摘要懸臂式掘進機是集截割、行走、裝載及運輸于一體的巷道掘進的綜合化機組，是井下巷道掘進的主要產(chǎn)品。懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)作為掘進機控制系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，其控制性能的優(yōu)劣直接決定了掘進機整體性能的優(yōu)越與否。因此，對懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)的研究對推動我國掘進機的發(fā)展具有重要的意義。論文通過對 EBZ260 型懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)進行分析與設(shè)計，簡單對掘進機的工況進行了分析并對各個執(zhí)行機構(gòu)的參數(shù)進行了計算和液壓缸簡單設(shè)計并且對馬達進行了選型，針對恒功率控制、負載敏感、壓力補償控制原理進行分析研究，并對其液壓回路進行優(yōu)化設(shè)計，通過對工況分析所得參數(shù)對其各部分執(zhí)行元件的參數(shù)進行合理的計算，經(jīng)過各個廠家液壓元件的優(yōu)缺點對比，合理的完成液壓系統(tǒng)所需的主要液壓元件的選型。并對截割升降回路進行簡單仿真分析，最終設(shè)計出一套帶負載敏感和壓力補償?shù)木蜻M機液壓系統(tǒng)。此外，通過對 EBZ260 型懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)進行分析與設(shè)計，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)計提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：掘進機；液壓系統(tǒng)；工況分析；選型； AbstractRoadheader 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 .11 緒論 21.1 懸臂式掘進機概述 .21.1.1 懸臂式掘進機的分類、組成及工作原理 21.1.2 懸臂式掘進機的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀 [8] [19] 51.2 懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 .71.3 本課題研究的意義及主要內(nèi)容 .91.3.1 本課題研究的意義 91.3.2 本課題研究的主要內(nèi)容 102 掘進機工作過程介紹及回路設(shè)計 112.1 懸臂式掘進機的工作過程介紹 .112.2 液壓系統(tǒng)額定壓力的確定 .122.3 液壓系統(tǒng)的液壓控制分析 .122.3.1 負載敏感控制 [11]122.3.2 壓力補償 [15]142.3.3 恒功率控制 152.4 液壓系統(tǒng)基本回路設(shè)計 .162.4.1 行走部回路設(shè)計 162.4.2 截割部回路設(shè)計 172.4.3 鏟板部回路設(shè)計 182.4.4 后支撐部回路設(shè)計 192.4.5 第一運輸機回路設(shè)計 202.4.6 多負載回路設(shè)計 202.5 擬訂液壓系統(tǒng)原理圖 .213EBZ260 型掘進機工況分析及液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)計算 223.1 行走部的參數(shù)計算 .223.3.1 單側(cè)履帶行走機構(gòu)裝置所需最小功率 223.3.2 行走部最大牽引力計算 233.3.3 單側(cè)履帶行走機構(gòu)輸出扭矩與輸出轉(zhuǎn)速的確定 243.3.4 行走馬達參數(shù)的確定 253.2 截割部的參數(shù)計算 .253.2.1 截割部升降時截割頭上產(chǎn)生的截割切向力 253.2.2 截割部升降油缸伸出力的計算 273.3.3 截割部升降油缸的設(shè)計 283.2.4 截割部回轉(zhuǎn)時截割頭上產(chǎn)生的截割切向力 323.3 后支撐部的參數(shù)計算 .333.3.1 后支撐油缸的輸出力計算 333.3.2 后支撐部液壓缸的設(shè)計 353.4 鏟板部的參數(shù)計算 .393.4.1 鏟板部星輪的參數(shù)計算 393.4.2 鏟板油缸的輸出力計算 403.5 第一運輸機的參數(shù)計算 .413.5.1 第一運輸機馬達的參數(shù)計算 423.6 工作元件的主要參數(shù) .423.6.1 各液壓馬達的主要計算參數(shù) 423.6.2 各液壓缸的主要計算參數(shù) 434 液壓系統(tǒng)的元件選型 444.1 液壓泵的選型 .444.2 泵站電機的選型 .464.3 液壓馬達的選型 .474.4 液壓控制閥的選型 .494.5 過濾器的選擇 .514.6 管件的選定 .514.7 管路的布置 .524.8 液壓油的選擇及郵箱的初步估算 .525EBZ260 掘進機截割升降回路液壓系統(tǒng)的仿真 545.1 截割升降回路液壓系統(tǒng)仿真模型的建立及仿真 545.1.1 變量泵仿真模型的建立 .545.1.2 壓力補償閥仿真模型的建立 .585.1.3 截割升降回路系統(tǒng)模型的建立 .585.2 截割升降回路系統(tǒng)的仿真研究 605.2.1 系統(tǒng)輸出特性研究 .605.2.2 負載變化對泵出口壓力的影響 606 技術(shù)經(jīng)濟性分析 627 總結(jié) 63致謝 .64參考文獻 .65附錄 A 譯文 66掘進機在采礦和掘進工業(yè)的應(yīng)用 .66附錄 B 外文文獻 75EBZ260 掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計0前言煤礦掘進是煤炭生產(chǎn)和建設(shè)的基礎(chǔ)工程。近年來，我國煤礦掘進機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步。煤炭工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的主要支柱產(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)濟和社會發(fā)展的保證。隨著國民經(jīng)濟的快速發(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)掘進機發(fā)展水平相對落后，巷道掘進成為煤礦發(fā)展的一個瓶頸，制約著煤炭工業(yè)的發(fā)展。我國的掘進機技術(shù)開發(fā)工作始于 1965 年，最初是仿前蘇聯(lián)的 ЛК-3 型掘進機，1979年后，先后從日本、奧地利、英國、美國、西德、原蘇聯(lián)、匈牙利引進了多種型號的掘進機，通過引進日本 MRH-5100-41 型、奧地利 AM-50 等型掘進機的制造技術(shù)和先進加工設(shè)備，并進行技術(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 個型號的掘進機，使我國中小型掘進機不再依賴進口。此后，我國又開始了重型掘進機技術(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 型掘進機，2001 年，佳木斯煤機廠又完成了從日本引進 S200M 型掘進機的消化吸收、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，我國掘進機的開發(fā)研究在輕型及中重型上己其本達到國際先進水平，但在重型掘進機的研究上，與一些發(fā)達國家的產(chǎn)品還存在著一定的差距。掘進機按照對巷道斷面的作用方式可劃分為 2 種：全斷面掘進機和部分斷面掘進機，部分斷面掘進機最常用、最重要的一種就是懸臂式掘進機。我國對懸臂式掘進機技術(shù)的研究始于 20 世紀(jì) 60 年代中期，通過對引進型掘進機的消化吸收和國產(chǎn)化工作積累了一些設(shè)計懸臂式掘進機的初步經(jīng)驗，但當(dāng)時研制規(guī)模較小，成效甚微。我國煤礦真正推廣應(yīng)用懸臂式掘進機則是在 1979 年引進了 100 余臺國外產(chǎn)品以后。在此后的 30 多年中，我國在引進懸臂式掘進機產(chǎn)品及制造技術(shù)的同時，翻開了自主開發(fā)研制、規(guī)模生產(chǎn)的一頁。隨著懸臂式掘進機在采礦工程和隧道掘進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)濟效益，因此懸臂式掘進機已成為各主要產(chǎn)煤國家不可缺少的生產(chǎn)設(shè)備。11 緒論1.1 懸臂式掘進機概述1.1.1 懸臂式掘進機的分類、組成及工作原理十九世紀(jì)末，英國已經(jīng)研發(fā)了掘進技術(shù)，正是因為這一技術(shù)的誕生，英吉利海峽海底隧道得以完成。后來掘進技術(shù)不斷發(fā)展，掘進機已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)截割、裝載、運輸、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。并且在掘進機的應(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)計不同類型的掘進機 [3]。在我們國家，全國都少氣、貧油，所以為了將多煤這個資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化成國民經(jīng)濟上的優(yōu)勢，必須大力發(fā)展煤炭產(chǎn)業(yè)，同時在煤炭生產(chǎn)中必須始終秉著“采掘并重，掘進先行”的方針。但是，我國的采煤機械遠遠領(lǐng)先于掘進機械，為了實現(xiàn)采掘平衡、煤炭生產(chǎn)飛速發(fā)展，必須著重發(fā)展掘進機械。部分斷面掘進機 (又稱懸臂式掘進機 )是集機械、電氣、液壓及自動控制于一體的工程機械之一，它是世界上公認的廣泛應(yīng)用于井下巷道掘進、交通和水下隧道掘進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、安全等優(yōu)點，而且還可實現(xiàn)破煤、裝載、轉(zhuǎn)載、行走及除塵等多項功能，因此被廣泛地應(yīng)用于巷道、隧道以及工程洞穴的掘進工程中 [15]。懸臂式掘進機的發(fā)展，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)趨于完善，帶動發(fā)展了相關(guān)產(chǎn)業(yè)，很大程度上提高了機械裝備制造業(yè)的水平。目前，各國制造、推廣使用的巖一煤和煤一巖掘進機大多以懸臂式掘進機為主，它已成為各產(chǎn)煤國家不可缺少的生產(chǎn)設(shè)備。懸臂式掘進機可以通過截割頭的轉(zhuǎn)動、懸臂的伸縮和擺動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、截割對象及驅(qū)動方式五個主要方面 [22]，可將懸臂式掘進機按圖 1.1 所示進行分類。懸臂式掘進機主要由截割部、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)、第一運輸機及潤滑系統(tǒng)組成 [6]，其總體結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示。EBZ260 掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計2圖 1.1 懸臂式掘進機分類Fig. 1.1 Classification of the cantilever roadheader截割部分別由截割頭、伸縮部、截割減速機和截割電機組成，有的型號的掘進機沒有伸縮部，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)動裝置和從動輪裝置，主要功能是裝載由截割機構(gòu)破碎下的煤巖、支撐整機、清理底板功能等；本體部包括回轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)架、本體架和本體蓋板，其中本體架作為機器的最大零件，承受著機器工作過程中產(chǎn)生的載荷，作為本體架和支撐懸臂的連接體，回轉(zhuǎn)臺具有可實現(xiàn)截割頭的鉆進掏槽、掃落煤巖、懸臂的升降和回轉(zhuǎn)等各項運動的重要作用，同時，回轉(zhuǎn)臺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、履帶鏈、履帶架、減速機、支重輪等零部件，主要用于承擔(dān)整機的重量，支承和平衡掘進機在工作過程中受到的所有作用力和反作用力，同時完成機器作業(yè)過程中的行走和回轉(zhuǎn)動作；液壓系統(tǒng)由油缸、馬達、操縱臺、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)行機構(gòu)的工作，例如行走馬達、星輪馬達、3第一運輸機馬達、內(nèi)噴霧泵馬達的驅(qū)動和截割頭上下左右的移動，鏟板的升降，后支撐腿的升降，履帶和一運的漲緊，還有為錨桿機提供動力接口；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-第一運輸機圖 1.2 懸臂式掘進機的總體結(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)備在截割時的振動和橫向滑動，同時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、機車燈、報警儀、急停按鈕以及油泵電機、截割電機、二運電機等部件組成，懸臂式掘進機電氣系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)配合操作可以自如的實現(xiàn)整機的各種生產(chǎn)作業(yè)，同時其還具有發(fā)出警告、顯示機器工作情況和故障狀態(tài)等功能；第一運輸機包括前溜槽、后溜槽、刮板鏈組件、漲緊裝置和驅(qū)動裝置，主要用于將裝載機構(gòu)裝載起來的物料運輸?shù)睫D(zhuǎn)載結(jié)構(gòu)中；潤滑系統(tǒng)主要分為自動潤滑系統(tǒng)和集成潤滑系統(tǒng)，其中自動潤滑系統(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。EBZ260 掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計4懸臂式掘進機的工作步驟為 [7]：(1) 將工作面清理干凈，使鏟板臥底到正確的位置； (2) 掘進機通過履帶行走機構(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； (3) 截割電機開始工作，截割頭在電機的帶動下在工作面進行截割； (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構(gòu)裝入第一運輸機；(7) 將第一運輸機中的煤巖裝入運輸機或礦車；(8) 通過液壓支架支護巷道，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，應(yīng)先截割硬巖周圍部分并使其墜落，避免勉強截割。1.1.2 懸臂式掘進機的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀 [8] [19](1) 國外發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀1949 年，第一臺懸臂式掘進機在匈牙利研制成功。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)用到懸臂式掘進機的設(shè)計與制造中，因此懸臂式掘進機的研制工作有了突破性的進展，所以生產(chǎn)實踐中被廣泛應(yīng)用。5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)的掘進機在世界上比較著名，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-埃可霍夫掘進機技術(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)的懸臂式掘進機已經(jīng)累計達到 5000 臺，近 100 余種機型。國外懸臂式掘進機的發(fā)展歷程為：1) 四十年代末期至六十年代中期，懸臂式掘進機雛形結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本形成，主要用于掘進軟煤巷道，機重 15t 左右，代表機型有匈牙利全國礦山機械研究所的 F5、烏克蘭的ПК-3 等；2) 六十年代中期至七十年代末期，煤巷掘進機蓬勃發(fā)展，機重 20-40t 左右，代表機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機開始成熟時期，出現(xiàn)大量的重型機器，機重可達到 50t 左右，同時其具有完善的功能和較高的可靠性，代表機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，重型機機重增加至 70t 以上，切割硬度 100Mpa 以上，懸臂式掘進機配備高新技術(shù)向巖巷掘進機轉(zhuǎn)型。5) 上世紀(jì)末至今，該時期懸臂式掘進機的截割功率可到達 300kw，截割系數(shù)達到 12，機身重量可升至 100t 以上，截割斷面達到 42m2 左右，可在縱向±16°、橫向 8°的斜坡上工作，同時還具有實時監(jiān)控、電機功率自動調(diào)節(jié)、離機遙控操作及工況監(jiān)測和故障診斷等機電一體化功能。近年來，國外的懸臂式掘進機的研制工作主要圍繞以下幾個方面進行： 1) 逐步提升截割功率，提高機器的可靠性； 2) 掘進機的配套設(shè)備多樣化； 3) 為了是掘進機實現(xiàn)自動化，采用機電一體化技術(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)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀 相比國外掘進機的發(fā)展歷史，我國研制掘進機的工作起步則比較晚，從我國掘進機的發(fā)展歷史看，可分為仿制階段、引進并消化吸收階段、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EBZ260 掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計6懸臂式掘進機，這是我國對懸臂式掘進機的初步探索，可惜的是由于仿制出的掘進機性能不穩(wěn)定并沒有推廣使用。2) 引進并消化吸收階段 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)等國引進多種機型，并對其進行消化、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機，積累研究經(jīng)驗，并通過消耗吸收，我國實現(xiàn)了對懸臂式掘進機的國有化，其中與匈牙利合作生產(chǎn)的 AM-50 型號懸臂式掘進機和與日本合作生產(chǎn)的 S-100 型號懸臂式掘進機當(dāng)屬典型，隨后，我國又自行研發(fā)出多種型號的懸臂式掘進機，其水平已經(jīng)達到世界先進行列；4) 自主創(chuàng)新階段 二十年代八十年代末期至今，我國懸臂式掘進機的研制重點轉(zhuǎn)向重型及個性化機型，以適應(yīng)礦井生產(chǎn)的需要，此階段以 EB 型、JEL 型、EBH 型和 EBZ 型為代表機型，其掘進技術(shù)可與國外先進水平持平，由此證明我國懸臂式掘進機的研制工作已經(jīng)進入世界先進領(lǐng)先行列。1.2 懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀懸臂式掘進機的主要執(zhí)行機構(gòu)主要由液壓控制系統(tǒng)來驅(qū)動，而且整機的工作穩(wěn)定性直接取決于液壓系統(tǒng)的好壞。隨著懸臂式掘進機的發(fā)展，液壓控制系統(tǒng)也發(fā)生了一系列的變化。為了保護環(huán)境，節(jié)約能源，人們在對懸臂式掘進機進行設(shè)計時不僅僅要求液壓控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能，同時更加關(guān)注其是否具有節(jié)能特性，因此懸臂式掘進機液壓控制系統(tǒng)的發(fā)展大致可以分為以下三個階段：第一階段：節(jié)流調(diào)速控制系統(tǒng)階段 [4]在懸臂式掘進機液壓控制系統(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)其運動速度。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)點是結(jié)構(gòu)簡單、容易設(shè)計且能夠滿足工程機械的基本要求，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)7流損失、發(fā)熱、能量利用率低和動態(tài)載荷下運動的不平穩(wěn)性行等缺點，所以該系統(tǒng)只在一些小型設(shè)備上應(yīng)用。(a)進口節(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，為了實現(xiàn)掘進機的節(jié)能，負載敏感控制技術(shù)逐漸發(fā)展起來。負載敏感控制技術(shù)是指利用負載敏感控制閥感應(yīng)出負載變化的信號，并自動將負載所需壓力、流量和功率等信號反饋到負載敏感控制閥彈簧腔和變量泵變量控制機構(gòu)的敏感腔，使其壓力發(fā)生變化，從而調(diào)整供油單元的運行狀態(tài)，使其僅向系統(tǒng)提供負載所需要的壓力、流量和功率等，最大限度的減少能量損失，達到節(jié)能的目的。負載敏感控制系統(tǒng)的原理圖如圖 1.5 所示，負載敏感控制技術(shù)可以節(jié)約設(shè)備的空間，還可以大幅度提高原動機的利用效率和減小系統(tǒng)發(fā)熱，所以在車輛、工程機械以及其他機械設(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載所需的流量時便失去了負載敏感功能，此時負載較大的執(zhí)行機構(gòu)分配的流量不能滿足其工作的需求，速度相應(yīng)會降低，直至為零，設(shè)備的動作失去協(xié)調(diào)性。為了克服負載敏感控制閥上述缺點，LUDV 控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，原理如圖 1.6 所示。LUDV 控制技術(shù)又稱負載獨立流量分配技術(shù)，它是利用梭閥機構(gòu)將負載最大壓力傳遞給變量泵和所有的壓力補償閥并對負載壓力比較低的回路進行壓力補償?shù)囊簤嚎刂萍夹g(shù)。這種 LUDV 控制液壓系統(tǒng)自動并且按比例地為EBZ260 掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計8各執(zhí)行機構(gòu)分配流量而不是單純地流向負載較低的執(zhí)行機構(gòu)。在采用 LUDV 控制技術(shù)的液壓控制系統(tǒng)中，變量泵和各個回路的壓力補償閥將接受來自于梭閥感應(yīng)到的系統(tǒng)最大負載壓力，使得多路控制閥的輸出壓力均小于系統(tǒng)的最大負載壓力。由于壓力補償閥的存在，使得各個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，各多路控制閥閥口仍然具有相同的壓差，各執(zhí)行機構(gòu)的運動速度與外負載大小無關(guān)，此時，各個執(zhí)行機構(gòu)的運動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)行機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)工作。本論文掘進機的液壓控制系統(tǒng)采用負載獨立流量分配技術(shù)。圖 1.5 負載敏感控制系統(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，巷道掘進速度的提高，使掘進機不僅應(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)濟效益。懸臂式掘進機包括機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，以往人們對懸臂式掘進機所進行的研究均是對單個子系統(tǒng)進行研究，機械工程師、液壓工程師和控制工程師在各自領(lǐng)域進行相應(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)進行調(diào)試，這樣設(shè)計出來的物理樣機即使各個系統(tǒng)單方面均達到預(yù)期目標(biāo)，但將其整合起來，整機性能未必能實現(xiàn)最優(yōu)化。本論文將整體設(shè)計掘進機的液壓系統(tǒng)，并且驗證系統(tǒng)的控制特性，將各個領(lǐng)域的工程師處于同一個平臺中，采用協(xié)同仿真的方法對懸臂式掘進機的性能進行研究，這樣可以及時的發(fā)現(xiàn)各個系統(tǒng)中的不兼容性并采取有效的應(yīng)對措施，這樣建造出的物理樣機不僅減少了出故障的風(fēng)險，同時也大幅度的降低了成本，具有實用價值。91.3.2 本課題研究的主要內(nèi)容(1)根據(jù) EBZ260 型掘進機工況對其液壓控制系統(tǒng)進行設(shè)計，并對其系統(tǒng)的參數(shù)匹配及其關(guān)鍵元件進行研究；(2)在對負載敏感技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，對采用節(jié)流調(diào)速、負載敏感控制技術(shù)(LS)及負載獨立流量分配控制技術(shù)(LUDV)的液壓控制系統(tǒng)進行了解對比研究，從而更直觀地了解LUDV 這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點；(3)對 EBZ260 型掘進機液壓控制系統(tǒng)的行走、截割、鏟板及后支撐回路系統(tǒng)進行簡化，并選取截割升降回路進行仿真研究，并對系統(tǒng)中部分關(guān)鍵元件進行仿真分析；(4)負載敏感閥參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)特性影響進行仿真研究，從而為掘進機液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計及變量泵的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)及研究方向。EBZ260 掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計102 掘進機工作過程介紹及回路設(shè)計2.1 懸臂式掘進機的工作過程介紹懸臂式掘進機是集截割、裝運、行走于一體的綜合化工作機組，其工作條件和環(huán)境極其惡劣，工作狀況也隨機多變。懸臂式掘進機的作業(yè)過程主要由以下幾個動作組成：行走、支撐、截割、裝運以及其它輔助動作。由于懸臂式掘進機的工作對象及工作條件變化較大，考慮到節(jié)能等因素則需對液壓系統(tǒng)做一定的要求：①掘進機在控制各執(zhí)行機構(gòu)進行工作時，其所受到的工作阻力與執(zhí)行機構(gòu)的作業(yè)速度隨時發(fā)生變化，因此，要求各執(zhí)行機構(gòu)(液壓缸和液壓馬達)的工作壓力和流量也能實時地發(fā)生相應(yīng)的變化。對本機來說，這一點靠負載敏感控制技術(shù)來實現(xiàn)；②為了最大限度地利用電機功率、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需同時工作。對于本機來說，為了保證這兩個機構(gòu)能同時互不影響地工作，采用了雙聯(lián)泵分別對這兩個執(zhí)行機構(gòu)供油。懸臂式掘進機一個工作循環(huán)主要包括以下幾點:(1)行走及支撐：在行走過程中，馬達驅(qū)動行走機構(gòu)實現(xiàn)前進、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)條件對掘進機的行走有很大影響。近年來，掘進機的行走機構(gòu)一般主要由液壓馬達驅(qū)動。對于本機，其行走機構(gòu)是由進口力士樂的插入式定量馬達進行驅(qū)動。當(dāng)掘進機行走到合適的位置時，啟動支撐系統(tǒng)，以便進行擺動截割。(2)截割：在掘進機開始截割前，啟動噴霧系統(tǒng)。掘進機在截割過程中，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截割產(chǎn)生很大的影響。且掘進機的截割工況還受截割機構(gòu)本身條件(截割速度、截齒布置、牽引速度)的影響。對于懸臂式掘進機來說，最佳的截割工況是煤質(zhì)好、單位能耗小及整機承受的動負載小。懸臂式掘進機的截割過程主要由兩種截割方式來完成：①鉆進截割；②移動截割：上下移動截割和水平移動截割。鉆進截割時主要靠行走機構(gòu)的前進來配合完成。當(dāng)截割頭截割到一定深度時，驅(qū)動懸臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)使懸臂橫向擺動從而進行水平截割，當(dāng)截割到巷道邊界時，再沿垂直方向截割一定的高度，然后再轉(zhuǎn)向水平擺動截割，如此地往復(fù)循環(huán)，直到完成對巷道工作面的完整截割。(3)裝運：在進行截割的同時，需啟動裝運馬達進行裝運工作。裝運機構(gòu)分別由四臺進口低速大扭矩液壓馬達驅(qū)動。其中，裝載機構(gòu)分別由兩臺馬達驅(qū)動；第一運輸機分別由兩臺馬達驅(qū)動。在裝運過程中，很可能出現(xiàn)兩個弧形五齒星輪受力不均而導(dǎo)致星輪轉(zhuǎn)速不同。對于本機，采用了壓力補償閥從而保證了流向這兩個馬達的流量基本不變，維11持了星輪的轉(zhuǎn)速。綜上所述，掘進機在整個掘進過程中裝載馬達、運輸馬達及內(nèi)噴霧馬達同時工作，這兩種執(zhí)行機構(gòu)分別由兩臺泵進行驅(qū)動。則懸臂式掘進機的整個工作循環(huán)為：啟動隔離開關(guān)，然后啟動水路系統(tǒng)，再開啟油泵電機，然后操作人員扳動行走操縱手柄，驅(qū)動行走機構(gòu)行走至合適的位置，然后啟動噴霧系統(tǒng)，接著啟動截割電機依靠行走機構(gòu)的前進來實現(xiàn)鉆進截割，當(dāng)截割達到一定深度時，啟動支撐系統(tǒng)，從而進行左右上下截割。在進行截割的同時需啟動裝運機構(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)計的懸臂式掘進機的實際工況的使用要求，并參考《MTT238.2-2008 懸臂式掘進機第 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)計的掘進機是某公司的 EBZ260 掘進機，該機采用的系統(tǒng)壓力再對照掘進機系統(tǒng)額定壓力參數(shù)表，選取的系統(tǒng)額定壓力為 25 。MPa表 2-1 懸臂式掘進機系統(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)計的掘進機盡量不采用括號內(nèi)數(shù)值2.3 液壓系統(tǒng)的液壓控制分析懸臂式掘進機設(shè)計上采用目前先進的液壓系統(tǒng)控制技術(shù)——LRDS 控制系統(tǒng)。LRDS控制系統(tǒng)通過負載敏感閥、壓力切斷閥和恒功率閥來實現(xiàn)對系統(tǒng)流量和壓力的控制，從而使各液壓元件動作滿足操作者需求和負載變化，避免了流量損失，同時控制系統(tǒng)最高壓力，防止系統(tǒng)壓力過高，損壞液壓元件。本機控制系統(tǒng)具有負載敏感控制、壓力切斷和恒功率控制功能。2.3.1 負載敏感控制 [11]負載敏感控制技術(shù)是一種能夠感應(yīng)液壓系統(tǒng)壓力和流量需求，從而提供負載所需的壓力和流量的液壓控制技術(shù)。該負載敏感系統(tǒng)中所需的主要元件有負載敏感變量泵和敏感控制閥，共同組成閉中心負載敏感控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的變量泵需具有一個負載敏感閥，當(dāng)系統(tǒng)不工作時，負載敏感閥使變量泵能夠在較低的壓力下保持待機狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)工作時，負載敏感閥感應(yīng)系統(tǒng)流量的需求并促使泵提供所需的流量，同時在系統(tǒng)工況發(fā)EBZ260 掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計12生變化時該閥能夠根據(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)外部負載變化時，系統(tǒng)的工作壓力也隨之變化，這就需要一個具有特殊感應(yīng)負載壓力的控制閥，即負載敏感控制閥（方向閥） ，以實現(xiàn)負載敏感控制系統(tǒng)的完整控制性能。當(dāng)液壓系統(tǒng)不工作，處于待機狀態(tài)時，控制閥必須切斷動作油缸（或馬達）與變量柱塞泵之間的壓力信號，此時變量柱塞泵自動轉(zhuǎn)入低壓待機狀態(tài)。當(dāng)控制閥轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)時，控制閥先從動作油缸（或馬達）得到壓力-流量的需求，并將壓力-流量信號傳遞給變量泵，使變量泵對系統(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。這種負載敏感變量柱塞泵與負載敏感控制閥組成的閉式負載敏感控制系統(tǒng)使整個液壓系統(tǒng)具有根據(jù)負載情況提供所需壓力-流量的特性，此即負載敏感控制技術(shù)的基本功能。一般情況下，負載敏感控制閥里還具有壓力補償閥，以確保流向各執(zhí)行機構(gòu)的流量。圖 2.1 為負載敏感控制系統(tǒng)原理示意圖。圖 2.1 負載敏感控制系統(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 ，負載敏感閥的彈簧調(diào)定壓力為 Fs=2MPa。其工作過程的三個階段如下：MPa（1）低壓待機狀態(tài)。在系統(tǒng)剛啟動的瞬間，由于系統(tǒng)未建立起壓力，負載敏感閥閥芯在彈簧預(yù)緊力的作用下被推至最左端，油液未進入變量活塞缸，此時變量泵斜盤傾角最大。當(dāng)系統(tǒng)正常啟動，變量泵開始進行供油，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入負載敏感閥中。當(dāng)油液壓力超過負載敏感閥的13彈簧預(yù)緊力 2 時，敏感閥閥芯右移，油液進入變量活塞缸中，變量活塞缸的活塞右MPa移，從而推動斜盤傾角減小，變量泵排量減小。當(dāng)變量泵出口壓力 PP 達到與負載敏感閥的彈簧調(diào)定壓力 2 相同時，斜盤傾角減小至近乎為零，此時變量泵處于低壓待機狀態(tài)。在此狀態(tài)下，變量泵只提供補償內(nèi)部泄漏的流量以保持與負載敏感閥彈簧調(diào)定壓力 2 平衡。 Pa（2）正常工作狀態(tài)。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)工作導(dǎo)致液壓缸活塞移動時，液壓缸內(nèi)的壓力油（即負載壓力 PL）將通過控制閥內(nèi)的通路，流經(jīng)負載敏感單元（梭閥） ，從而進入負載敏感閥右邊彈簧腔內(nèi)。其力平衡方程為： 即： PLSAF????（2-11） /p式中：A 為負載敏感閥活塞受壓面積。 此時負載壓力 PL 和彈簧預(yù)緊力 FS 共同作用于負載敏感閥右端，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)流量達到所需流量即受力平衡時，控制閥前后的壓差即為負載敏感閥彈簧的調(diào)定壓力，則變量泵的實際出口壓力 PP 為負載壓力 PL 和彈簧預(yù)緊力 FS 之和，流量也剛好達到所需求的流量。 （3）高壓待機狀態(tài)。當(dāng)液壓缸活塞運動到終點時，油路中的液流停止流動，方向閥兩端的壓力趨于相等，作用于負載敏感閥兩端的壓力也相等，則負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，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，MPa高壓油通過該切斷閥進入變量活塞缸中，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狀態(tài)。2.3.2 壓力補償 [15]壓力補償是將壓差設(shè)定為規(guī)定值進行的自動控制，是為了消除系統(tǒng)過載時的溢流損失，來代替溢流閥的一種壓力調(diào)節(jié)控制。當(dāng)負載較大時，為保證正常工作，泵輸出壓力要與最高負載壓力相適應(yīng)，負載壓力較低的回路采用壓力補償，以使閥口壓差保持定值。壓力補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。EBZ260 掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計14當(dāng)泵進入壓力補償控制時，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出口，使閥桿進出口壓差保持不變，通過改變閥的開度，控制流量，使其不受負載和液壓泵流量影響。各閥口入口處設(shè)壓力補償控制閥，使泵的出口油壓和最大負荷執(zhí)行器油壓之間保持一定，對泵的排量、流量進行調(diào)節(jié)。即使泵輸出流量不足，不能滿足多路閥閥口上負荷傳感壓差，但在壓力補償閥的作用下，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)行機構(gòu)的工作速度會降低，但各執(zhí)行機構(gòu)的工作速度之間的比例關(guān)系仍保持不變，從而保證了動作的準(zhǔn)確性。2.3.3 恒功率控制恒功率控制機構(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)動轉(zhuǎn)速下不會超過預(yù)定的驅(qū)動功率。常見的恒功率控制系統(tǒng)主要是依靠彈簧位移，即力反饋和機械位置反饋來實現(xiàn)的，根據(jù)外負載的增大減小泵的排量。也就是說，油缸的壓力隨負載增大而增大，系統(tǒng)會自動調(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)代機械多采用雙泵系統(tǒng)，以提高復(fù)合動作的準(zhǔn)確性。工作壓力在活塞上施加一個液壓力，柱塞泵控制活塞使搖臂擺動。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15動控制閥，使變量泵朝零輸出方向擺動。2.4 液壓系統(tǒng)基本回路設(shè)計2.4.1 行走部回路設(shè)計因為本文所設(shè)計的掘進機應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎，所以行走機構(gòu)的左行走和右行走應(yīng)由兩臺馬達分別驅(qū)動，所以在回路設(shè)計中應(yīng)將行走機構(gòu)的回路分開，分別進行單獨控制，以便實現(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)計了 3個基本回路，分別為緩沖回路、限速回路和制動回路。接下來對這三種基本回路進行分析：1) 緩沖回路。由于掘進機自重大，所以慣量很大，在掘進機啟動、制動和突然換向時會引起很大的液壓沖擊，特別是掘進機在行走過程中遇到緊急情況突然剎車。這些情況產(chǎn)生的液壓沖擊會使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪音，甚至?xí)茐恼麄€系統(tǒng)。而所設(shè)計的緩沖回路就是利用緩沖閥等元件使液壓馬達高壓腔的油液超過一定壓力時能夠通過別的出路回到郵箱。2) 限速回路。掘進機因自重很大，在下坡的時候會由于自重很大加速，可能導(dǎo)致掘進機速度很大而發(fā)生事故，并且速度很大會使行走馬達發(fā)生吸空現(xiàn)象甚至破壞。通過對這些情況的分析，在所設(shè)計的行走液壓回路中應(yīng)有限速和補油回路，控制行走馬達的轉(zhuǎn)速在安全范圍內(nèi)，所以添加一個限速閥，構(gòu)成限速回路。限速閥的控制通道大，行走馬達的轉(zhuǎn)速快，控制通道小則相反，這樣能夠達到控制行走馬達轉(zhuǎn)速的目的。使回油通過節(jié)流閥是最簡單的限速方法，掘進機行走一旦超過了安全速度，進油路供油不夠，壓力就會降低，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，從而防止了掘進機因超速而引發(fā)的事故，保證了掘進機和人員的安全。3) 制動回路。制動回路主要是由 BVD 制動閥和制動器組成。制動器的開啟為液壓控制，BVD 制動閥控制制動器的油壓力。當(dāng)換向閥閥芯處于左右位時，高壓油經(jīng)過換向閥流向液壓馬達，壓力油通過 BVD 制動閥進入制動油缸，壓縮彈簧，制動解除，掘進機向前或向后行走，無論馬達的哪根油管供油，都能使制動器打開，制動性能可靠。當(dāng)掘進機停止行走時，馬達停止供油，制動油缸的壓力油回油箱，回轉(zhuǎn)制動器在彈簧的作用下制動，轉(zhuǎn)子被制動，防止掘進機自行下滑，行走機構(gòu)的液壓回路不工作時，制動器處于閉鎖狀態(tài)。綜合以上三個回路設(shè)計，最終設(shè)計出的行走部液壓回路圖如 2.3 所示。EBZ260 掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計16左行走裝置 右行走裝置123451-制動器 2-行走馬達 3-緩沖閥 4-限速閥 5-BVD 制動閥圖 2.3 行走部液壓回路原理圖Fig.2.3 walking circuit diagram Ministry2.4.2 截割部回路設(shè)計（1） 截割部升降回路設(shè)計截割部升降回路設(shè)計主要是為了滿足掘進機截割部能夠?qū)崿F(xiàn)上下動作，并且能夠在上下任意位置實現(xiàn)截割動作。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，升降油缸沒有動作；當(dāng)換向閥分別位于左位或者右位時，高壓油進入升降油缸的上下腔，使截割機構(gòu)實現(xiàn)升降動作，實現(xiàn)了懸臂的升降過程。為了保證兩個升降油缸的運動平穩(wěn)性和協(xié)調(diào)性，同時也保證掘進機在上下任意位置起到液壓鎖的作用，所以在回路設(shè)計中添加了一個平衡閥。設(shè)計的升降油缸回路如圖 2.4 所示。（2） 截割部回轉(zhuǎn)回路設(shè)計截割部回轉(zhuǎn)回路設(shè)計主要是為了滿足掘進機的截割部能夠?qū)崿F(xiàn)左右截割動作，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，回轉(zhuǎn)油缸沒有動作；當(dāng)換向閥分別位于左位或者右位時，高壓油進入一個油缸的有桿腔和另一個油缸的無桿腔，使得一個油缸縮回另一個油缸伸出，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)動作，使截割臂構(gòu)實現(xiàn)左右擺動動作。為了保證兩個回轉(zhuǎn)油缸的運動平穩(wěn)性和協(xié)調(diào)性，在回路設(shè)計中添加一個平衡閥，同時平衡閥也起到液壓鎖的作用。設(shè)計的回轉(zhuǎn)油缸回路如圖 2.5 所示。1712341-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 circuitschematics schematics2.4.3 鏟板部回路設(shè)計（1） 星輪回路設(shè)計參照目前煤礦現(xiàn)場使用的掘進機星輪回路，本文設(shè)計的 EBZ260 型掘進機星輪回路設(shè)計上采用低速大扭矩馬達直接驅(qū)動，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載運行時不發(fā)生意外事故或者損壞馬達、電機，此回路設(shè)計上應(yīng)該添加限壓回路，從而是星輪發(fā)生上述情況時可以自動卸載保證液壓系統(tǒng)和液壓元件的安全。如圖 2.6 所示。（2） 鏟板油缸回路設(shè)計兩個鏟板油缸的協(xié)同工作使得鏟板部能夠?qū)崿F(xiàn)上下動作，從變量泵輸出的高壓油經(jīng)多路閥進入油缸上下腔，控制兩個油缸活塞同時前后動作，完成升降動作，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)計的鏟板油缸回路如圖 2.7 所示。EBZ260 掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計181234561-馬達 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 hydraulichydraulic circuit schematics circuit schematics2.4.4 后支撐部回路設(shè)計后支撐部的升降動作是由兩個液壓缸共同作用完成的，后支撐部的作用是在掘進機在工作時提供支撐力，使截割過程更加平穩(wěn)，同時需要與鏟板部共同承擔(dān)掘進機機重。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械運動平穩(wěn)性，同時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。12341-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 diagram192.4.5 第一運輸機回路設(shè)計第一運輸機的作用是將鏟板部裝載的煤或巖石運送到掘進機后面，與鏟板部共同完成裝運工作。目前煤礦井下現(xiàn)場使用的掘進機有的采用 1 個低速大扭矩馬達直接驅(qū)動，有的采用 2 個低速大扭矩馬達直接驅(qū)動，雖然它們在數(shù)量上不同，但是總功率是一樣，由于設(shè)計考慮到掘進機的維護問題，因為多了一個執(zhí)行元件就多了一個故障點，所以掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計上采用 1 個低速大扭矩馬達直接驅(qū)動。設(shè)計回路時考慮到過載保護問題，所以在回路中添加了限壓回路來保護馬達。設(shè)計的第一運輸機馬達回路如圖 2.9 所示。12341-馬達 2-限壓閥 3-換向閥 4-溢流閥圖 2.9 第一運輸機馬達回路圖Fig.2.9 The first conveyor circuit diagram2.4.6 多負載回路設(shè)計掘進機的行走部的兩臺馬達分別驅(qū)動，且各自不能相互干擾，所以采用力士樂的二聯(lián)閥進行控制。在掘進機進行截割時，裝載及運輸機構(gòu)必須同時工作，以防止造成煤巖的堆積。由于裝載機構(gòu)須有兩臺馬達分別驅(qū)動，且各自不能相互干擾，需保持同步工作，所以裝載機構(gòu)的兩臺馬達和第一運輸機馬達采用力士樂的三聯(lián)閥進行控制。掘進機截割升降回路、截割回轉(zhuǎn)回路、鏟板升降回路、后支撐回路、內(nèi)噴霧馬達和備用回路共同采用力士樂六聯(lián)閥進行控制。采用 M4 閥和博世力士樂 A11VLO 系列泵可以使回路都需具EBZ260 掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計20有負載敏感、壓力切斷、壓力補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。213EBZ260 型掘進機工況分析及液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)計算在計算液壓系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的外負載時，需要通過對掘進機的工況進行分析，再進行參數(shù)計算，首先我們得先了解執(zhí)行機構(gòu)的外負載都包括哪些，具體如下：對于液壓缸，外負載為：(3-1)ifcF??式中： —工作負載；F—摩擦負載；f—慣性負載。i對于液壓馬達，外負載為：(3-2)ifnM??式中： —工作負載扭矩；M—摩擦阻力矩；f—慣性力矩。i3.1 行走部的參數(shù)計算3.3.1 單側(cè)履帶行走機構(gòu)裝置所需最小功率掘進機的行走機構(gòu)由馬達驅(qū)動，分為左行走、右行走兩部分。在這里考慮單側(cè)履帶行走機構(gòu)驅(qū)動裝置所需最小功率。(3-3)?4min106???wiVFP式中 —單側(cè)履帶行走機構(gòu)裝置所需最小功率， ；minP K—單側(cè)履帶行走機構(gòu)各種外阻力， ；iFN—履帶行走機構(gòu)工作時的行走速度， ； WV/min—履帶鏈的機構(gòu)傳動效率，包括行走減速器和履帶傳動效率。有支重輪時取?0.89～0.92，無支重輪時取 0.71～0.74；機器行走時的各種阻力，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)向工況來分析計算。EBZ260 掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計22(1)行走阻力 R當(dāng)水平行走時， ，則 ；0??Gf0當(dāng)爬坡時， ，則 ；18??sinco?式中 ——掘進機重量； ——坡角； ——滾動阻力系數(shù)， 。Gf 0.1f?(2)轉(zhuǎn)向阻力 rF當(dāng)掘進機在水平或坡度巷道底板上轉(zhuǎn)向時，它的懸臂置于機器中間位置，兩履帶載荷是相同的。這時，兩履帶同時驅(qū)動，一履帶前進，另一履帶后退，轉(zhuǎn)向阻力矩 將在rM兩條履帶上形成同樣大小的牽引力 ，即rF(3-4)??cos)41(2LnBGMrr ??式中 ——單邊履帶行走機構(gòu)承受的掘進機重量 ； 1G1/——單邊履帶行走機構(gòu)的接地長度；L——兩條履帶的中心距；B——掘進機重心與履帶行走機構(gòu)的接地形心的縱向偏心距；n——轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)， ；對褐煤底板為 0.6；對有石子的地面為?0.98??0.8～0.9；對砂、頁巖底板為 0.96；取 。5所以，綜合外阻力值，在水平轉(zhuǎn)向和爬坡轉(zhuǎn)向時各不相同。水平轉(zhuǎn)向時，；爬坡轉(zhuǎn)向時， 。綜上所述，單側(cè)履帶行走機構(gòu)驅(qū)2irFR???cos2si rFR????動裝置所需最小功率為 26 。為了能夠使行走部穩(wěn)定的行走并且為了防止突發(fā)情況的發(fā)Kw生，行走部的功率設(shè)定為 2×35 。3.3.2 行走部最大牽引力計算履帶行走機構(gòu)的最小牽引力應(yīng)滿足掘進機在最大設(shè)計坡度上作業(yè)、爬坡和在水平路面上轉(zhuǎn)彎等工況的要求，最大牽引力應(yīng)小于在水平路面履帶的附著力。一般情況下，履帶行走機構(gòu)轉(zhuǎn)彎不與掘進機作業(yè)、爬坡同時進行，而掘進機原地轉(zhuǎn)彎時，單邊履帶的牽引力為最大，即最大牽引力:23(3-5)2141GLnTRB??????????(3-6)1f—單邊履帶對地而的滾動阻力；1R—履帶與地面之間的轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)， 取 1.0；??—履帶接地長度，L 取 3.38 ；m—兩履帶的中心距，B 取 2.63 ；—掘進機重心與履帶行走機構(gòu)接地形心的縱向偏心距離， 取 1.3 ；n nm—履帶與地面之間滾動阻力系數(shù)， 取 0.1；f f—掘進機整機的重力， 取 900 ；GGKN—單邊履帶行走機構(gòu)承受的掘進機重量， ；1 14502GKN?由以上數(shù)據(jù)可得 ；在滿足接地比壓的情況下，履帶接地長度要盡量小，1326T?以減少牽引阻力， 推薦值 之間。LB.:3.3.3 單側(cè)履帶行走機構(gòu)輸出扭矩與輸出轉(zhuǎn)速的確定根據(jù)佳木斯機械有限公司的 EBZ260 掘進機整機技術(shù)參數(shù)表可知，行走部驅(qū)動輪分度圓直徑為 D=674mm。在正常工作的情況下，通過對行走部的工況分析可知，掘進機在上坡轉(zhuǎn)向時所需要提供的牽引力最大，即： 。326FKN?則單側(cè)履帶行走機構(gòu)輸出扭矩 ：T； (3-7)2D?m?根據(jù)公式(3-7)和已知的技術(shù)參數(shù)計算得出行走部的輸出扭矩為 55000 。Nm?根據(jù) EBZ260 掘進機的設(shè)計技術(shù)要求可知，掘進機最高行走速度為 7 ，則單側(cè)/in履帶行走機構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速 ：n； (3-8)Dv??/minr把數(shù)據(jù)代入公式(3-8)得：