矿用顶管掘进机顶进液压系统研究.pdf

第 4 3卷 第 6 期 2 0 1 7年 6月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 43 No ． 6 J u n ．2 01 7 ’ ’ ⋯ ’ ’ i 科研成果 -． ． 1⋯ ． ⋯ ◆ II◆ 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 6 0 0 0 1 0 5 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 7 ． 0 6 ． 0 0 1 王雷 ， 李梁 ， 张黎， 等． 矿用顶管掘进机顶进液压系统研究E J J ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 6 1 5 ． 矿用顶管掘进机顶进液压系统研究 王雷 ， 李梁。 ， 张黎 ， 王宇名 1 ． 大 连理 工大 学 机械 工程 学 院 ，辽宁 大 连 1 1 6 0 2 3 ； 2 ． 中煤 科工集 团沈 阳研 究 院有 限公 司 ， 辽 宁 抚 顺1 1 3 1 2 2 摘 要 针 对煤 矿 井 下顶 管施 工 中顶进 系统 的 4个油缸 出现 不 同顶进 速度 时会 引起 顶 管方 向偏移 的 问题 ， 设计 了一种 基 于 负载敏 感控制 技 术的矿 用顶管掘 进机 顶进 液 压 系统 ， 介 绍 了顶 管掘 进 机 结构和 工作 原理 ， 详 细分析 了液压 系统工作原理和参数计算。液压 系统采用电液控制的四联 负载敏感多路 阀调节油泵流量和压 力 ， 使 得 每 个顶进 油缸 的速 度 不 受外部 负载 变化 的影 响 ， 从 而 实现 了同步 顶进 ， 减 少 了各 油缸 顶 进速 度 不均 衡 造 成 的顶偏 现 象 。 关 键词 煤炭 开采 ；顶 管掘进 机 ； 顶 进液 压 系统 ； 顶进 速度 ；负载敏 感控 制 ；电液 比例控 制 中 图分类 号 T D6 3 2 ． 2 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 7 0 5 - 2 6 0 9 1 7 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 0 5 2 6 ． 0 9 1 7 ． 0 0 1 ． h t ml Re s e a r c h o n j a c k i n g h y d r a u l i c s y s t e m o f mi n e u s e d p i p e j a c k i n g ma c h i n e W ANG Le i 一，LI Li a ng ， ZH ANG Li ， W A NG Yu m i n g 。 1 ． Co l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g ，Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Da l i a n 1 1 6 0 2 3 ，Ch i n a ； 2． C CTEG S h e n y a n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，F u s h u n 1 1 3 1 2 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e p r o b l e m t h a t i t wi l ll e a d t o j a c k i n g d i r e c t i o n o f f s e t wh i l e f o u r o i l c y l i n d e r s i n t h e j a c k i n g s y s t e m f o r u n d e r g r o u n d c o a l mi n e j a c k i n g c o n s t r u c t i o n h a d d i f f e r e n t j a c k i n g s p e e d s ，a p i p e j a c k i n g h y d r a u l i c s y s t e m b a s e d o n l o a d s e n s i t i v e c o n t r o l t e c h n o l o g y wa s d e s i g n e d．Th e s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f p i p e j a c k i n g ma c h i n e ，wo r k i n g p r i n c i p l e a n d p a r a me t e r s c a l c u l a t i o n o f h y d r a u l i c s y s t e m we r e a n a l y z e d i n d e t a i l s．The hy dr a u l i c s y s t e m us e s e l e c t r o hy dr a ul i c c o nt r o l l e d q ua d r up l e l o a d s e n s i t i v e mu l t i wa y v a l u e s t o r e g u l a t e p u mp f l o w a n d p r e s s u r e S O t h a t t h e s p e e d o f e a c h j a c k c y l i n d e r i s n o t a f f e c t e d b y e x t e r n a l l o a d c h a n g e s ，a n d s y n c h r o n o u s j a c k i n g i s a c h i e v e d，a n d d i r e c t i o n o f f s e t p h e n o me n o n c a u s e d b y i mb a l a n c e o f j a c k i n g s p e e d o f f u e l t a n k s i s r e d u c e d ． Ke y wo r d s c o a l mi n i n g；p i p e j a c k i n g ma c h i n e ；j a c k i n g h y d r a u l i c s y s t e m； j a c k i n g s p e e d；l o a d s e n s i t i v e c o nt r oI e l e c t r o hy dr a u l i c pr o po r t i o na l c o nt r oi 0 引 言 煤矿 巷道 掘 进方式 主 要包 括炮 掘 和机掘 。炮 掘 方式 的 缺点是 工 艺 时间过 长 ， 巷 道 成型 不好 ， 危 险性 也 比较 高 ； 机掘 方式 的缺 点是 巷道 断面 大 、 支 护成 本 高等。因此， 矿用顶管掘进机的研发应运而生 。目 前 ， 市政用顶管掘进机技术相对成熟 ， 但是适用于煤 矿井下大深度复杂地质环境和符合 防爆要求 的顶管 收稿 日期 2 0 1 7 0 3 0 6 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 0 4 2 8 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家科技重大专项资助项 目 2 0 1 6 Z X0 5 0 4 5 0 0 3 ； 中国煤炭科工集 团科技创新基金项 目 2 O 1 4 Z D0 0 7 。 作者简介 王雷 1 9 8 4 一 ， 男 ， 辽宁抚顺 人 ， 副研究 员 ， 硕士研究 生， 从事煤 矿机 电安全设备研发工作 ， E ma i l wi n c o a t 1 6 3 ． c o rn。 工 矿 自动化 2 _ 1 7年 第 4 3卷 捌 进 机还 术 借 刨 大 范 ⋯他 J I J 。顶管 施 1 r f 1 的 一 个 火键环 节是 顶进 速 度的控 制 。顶进 速 度过怏 会导 致 的端 的刀船 睽 严币 ． 械 削 f 乜动机 过流 ； 顶进 速 度 人慢 会 影响掘 进效 率 。 时 顶进 的 4个 油缸 f } ； 现 不 顶进 速 度时 还 会 引起 顶 僻 向 偏 移 ， 不 能 确 保顶 价 批； 进 机按 照 指定 的路 线 顶进 、。本 文钊‘ 埘顶 管捌 进 f J 【 的这 种J - 况要 求 ． 于 负载 敏 感 控 制 技 术 没 汁 r矿川 顶管 掘进 机 顶 进 液 J f i 系统 ． 行 绎 现 场验 证 取 得 J 较 好 的施 效 果 。 1 顶 管掘进 机 结构 和工 作原 理 矿 J } j 顶 管捌 进 饥 顶进 邴 分 的工 作 原理 _ I { 1 液 站 给 i 个顶 进 缸 提 供 高 油 ， 顶 进 油缸 后 端 作 川 墙体 I 面 ， 前端 连接 前顶 铁 I 。 前 顶铁 环 。I 1 百 顶 铁 前 Ⅱ j 『 顶 傲 顶僻 材 的端 面 上 ， 下 部 有 支撑 辊轮 轨 l 滚 动 顶 进 油 缸 不 断 向前 顶进 ， 为 顶 竹 掘 进 机 提 供 动 J J ． 从 不 断 截 割 前 面 的 。 j 液 』 } ． 泉 站 ， 业 制 糸 充 ； 2 』 j } 爵1 奉 ； { 】 贞边j 油 缸 l 前 顶 铁 ； 导轨 ； I； 被 j _lj 髓 材 ； 7 顶 管 掘进 机 罔 1 顶 荫 掘 进 饥 幢 示 意 顶铁 4个 油缸 的 连接 如 2所 爪 ， 截 割 柑 “ 时． r h 于顶 管掘 进 机 fj 仃 端 面 负 载 不 均且 变 化 较 大 ． 传递 到前 顶 铁 I 各 个 部位 的 力 相 差 较 大 ， 导 敛 各 个汕 缸 的受 力不均 。 顶进 系统 设 汁需要 达 到 以下 f 1 标 1 能 够提 供 足够 的顶推 力 。 2 具 备较 好 的顶进 速度 控制 。 3 各个打 l j 缸 可能 同步 顶进 。 2液压 系统 参数 计算 根据 液 压 系统 没计 要 求 。 设 汁顶符 掘 进 机 的最 大推 力 为 1 0 0 0 0 k N； 最大顶 进 速度 为 6 0 ram／ rai n ， 可 以无级 渊 节； 顶进 油缸 的行 程 为 3 5 O 0 I l l F t l ， 额 定 压力 为 3 1 ． 5 MP a 。 2 ． 1 顶进 油缸 主要 参数 选择 根据 帕斯 卡原理 ， 有 F P A 一7 r i Ps 1 吐 式 巾 F为 个油缸 的最 大作 用 力 ． 2 k N； P 为 泵 站 的最 大 压 力 ， 3 1 ． 5 MP a ； A 为油 3 i 『 活 塞 受 力 血 积 ； D 为液 压缸 的 内径 。 m式 1 汁箅 得 到 D一 3 1 7 ． 9 1 1 1 I “1 1 ． 根 据 相关 液 压缸 标 准 阋整后得 D一3 2 0 F i l m。 为了符 合矿 仆罐笼 的尺寸要 求 I J F 的施 工 寸要 求 ， 将 油 缸 设 汁为 双 级 伸 缩结 构 。 号虑 到普 通 2级油 缸 伸 j I J 推 力 不 等 ， 没 计 一 种 双 级 等 推 力 油 缸 。。根据 所 计算 的液 压缸 内径确 定油 柚 的具体 结 构 ， 如 罔 3所 示 。一 级 缸 的 杆 径 确 定 为 3 0 0 n n ． 二级 缸 的杆径 确 定 为 2 6 O I I 1 I 1 1 。 一 级 卡 二 级 缸 的 行程 均 为 1 7 5 0 T n T l l 。 罔 3 双级 等推力汕 结构 根 据 圆整后 的液 压缸 内径 ． 按 fi , s t 1 汁算一 级 缸 的实 际推 力 F ． 干 二 级缸 的实 际推 力 F 2 53 2 { 1 ． 5 1 25 式 中 A 为一级 缸 活塞 作用 面 积 ； A为 ～ 绒缸 活 塞 作川 向积 ； A 为 _ 纵缸 活寨 杆 内腔作 川 1 积 。 f，， ● 一 2 0 1 7 年 第 6期 王雷等 矿 用顶 管掘 进机 顶进 液压 系统研 究 3 2 ． 2 液 压泵 参数 计 算和 选型 根据最大顶进速度 一6 0 mm／ mi n计算油缸的 进 油量 q q I L - m i n 1 一 v A 一 兰 兰 墨 一 4 ．8 2 2 4 液 压泵 最 少输 出流 量 q ⋯ 需要 满足 4个 油 缸 同 时 动作 ， 同时 考 虑 系 统 泄 漏 ， 取 系 统 泄 漏 系 数 k为 1 ． 2 ， 则 有 q ≥ 4 k q≥ 2 3 ． 1 L ／ mi n 3 根据系统的工作要求， 查询各厂家样本， 选用型 号为 P V0 3 2的斜盘式负载敏感柱塞泵。其基本参 数 如下 最大 排量 为 3 2 mL ／ r ， 公 称压 力为 3 5 MP a 。 液 压泵 输 出流量 计算 公式 为 q P一 P n vv 4 式中 q 为液压泵 的输 出流量 ， L ／ m i n ； V p为液压泵 的排量 ， mL ／ r ； 为油 泵 的工 作 转速 ， 取 1 4 7 0 r ／ rai n ； 叩 、 ， 为油泵的容积效率 ， 取 0 ． 9 6 。 将各参数代人式 4 计算 ， 得到液压泵的实际最 大输 出流量为 4 5 ． 2 L ／ mi n -0 ． 7 5 3 L ／ s ， 该值满足 液压 系 统 的最 大 流 量 要 求 ， 并 留有 近 4 9 的设 计 余 量 [ 6 ] 。 2 ． 3电动机 参数 计 算及 选择 液压 泵 的最 大输 入功 率为 P 一 P s q p 5 式中 为液压泵的总效率 ， 取 0 ． 9 。 将数 据 代人 式 5 计算 ， 得 到油 泵 的最 大输入 功 率 为 2 6 ． 4 k W 。 考 虑 到 电动 机 允 许 短 时超 载 ， 并 且 设计 流 量 留 有较多余量 ， 因此 ， 选择三相防爆电动机的额定功率 为 2 2 k W ， 转 速 为 1 4 7 0 r ／ mi n 。 3液压 系统 工作 原理 3 ． 1 负载敏 感 泵控 制功 能分析 主泵 采用 的斜 盘 式负 载敏 感 柱 塞泵 原 理 如 图 4 所 示 。 3 ． 1 ． 1油泵 流量 调节 阀 流量 调 节 阀为 两位 三通 阀 ， 阀芯 的 左端 受 到 油 泵 的出 口压力 P 的作用 ， 阀 的右 端 受 到 L s 油 口感 受 的负载 压 力 P 和 弹簧 的作 用 力 F 的作 用 。阀 在 工 作 时 ， 阀芯始 终处 于一 个动 平衡 过程 中 ， 根据 流 量 调 节 阀的动 态平 衡 可得 1 一 变 量 活塞 缸 ； 2 -- 变 量控 制缸 ； 3 ， 4 ， 5 一 阻 尼 孔 ； 6 -- 压 力 切 断 阀 ； 7 一流量调节阀 ； 8 --溢流阀 ； 9 --负载节流阀 图 4斜盘式负载敏感柱 塞泵原理 P P A 一 PL A F 一 P P PL F ／ A 常数 6 式 中 A。 为 阀芯端 面 的受 力 面积 。 从 式 6 可 以得 出 ， 油 泵输 出 的压 力 P P 始 终 比 负载 压力 P 大一 个 恒 定值 △ P。当 P 有 变 化 时 ， 阀芯 的动态平衡被 打破 。当 △ PF ／ A。时， 阀芯 往 右 移动 ， 左位 接通 ， 油 泵输 出 的高压 油进 入到变 量 控制缸 的右腔 ， 推动斜盘 回摆 ， 液压泵的输出流量减 少 。当 △ P P ， 梭 阀将 P 反馈 给油 泵 的控制 阀 ， 流 经主控 制 阀 的流量 为 ， 一 1 Q1 一 C 1 Af 1 , ／ 2 A P f 1 ／ p 9 【Q2一 C 2 Af 2 , ／ 2 A P f 2 ／ p 式 中 Q ， Q 。为通 过主 控制 阀的 流量 ； C ， C 为 流 量 常数 ； A Af 2 为 主 阀 芯 的开 口面积 ； A Pf l ， △ Pf 分别 为 2个 主 阀芯前 后 的压 差 ； p为液压 油 的密 度 。 由于选 择 的液压 油泵 输 出总 流量 有较 大 的设计 余量， 完全可以满足 4个油缸 同时动作的最大流量 要求 ， 所 以各联 的压差补偿器时刻都会起 作用 ] 。 对 于压 差补 偿器 2 ， 根 据 阀芯受 力平 衡 方程 ， 有 P1 Ab P2 Ab Fb 1 0 式 中 A 为 补偿 器 阀芯 的作 用 面 积 ； F 为 弹簧 的设 定压 力 。 根 据式 1 0 可得 △ P 一P 一 P 。 一Fb ／ ab ， 假 定 不考虑在 阀芯运 动过程 中弹簧 的微 小变形 ， 即 F 为 一定 值 ， 阀芯 的受 力 面 积 A 也 为 一个 固定 值 ， 则 △ Pf 是 一 个 恒 定 值 。同 理 对 于 压 差 补 偿 器 3 ， △ P 也 恒定 。假 定 2个 补 偿 器 为 同一 型 号 ， 弹 簧 力 和 阀 芯 的受 力面 积均 相 同 ， 则 △ P A pf2 a因 为 阀芯 开 口面积 与控 制 电流 成 正 比例 变化 ， 结合 式 9 可 知 ， 在控制时只需要保证两联阀的控制电流相同， 即可 保 证 Q 一Q ， 实 现 2个 油缸 的 同步 控 制 ， 对 4个 油 缸 的情 况亦 是 如此[ 1 。 2 0 1 7年 第 6期 王 雷等 矿 用顶 管掘进 机顶 进 液压 系统研 究 5 3 ． 3 顶进 液 压 系统原 理 图设计 及分 析 顶 进 液压 系统 的工 作原 理如 图 7所示 。 I 一 吸 油 过 滤 器 ； 2 一 手 动球 阀 ； 3 -- 负载 敏 感 泵 ； 4 -- 高压 过 滤 器 ； 5 一 负载敏感 多路阀 ； 6 顶进 油缸 ； 7 一 回油过滤器 ； 8 m液压油箱 图 7 顶进液压系统工作原理 液 压系 统 的主 泵 采 用 负载 敏 感 泵 ， 它 与 电液 比 例 多路 阀组 成典 型 的 开 环 负 载敏 感 系 统 ， 实 现 输 出 流量 的比例控制 。负载敏感油泵的特性使油泵输出 压力仅 比所需求的最大负载高 出一个调定压差 ， 降 低 了压 力损 失 ， 同 时输 出流 量 与 负载 所 需 流 量 相 适 应 ， 减少了溢流损失 ， 因此 ， 泵的输 出功率几乎等于 负载消耗功率 ， 效率得 到提高 。这对于煤矿井下环 境 温度 高和 顶管 施工 过程 中功 率变 化范 围很 大 的工 况 ， 具有 明显 的节 能效 果l 1 。 4个顶 进 油 缸 分 别 由 四联 负 载 敏 感 多 路 阀 控 制， 各联的多路阀上均带有压差补偿器 ， 可以实现每 联 多 路 阀控 制 的 油 缸 速 度 不 受 外 部 负 载 变 化 的影 响。通过给定每联多路 阀不同的电流值 ， 实现 4个 油缸的分别控制 。当给定四联多路阀的电流值相同 时 ， 4个 油 缸均 以相 同 的速 度 顶进 ， 并 且 各 油 缸 的 速 度不受外部负载变化的影响。因此， 系统保证 了顶 进 时不会 出 现顶偏 的现 象 ， 同时 可 保 证 顶 管 掘进 机 的顶进线路正确 。但在实 际顶管施 工中发现 ， 由于 各管路长度及其他 因素 的影响 ， 油缸有时会出现微 小不 同步 ， 这 时可 通 过增 加较 慢 油 缸 的控 制 电 流来 实现 4个 油缸 的相 对 同步 。 4结语 矿用 顶管 掘进 机顶 进液 压 系统采 用 电液 控制 的 四联 负载 敏感 多路 阀控 制 油 泵 流 量 和 压力 ， 在 实 际 应用 中发 热功 率损 失较 小 ， 油温 稳定 ， 能够 适应 复杂 多变的负载工况， 运行可靠 ； 实现 了远程集 中控制及 顶进 油缸 的 同步顶 进 ， 减 少 了顶 进 时 各 油 缸顶 进 速 度不均衡造成的顶偏现象。该系统已在淮南矿业集 团张集 煤矿 经 过工 程 实 践 验证 ， 取 得 了 较好 的施 工 效 果 。 参 考 文 献 武深浩． 现代煤 矿掘进 技术 的改进 [ J ] ． 能 源与 节能 ， 2 O 1 6 1 2 1 6 0 1 6 1 ． 贾朝 阳． 顶管掘进机液压油缸 同步控 制系统设计 [ J ] ． 煤 矿 机 电 ， 2 0 0 7 5 3 1 - 3 3 ． 谢群 ， 杨佳庆 ， 高伟贤． 土压平衡盾 构机推进液压 系统 的设计 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 6 9 8 1 0 1 ． 谢赛南． 土压平 衡顶 管机 液压驱 动 系统研 究 [ D] ． 淮 南 安徽理工大学 ， 2 0 1 4 ． 宋超 ， 邹云 ， 杜碧华 ． 地下顶管用液压设备液 压油缸设 计计算 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 3 ， 4 1 1 7 1 2 9 1 3 0 ． 王益 群 ， 高殿荣 ． 液 压工 程师 技术手 册 [ M] ． 北 京 化 学 工 业 出 版社 ， 2 0 1 0 ． 黄新年 ， 张志生 ， 陈忠强． 负载敏感技术在液 压系统 中 的应用 [ J ] ． 流体传动与控制 ， 2 0 0 7 5 2 8 3 0 ． 景俊华． 负载敏感系统 的原理及其应 用[ J ] ． 流体传动 与控制 ， 2 O l O 6 2 1 2 4 ． 崔洪新 ， 李焕 良， 闫际宇 ， 等． 基于 S i mHy d r a u l i c s 的负 载敏感变量泵 动态 仿真 分析 [ J ] ． 机床 与液 压 ， 2 0 1 6 ， 4 4 1 0 8 8 9 0 ． 张立杰 ， 王力航 ， 李德 新 ， 等． 负 载敏 感 阀前补偿 系统 原理分析 [ J ] ． 液压 与气动 ， 2 0 1 5 7 6 3 6 7 ． 王秀君 ， 胡建军 ， 高伟 政 ， 等． 负 载敏 感多 路 阀数 学建 模及分析 E J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 3 ， 3 3 1 1 1 5 1 7 ． 王小 强 ， 王振 ， 王 栋． 盾 构机 推进 液 压系 统方 案 一例 [ J ] ． 流体传 动与控 制 ， 2 0 1 2 6 4 5 4 7 ． ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 U [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [