连采机截割部液压控制回路解析及优化.pdf

1 一装运部2 一行走部3 一主机架4 一截割部 5 一截割部升降油缸6 一稳定靴 ≯、 { ； 2020 年 12 月 第 48 卷 第 23 期 机床与液压 MACHINE TOOL 通过增设换向阀使系统既可满足维护时整机抬升需求又可避免正常截割工作时前部机身的无效抬升。 关键词 连采机; 截割部; 平衡阀; 背压阀 中图分类号 TD421 Analysis and Optimization of Hydraulic Control Circuit of Cutting Department of Continuous Miner MA Kai CCTEG Taiyuan Research Institute, Taiyuan Shanxi 030006, China Abstract The key point of lifting circuit of cutting department of continuous miner is the setting and adjustment of cylinder bal- ance valve and back pressure valve. The theoretical basis and operation of pressure regulation of the two valves aimed at safety and energy saving were discussed in detail. Aimed at the defects of the existing system, the problem of quick inspection of the lifting cylinder and balance valve of the cutting department was solved by adding a cut-off valve for daily inspection. By adding a reversing valve, the system could not only meet the lifting requirement of the whole machine during maintenance, but also avoid the invalid lifting of the front fuselage during normal cutting. Keywords Continuous miner; Cutting department; Balance valve; Back pressure valve 0 前言 连采机是短壁机械化开采成套装备中的龙头设 备, 其可进行煤巷掘进、 不规则块段开采、“三下” 开采以及回收煤柱等, 具有采掘合一、 机动灵活、 设 备投资少、 适应范围广等特点。 连采机的主体结构如 图 1 所示, 其主要由主机架、 截割部、 装运部、 行走 部等组成[1]。 连采机的主要机构动作均由液压系统传 动控制[2]。 截割部是连采机的核心部件, 用于煤岩截 割。 截割部通过左右对称布置的 2 个截割升降油缸 5 驱动其围绕, 与主机架的铰接点进行上下摆动割煤。 连采机截割部质量在 2104kg 左右, 为保证截割部 可以在油缸举升高处保持锁定姿态, 在每个截割油缸 上都设置有平衡阀。 同时为保证连采机可以稳定地自 上向下割煤, 在液压回路中设置了背压阀。 另外在维 护时, 截割部还需要向下运动撑地将连采机前部抬 起, 配合后部稳定靴 6 将整机撑起, 以进行张紧、 更 换履带等维修操作[3-4]。 本文作者简要阐述了平衡阀 及背压阀的作用原理及压力设定准则, 指出现有液压 回路存在的问题, 提出切实可行的改进方案。 图 1 连采机结构简图 1 截割部液压升降回路 截割部升降回路由截割部升降油缸、 安全阀、 平 衡阀、 背压阀等组成, 如图 2 所示。 当顶板跨落或外 界碰撞等导致截割部遭受过大负载时, 安全阀开启直 接与大气相通, 使油缸卸载, 能有效防止系统压力过 大造成油缸、 相关管路等损坏。 平衡阀与背压阀组合 万方数据 A B 1 一截割部升降油缸2 一安全阀3 一平衡阀4 一背压阀 形成了截割部的安全、 平衡、 背压系统回路, 是截割 部液压升降回路的关键元件[5-8]。 图 2 截割部升降背压回路原理 1． 1 平衡阀作用 如图 2 所示, 平衡阀组内置了一个单向阀作为油 液单向流通通道。 当截割部向上举升时, 油缸无杆腔 进液, 有杆腔回液。 此时 A 口的压力油流经背压阀 组内的单向阀, 然后通过平衡阀组中的单向阀供给油 缸无杆腔, 系统回路压力损失较小。 当截割部停驻在 油缸举升高处某一位置且无其他支撑时, A 口、 B 口 均不供液。 油缸无杆腔因截割部重力产生了一定的压 力, 压力油无法通过单向阀回油。 压力作用在平衡阀 阀芯左侧, 与阀芯右侧的弹簧力进行平衡。 设计中该 力须小于弹簧力, 因此平衡阀无法开启, 只有当 B 口油液也提供一定的压力时, 二者合力才有可能克服 弹簧力开启平衡阀[9-10]。 1． 2 背压阀作用 当平衡阀开启后, 其通流阻力小于开启压力产生 的液阻, 无法平衡截割部重力产生的液压力。 截割部 的重力作用将加速截割部下降, 使液压泵的供液量不 能满足液压缸活塞运动的需要, 造成截割油缸进油侧 压力迅速下降。 当压力降到不足以维持打开平衡阀所 需要的开启压力时, 平衡阀关闭, 切断截割油缸进出 油路, 截割油缸停止下降驱动。 但截割部较大的惯性 载荷会对截割油缸产生液压冲击。 当压力升高后, 再 次打开平衡阀, 截割部继续下降。 若截割部惯性力未 能开启平衡阀, B 口进液压力也会持续上升直至打开 平衡阀。 如此反复造成截割部运动时断时续, 产生运 动爬行。 液压泵与截割油缸均承受较大的冲击载荷, 容易导致相关密封件损坏、 管接头松动漏油, 并产生 较大振动与噪声等。 因此设计截割部升降液压系统 时, 须在回油路上设置阻尼装置, 而背压阀能起到回 油路阻尼作用, 通过调节背压阀通流阻尼力可有效补 偿平衡阀开启后系统回路的压力变化, 消除液压冲 击、 保证截割部平稳下降[11]。 1． 3 两阀压力匹配方法 从以上论述可知, 平衡阀及背压阀两者作用不同 互相不可替代。 合理地设置平衡阀的开启压力值以及 背压阀的阻尼值, 不仅有利于截割部的安全性、 下降 稳定性, 又有利于降低系统回路压力, 减小能量 损失。 当 B 口进压力油液、 截割部稳步下降时, 系统 回路压力平衡方程为 p2Sy M J p 4Sw 1 p4S1 p 2S2 F t1 2 p3S3 F t2 3 p4 - p s1 p 3 4 由以上各式可得 Ft1 MJS1 Sw p 2 Sy S wS2 Sw 5 Ft2 MJ p 2Sy SwS3 - ps1 S3 6 式中 p2为图 2 中 B 口油液压力, MPa; Sy为截割油 缸有杆腔作用面积, mm2; MJ为截割部作用至油缸 上的重力, N; p4为图 2 中回路 d 处压力, MPa; Sw 为截割油缸无杆腔作用面积, mm2; S1为平衡阀 d 处 所引压力 p4作用在阀芯上的面积, mm2; S2为平衡 阀 b 处所引压力 p2作用在阀芯上的面积, mm2; Ft1为 平衡阀弹簧调节力, N; p3为图 2 中回路 c 处压力, MPa; S3为背压阀 c 处所引压力 p3作用在阀芯上的面 积, mm2; Ft2为背压阀弹簧调节力, N; ps1为平衡阀 通流压力损失, MPa; 由式 5、 式 6 即可确定平衡阀及背压阀的 压力调节值。 背压阀的作用主要是补偿平衡阀开启 后, 回路中 d 点的压力降低, 避免造成平衡阀的关 闭, 引起平衡阀持续启闭振荡。 同时为了降低系统回 路压力, 减小下降时 B 口工作压力 p2, 背压阀调定 阻尼力应尽量降低。 设计中可令 p2为 0 时作为平衡 点, 计算出平衡阀及背压阀的压力调定值, 并在此基 础上适当调高, 保持一定的安全裕量。 平衡阀弹簧调 节力 Ft1应在由截割部重力产生的油液平衡压力基础 上上调。 背压阀的弹簧调节力 Ft2与平衡阀的通流压 力损失 ps1有关, 即与平衡阀的通流特性及流量有 关[12-13]。 为确保其能补偿压力下降, 以平衡阀通流 压力损失为 0 时确定理论阻尼调节力。 这样既能确保 满足使用, 又使截割部下降时液压系统能量损失 较小。 1． 4 现场压力调节方法 上述两阀压力匹配方法为理论计算法, 在实际操 841机床与液压第 48 卷 万方数据 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l 蝻 l L 。 ] icf『； J l 、惭] l l 正一凸驽 1 一截止阀2 一换向阀A B 作中应依据理论值进行现场调节。 在采取相应安全措 施后可按如下步骤进行调节 1 截割部落地时, 将平衡阀开启压力调至比 理论计算值略大。 2 将截割部升起至设定位置, 此时截割部重 力产生的油缸压力接近最大。 3 逐步调低平衡阀开启压力值, 至截割部开 始缓慢下降为止。 然后在此基础上适当调高, 保留相 应安全裕量。 4 截割部升起至最高位置, 将背压阀压力调 至略高于理论计算值。 5 操作截割部下降, 此时将背压阀压力逐步 调低, 观察截割部出现爬行振荡时, 停止调低。 在此 基础上将压力适当调高。 6 反复升降几次, 观察实际效果, 并进行截 割升降油缸保压试验, 根据结果确定最终设定值。 2 存在的问题及改进办法 在前言中提到, 截割部还需要具备向下运动将连 采机前部抬起的能力。 在图 2 所示回路中, 若要实现 这一目标, 在背压阀阻尼压力调整完毕后, 应操作截 割部持续下降, 不断调高系统压力即 B 口进液压力, 直至截割部撑地将连采机前部抬起。 然而如此设定系 统压力值, 会在正常向下截割时, 出现截割部将连采 机前部抬起的情况, 影响整机作业以及煤巷底板成形 质量, 应予设法避免。 同时, 图 2 所示回路中缺乏截 割油缸及平衡阀安全性能的快速检测通道, 有一定的 安全隐患, 可通过以下 2 种方法解决上述问题。 1 增设换向阀 如图 3 所示, 与背压阀并联一个常闭式手动换向 阀 2。 此时可采用如下步骤调节系统压力 ①操作截割部下降至底板位置, 然后将换向阀切 换至通路状态。 ②操作截割部继续下降, 将系统压力逐步调高, 使连采机前部能够抬离地面。 ③保持 B 口持续进液以及连采机前部抬离地面 的状态, 断开换向阀。 若连采机前部缓慢下降, 则不 用调节系统压力; 若连采机前部保持抬离地面状态, 则逐步降低系统压力, 使其缓慢下降。 如此操作既能使检修时利用截割部下降撑地可靠 地抬升连采机, 又有效避免了正常向下截割工作时前 部机身的无效抬升。 2 日常检验 在系统回路中平衡阀及背压阀之间增设了日常检 验用截止阀。 该阀主要用于避开背压阀的阻尼作用, 检验截割部油缸及平衡阀是否完好及平衡阀压力设置 是否合理。 检验时, 先升起截割部, 切断连采机电 源, 将截止阀缓慢打开, 如果截割部快速下降, 则说 明截割油缸或者平衡阀有问题, 需要在进行其他操作 之前将故障排除。 此项检验应该每天进行。 该截止阀 的增加, 可方便快捷地对截割油缸及平衡阀进行检 验, 提高了系统的安全性能。 图 3 改进回路原理 3 结束语 本文作者通过分析连采机截割部升降回路的原 理, 阐述了液压回路各阀的压力调整方法, 该方法既 实用又节能。 通过增设旁通换向阀及日常检验用截止 阀, 进一步完善了截割部升降液压回路, 并在实际应 用中取得了良好的效果。 该方法为连采机截割部升降 回路平衡阀、 背压阀设计调整及对掘进机等类似重载 下降液压回路的设计提供了一定的参考。 参考文献 [1] 刘映刚,马凯.首台国产连续采煤机在神东矿区的应用 [J].煤矿机械,2009,3010166-168. 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Chinese Hydraulics Pneumatics,2017594-98. 下转第 159 页 941第 23 期马凯 连采机截割部液压控制回路解析及优化 万方数据 加入非线性影响因素进行多模型润滑耦合分析是十分 困难的, 但多模型润滑耦合分析仍然是当今缸套-活 塞环润滑摩擦系统发展的主流方向。 2 当两表面的综合粗糙度相等时, 若缸套的 表面粗糙度小于活塞环的表面粗糙度, 流体摩擦力增 大的幅度很明显, 因此选用活塞环粗糙度比缸套粗糙 度小的摩擦组件, 对减小流体摩擦力有较好的效果。 3 随着两表面的综合粗糙度的增大, 最小油膜 厚度值增大, 润滑油润滑性能提高, 流体摩擦力减 小, 产生的流体摩擦热流量减小。 4 使用缸套内表面为交叉型网纹的缸套时, 活塞环运动产生的最小油膜厚度值比其他情况的大, 有效提高了活塞环运动时的润滑性能, 减小了流体摩 擦力及流体摩擦热流量, 对提高发动机动力性、 经济 性有重要作用。 参考文献 [1] 丘晖畴,陆思聪.活塞环与汽缸壁润滑的理论分析上 [J].润滑与密封,1985,10641-52. QIU H C,LU S C.Theoretical analysis of lubrication of pis- ton ring and cylinder wall1[J].Lubrication Engineering, 1985,10641-52. [2] 张移山,孔宪梅,陈大融.关于内燃机缸套活塞环磨合过 程的数学模型[J].机械科学与技术,1997,1611-6. ZHANG Y S,KONG X M,CHEN D R. A mathematical model for running in of piston ring and cylinder in mixed lubrication[J].Mechanical Science and Technology,1997, 1611-6. [3] 周全保.内燃机活塞环组的混合润滑模型及其应用[J]. 内燃机学报,1991183-96. ZHOU Q B.The mixed lubrication model of the piston ring pack in internal combustion engine and its application[J]. 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