載敏感單元（梭閥），從而進(jìn)入負(fù)載敏感閥右邊彈簧腔內(nèi)。其力平衡方程為： 即： （2-11） 式中：A 為負(fù)載敏感閥活塞受壓面積。 此時(shí)負(fù)載壓力PL和彈簧預(yù)緊力FS 共同作用于負(fù)載敏感閥右端，迫使閥芯左移，致使變量活塞缸活塞左移，從而使變量泵斜盤傾角加大，變量泵的排量也隨之增大。當(dāng)流量達(dá)到所需流量即受力平衡時(shí)，控制閥前后的壓差即為負(fù)載敏感閥彈簧的調(diào)定壓力，則變量泵的實(shí)際出口壓力PP 為負(fù)載壓力PL 和彈簧預(yù)緊力FS之和，流量也剛好達(dá)到所需求的流量。 （3）高壓待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)，油路中的液流停止流動(dòng)，方向閥兩端的壓力趨于相等，作用于負(fù)載敏感閥兩端的壓力也相等，則負(fù)載敏感閥閥芯在彈簧預(yù)緊力作用下被推至左端，回油口封死，此時(shí)變量泵出口油液再次處于封閉狀態(tài)，由于變量泵有油液流出而致使其壓力迅速升高，當(dāng)其壓力升高至高壓切斷閥的調(diào)定壓力30 時(shí)，變量泵出口壓力PP 克服高壓切斷閥彈簧的作用，把高壓切斷閥閥芯往右推，高壓油通過該切斷閥進(jìn)入變量活塞缸中，則變量泵斜盤被推至傾角趨于零的狀態(tài)，從而使變量泵排量也降至趨于零的狀態(tài)。此時(shí)變量泵只提供高壓狀態(tài)下泵的內(nèi)部泄漏量，直至高壓狀態(tài)結(jié)束。這種工況即為高壓待機(jī)狀態(tài)。 2.3.2壓力補(bǔ)償[15] 壓力補(bǔ)償是將壓差設(shè)定為規(guī)定值進(jìn)行的自動(dòng)控制，是為了消除系統(tǒng)過載時(shí)的溢流損失，來代替溢流閥的一種壓力調(diào)節(jié)控制。當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，為保證正常工作，泵輸出壓力要與最高負(fù)載壓力相適應(yīng)，負(fù)載壓力較低的回路采用壓力補(bǔ)償，以使閥口壓差保持定值。壓力補(bǔ)償功能可以使泵排量降到接近零排量，而輸出壓力仍保持在系統(tǒng)壓力附近，保證液壓元件和液壓系統(tǒng)正常工作。 當(dāng)泵進(jìn)入壓力補(bǔ)償控制時(shí)，盡管系統(tǒng)壓力很高，但泵的輸出流量接近零，幾乎沒有功率損耗，使液壓系統(tǒng)避免了溢流損失，具有明顯的節(jié)能效果，工作原理如圖 2.2 所示。 圖 2.2 壓力補(bǔ)償原理圖 Fig. 2.2 Schematic diagram of pressure compensation 在多路閥節(jié)流調(diào)速中，設(shè)置定差壓力閥在多路閥閥桿進(jìn)出口，使閥桿進(jìn)出口壓差保持不變，通過改變閥的開度，控制流量，使其不受負(fù)載和液壓泵流量影響。各閥口入口處設(shè)壓力補(bǔ)償控制閥，使泵的出口油壓和最大負(fù)荷執(zhí)行器油壓之間保持一定，對(duì)泵的排量、流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。即使泵輸出流量不足，不能滿足多路閥閥口上負(fù)荷傳感壓差，但在壓力補(bǔ)償閥的作用下，仍然可以使多路閥閥口上的壓差繼續(xù)保持一致。在這種情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作速度會(huì)降低，但各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作速度之間的比例關(guān)系仍保持不變，從而保證了動(dòng)作的準(zhǔn)確性。 2.3.3恒功率控制 恒功率控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作壓力及泵的輸出流量，因此，在恒定的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速下不會(huì)超過預(yù)定的驅(qū)動(dòng)功率。常見的恒功率控制系統(tǒng)主要是依靠彈簧位移，即力反饋和機(jī)械位置反饋來實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)外負(fù)載的增大減小泵的排量。也就是說，油缸的壓力隨負(fù)載增大而增大，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)油泵流量，使其減小，反之亦然。液壓系統(tǒng)恒功率調(diào)速方式是一種成熟的技術(shù)，在國內(nèi)外都已經(jīng)廣泛采用。現(xiàn)代機(jī)械多采用雙泵系統(tǒng)，以提高復(fù)合動(dòng)作的準(zhǔn)確性。 工作壓力在活塞上施加一個(gè)液壓力，柱塞泵控制活塞使搖臂擺動(dòng)。彈簧力可從外部調(diào)整，并作用在搖臂的另一側(cè)，保證功率恒定。當(dāng)工作壓力超過設(shè)定的彈簧力，搖臂推動(dòng)控制閥，使變量泵朝零輸出方向擺動(dòng)。 2.4液壓系統(tǒng)基本回路設(shè)計(jì) 2.4.1行走部回路設(shè)計(jì) 因?yàn)楸疚乃O(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎，所以行走機(jī)構(gòu)的左行走和右行走應(yīng)由兩臺(tái)馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)，所以在回路設(shè)計(jì)中應(yīng)將行走機(jī)構(gòu)的回路分開，分別進(jìn)行單獨(dú)控制，以便實(shí)現(xiàn)行走的各種工況。為了滿足行走部的各種綜合工況，本文為行走部回路設(shè)計(jì)了3個(gè)基本回路，分別為緩沖回路、限速回路和制動(dòng)回路。接下來對(duì)這三種基本回路進(jìn)行分析： 1) 緩沖回路。由于掘進(jìn)機(jī)自重大，所以慣量很大，在掘進(jìn)機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)和突然換向時(shí)會(huì)引起很大的液壓沖擊，特別是掘進(jìn)機(jī)在行走過程中遇到緊急情況突然剎車。這些情況產(chǎn)生的液壓沖擊會(huì)使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，甚至?xí)茐恼麄€(gè)系統(tǒng)。而所設(shè)計(jì)的緩沖回路就是利用緩沖閥等元件使液壓馬達(dá)高壓腔的油液超過一定壓力時(shí)能夠通過別的出路回到郵箱。 2) 限速回路。掘進(jìn)機(jī)因自重很大，在下坡的時(shí)候會(huì)由于自重很大加速，可能導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)速度很大而發(fā)生事故，并且速度很大會(huì)使行走馬達(dá)發(fā)生吸空現(xiàn)象甚至破壞。通過對(duì)這些情況的分析，在所設(shè)計(jì)的行走液壓回路中應(yīng)有限速和補(bǔ)油回路，控制行走馬達(dá)的轉(zhuǎn)速在安全范圍內(nèi)，所以添加一個(gè)限速閥，構(gòu)成限速回路。限速閥的控制通道大，行走馬達(dá)的轉(zhuǎn)速快，控制通道小則相反，這樣能夠達(dá)到控制行走馬達(dá)轉(zhuǎn)速的目的。使回油通過節(jié)流閥是最簡單的限速方法，掘進(jìn)機(jī)行走一旦超過了安全速度，進(jìn)油路供油不夠，壓力就會(huì)降低，導(dǎo)致控制油壓力降低，限速節(jié)流閥的通道減小，回油路節(jié)流，從而防止了掘進(jìn)機(jī)因超速而引發(fā)的事故，保證了掘進(jìn)機(jī)和人員的安全。 3) 制動(dòng)回路。制動(dòng)回路主要是由BVD制動(dòng)閥和制動(dòng)器組成。制動(dòng)器的開啟為液壓控制，BVD制動(dòng)閥控制制動(dòng)器的油壓力。當(dāng)換向閥閥芯處于左右位時(shí)，高壓油經(jīng)過換向閥流向液壓馬達(dá)，壓力油通過BVD制動(dòng)閥進(jìn)入制動(dòng)油缸，壓縮彈簧，制動(dòng)解除，掘進(jìn)機(jī)向前或向后行走，無論馬達(dá)的哪根油管供油，都能使制動(dòng)器打開，制動(dòng)性能可靠。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)停止行走時(shí)，馬達(dá)停止供油，制動(dòng)油缸的壓力油回油箱，回轉(zhuǎn)制動(dòng)器在彈簧的作用下制動(dòng)，轉(zhuǎn)子被制動(dòng)，防止掘進(jìn)機(jī)自行下滑，行走機(jī)構(gòu)的液壓回路不工作時(shí)，制動(dòng)器處于閉鎖狀態(tài)。 綜合以上三個(gè)回路設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出的行走部液壓回路圖如2.3所示。 1-制動(dòng)器 2-行走馬達(dá) 3-緩沖閥 4-限速閥 5-BVD制動(dòng)閥 圖2.3行走部液壓回路原理圖 Fig.2.3 walking circuit diagram Ministry 2.4.2截割部回路設(shè)計(jì) （1） 截割部升降回路設(shè)計(jì) 截割部升降回路設(shè)計(jì)主要是為了滿足掘進(jìn)機(jī)截割部能夠?qū)崿F(xiàn)上下動(dòng)作，并且能夠在上下任意位置實(shí)現(xiàn)截割動(dòng)作。所以回路的工作原理是：首先從變量泵輸出的高壓油流向換向閥，當(dāng)換向閥位于中位時(shí)，升降油缸沒有動(dòng)作；當(dāng)換向閥分別位于左位或者右位時(shí)，高壓油進(jìn)入升降油缸的上下腔，使截割機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了懸臂的升降過程。為了保證兩個(gè)升降油缸的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和協(xié)調(diào)性，同時(shí)也保證掘進(jìn)機(jī)在上下任意位置起到液壓鎖的作用，所以在回路設(shè)計(jì)中添加了一個(gè)平衡閥。設(shè)計(jì)的升降油缸回路如圖2.4所示。 （2） 截割部回轉(zhuǎn)回路設(shè)計(jì) 截割部回轉(zhuǎn)回路設(shè)計(jì)主要是為了滿足掘進(jìn)機(jī)的截割部能夠?qū)崿F(xiàn)左右截割動(dòng)作，并且能夠使截割部在左右任意位置截割。所以回路的工作原理是：首先從變量泵輸出的高壓油流向換向閥，當(dāng)換向閥位于中位時(shí)，回轉(zhuǎn)油缸沒有動(dòng)作；當(dāng)換向閥分別位于左位或者右位時(shí)，高壓油進(jìn)入一個(gè)油缸的有桿腔和另一個(gè)油缸的無桿腔，使得一個(gè)油缸縮回另一個(gè)油缸伸出，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，使截割臂構(gòu)實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)動(dòng)作。為了保證兩個(gè)回轉(zhuǎn)油缸的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和協(xié)調(diào)性，在回路設(shè)計(jì)中添加一個(gè)平衡閥，同時(shí)平衡閥也起到液壓鎖的作用。設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)油缸回路如圖2.5所示。 1-油缸2-平衡閥3-換向閥 4-溢流閥 圖2.4截割升降油缸液壓回路原理圖圖 圖2.5截割回轉(zhuǎn)油缸液壓回路原理圖 Fig.1.10Cutting lift cylinder hydraulic circuit Fig.1.11 Cutting rotary cylinder hydraulic circuit schematics schematics 2.4.3鏟板部回路設(shè)計(jì) （1） 星輪回路設(shè)計(jì) 參照目前煤礦現(xiàn)場使用的掘進(jìn)機(jī)星輪回路，本文設(shè)計(jì)的EBZ260型掘進(jìn)機(jī)星輪回路設(shè)計(jì)上采用低速大扭矩馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，而且星輪回轉(zhuǎn)的速度是可以通過調(diào)節(jié)換向閥的閥芯開口度的大小來調(diào)節(jié)的。此外為了保證星輪卡住或者超負(fù)載運(yùn)行時(shí)不發(fā)生意外事故或者損壞馬達(dá)、電機(jī)，此回路設(shè)計(jì)上應(yīng)該添加限壓回路，從而是星輪發(fā)生上述情況時(shí)可以自動(dòng)卸載保證液壓系統(tǒng)和液壓元件的安全。如圖2.6所示。 （2） 鏟板油缸回路設(shè)計(jì) 兩個(gè)鏟板油缸的協(xié)同工作使得鏟板部能夠?qū)崿F(xiàn)上下動(dòng)作，從變量泵輸出的高壓油經(jīng)多路閥進(jìn)入油缸上下腔，控制兩個(gè)油缸活塞同時(shí)前后動(dòng)作，完成升降動(dòng)作，并且在回路中采用一組平衡閥，使鏟板在升降過程中平穩(wěn)可靠，避免產(chǎn)生液壓沖擊損壞液壓元件。設(shè)計(jì)的鏟板油缸回路如圖2.7所示。 1-馬達(dá) 2-油缸 3-限壓閥 4-平衡閥 5-換向閥 6-溢流閥 圖2.6鏟板部星輪馬達(dá)液壓回路原理圖 圖2.7鏟板部油缸液壓回路原理圖 Fig.2.6 shovel unit star wheel motor Fig.2.7 shovel plate cylinder hydraulic hydraulic circuit schematics circuit schematics 2.4.4后支撐部回路設(shè)計(jì) 后支撐部的升降動(dòng)作是由兩個(gè)液壓缸共同作用完成的，后支撐部的作用是在掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)提供支撐力，使截割過程更加平穩(wěn)，同時(shí)需要與鏟板部共同承擔(dān)掘進(jìn)機(jī)機(jī)重。因此在后支撐部回路中應(yīng)安裝一組安全平衡閥以增加機(jī)械運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，同時(shí)平衡閥也起到液壓鎖的作用。后支撐部液壓回路如圖2.8所示。 1-油缸 2-平衡閥3-換向閥 4-溢流閥 圖 2.8 后支撐部液壓回路圖 Fig.2.8 rear support unit circuit diagram 2.4.5第一運(yùn)輸機(jī)回路設(shè)計(jì) 第一運(yùn)輸機(jī)的作用是將鏟板部裝載的煤或巖石運(yùn)送到掘進(jìn)機(jī)后面，與鏟板部共同完成裝運(yùn)工作。目前煤礦井下現(xiàn)場使用的掘進(jìn)機(jī)有的采用1個(gè)低速大扭矩馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，有的采用2個(gè)低速大扭矩馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，雖然它們?cè)跀?shù)量上不同，但是總功率是一樣，由于設(shè)計(jì)考慮到掘進(jìn)機(jī)的維護(hù)問題，因?yàn)槎嗔艘粋€(gè)執(zhí)行元件就多了一個(gè)故障點(diǎn)，所以掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用1個(gè)低速大扭矩馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)回路時(shí)考慮到過載保護(hù)問題，所以在回路中添加了限壓回路來保護(hù)馬達(dá)。設(shè)計(jì)的第一運(yùn)輸機(jī)馬達(dá)回路如圖2.9所示。 1-馬達(dá) 2-限壓閥 3-換向閥 4-溢流閥 圖2.9第一運(yùn)輸機(jī)馬達(dá)回路圖 Fig.2.9 The first conveyor circuit diagram 2.4.6多負(fù)載回路設(shè)計(jì) 掘進(jìn)機(jī)的行走部的兩臺(tái)馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)，且各自不能相互干擾，所以采用力士樂的二聯(lián)閥進(jìn)行控制。在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割時(shí)，裝載及運(yùn)輸機(jī)構(gòu)必須同時(shí)工作，以防止造成煤巖的堆積。由于裝載機(jī)構(gòu)須有兩臺(tái)馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)，且各自不能相互干擾，需保持同步工作，所以裝載機(jī)構(gòu)的兩臺(tái)馬達(dá)和第一運(yùn)輸機(jī)馬達(dá)采用力士樂的三聯(lián)閥進(jìn)行控制。掘進(jìn)機(jī)截割升降回路、截割回轉(zhuǎn)回路、鏟板升降回路、后支撐回路、內(nèi)噴霧馬達(dá)和備用回路共同采用力士樂六聯(lián)閥進(jìn)行控制。采用M4閥和博世力士樂A11VLO系列泵可以使回路都需具有負(fù)載敏感、壓力切斷、壓力補(bǔ)償及恒功率控制的功能。 2.5擬訂液壓系統(tǒng)原理圖 液壓系統(tǒng)原理圖見輸出圖紙。 3EBZ260型掘進(jìn)機(jī)工況分析及液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算 在計(jì)算液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的外負(fù)載時(shí)，需要通過對(duì)掘進(jìn)機(jī)的工況進(jìn)行分析，再進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，首先我們得先了解執(zhí)行機(jī)構(gòu)的外負(fù)載都包括哪些，具體如下： 對(duì)于液壓缸，外負(fù)載為： (3-1) 式中： —工作負(fù)載； —摩擦負(fù)載； —慣性負(fù)載。 對(duì)于液壓馬達(dá)，外負(fù)載為： (3-2) 式中： —工作負(fù)載扭矩； —摩擦阻力矩； —慣性力矩。 3.1行走部的參數(shù)計(jì)算 3.3.1單側(cè)履帶行走機(jī)構(gòu)裝置所需最小功率 掘進(jìn)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，分為左行走、右行走兩部分。在這里考慮單側(cè)履帶行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置所需最小功率。 (3-3) 式中—單側(cè)履帶行走機(jī)構(gòu)裝置所需最小功率，； —單側(cè)履帶行走機(jī)構(gòu)各種外阻力，； —履帶行走機(jī)構(gòu)工作時(shí)的行走速度，； —履帶鏈的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率，包括行走減速器和履帶傳動(dòng)效率。有支重輪時(shí)取0.89～0.92，無支重輪時(shí)取0.71～0.74； 機(jī)器行走時(shí)的各種阻力，主要包括行走阻力和轉(zhuǎn)向阻力，而轉(zhuǎn)向阻力要比行走阻力大得多，要按坡道上轉(zhuǎn)向工況來分析計(jì)算。 (1)行走阻力 當(dāng)水平行走時(shí)，，則； 當(dāng)爬坡時(shí)，，則； 式中——掘進(jìn)機(jī)重量；——坡角；——滾動(dòng)阻力系數(shù)，。 (2)轉(zhuǎn)向阻力 當(dāng)掘進(jìn)機(jī)在水平或坡度巷道底板上轉(zhuǎn)向時(shí)，它的懸臂置于機(jī)器中間位置，兩履帶載荷是相同的。這時(shí)，兩履帶同時(shí)驅(qū)動(dòng)，一履帶前進(jìn)，另一履帶后退，轉(zhuǎn)向阻力矩將在兩條履帶上形成同樣大小的牽引力，即 (3-4) 式中——單邊履帶行走機(jī)構(gòu)承受的掘進(jìn)機(jī)重量； ——單邊履帶行走機(jī)構(gòu)的接地長度； ——兩條