采煤机调高液压系统等效负载分析.pdf

2 0 1 3年第 2期 液压 与气动 6 9 采煤机调高液压 系统等效负载分析 苏秀平 ， 李威 Eq u i v a l e n t L o a d An a l y s i s o f S h e a r e r He i g h t Hy d r a u l i c S y s t e m S U Xi u pi n g r。LI W e i 1 ． 中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州2 2 1 0 1 6 ； 2 ．江苏师范大学 机电工程学院，江苏 徐州2 2 1 0 1 6 摘 要 调 高液压 系统是采煤机的重要组成部分， 实际生产 中， 因调高液压 系统故障 引起采煤机停机 的 情况很 多。该文深入分析 了采煤机调 高液压 系统的等效负载， 建立 了调 高液压 系统等效 负载数学模型， 为调 高液压 系统的设计、 改进和控制提供 了依据 。 关键词 采煤机 ； 调 高； 液压 系统 ；等效 负载 中图分类号 T D 4 2 1 ． 6 ； T H1 3 7 文献标志码 B文章编号 1 0 0 0 - 4 8 5 8 2 0 1 3 0 2 - 0 0 6 9 - 0 3 引言 调高液压系统是采煤机 的重要组成部分 ， 其作用 是在采煤机工作过程中上 、 下调整滚筒高度适应煤层 的变化 ， 以达到最佳 的割煤效果 J 。采煤机工作过 程 中， 滚筒直接截割煤 、 岩等介质 ， 负载变化非常剧烈。 采煤机摇臂将剧烈变化的负载传递给调高液压系统， 引起液压动载荷 ， 这一方面会使液压系统升温 ， 元、 部 件磨损 、 泄漏 J ， 导致产生 调高速度变慢 ， 控制 阀动 作失灵 ， 活塞与活塞杆 、 缸筒与缸盖 之间被拉脱 等故 障； 另一方面 ， 会引起机身振动 ， 对机上设备造成危害。 实际生产中， 因调高液压系统 故障引起采煤机停机 的 文献报道很多 j ， 因此 ， 需要对采煤机调高液压系统 的等效负载做深人的分析。 1 采煤机液压调高系统 采煤机调高液压系统 的工作原理如图 1 所示。调 高液压系统采用调高泵 4给系统提供油液 ， 电磁换 向 阀 1 3对进入调高压缸 1 0的油液进行开关 控制 ， 其活 塞杆的往复伸缩移动驱动摇臂构件 小摇臂 7和摇臂 9 和滚筒 8摆动 ， 从而实现滚筒 8位置 的上下调整 。 双向液压锁 6用来锁紧液压油缸 1 0的两腔 ， 实现 自锁 功能 ， 使滚筒能较长时间保持在所需的位置上 ， 以保证 螺旋滚筒截割工作的连续性。主安全阀 2用来调定主 系统工作压力 ， 保护整个系统 。 2 采煤机调高液压系统等效负载模型 采煤机调高液压 系统 的负载模型如图 2所示 ， 即 包括摇臂重量 G 。 、 滚筒重量 G 、 摇臂构件和滚筒等 回 转部件绕点 O 的转动惯量为 ．， 等惯性负载， 也包括截 割阻力 Y t 、 推进阻力 Z t 等截割负载 ， 还有干扰力 矩 。这些负载通过摇臂构件这一杠杆机构作用在油 9 l O 1 】 1 ． 油箱2 ． 主安全 阀3 ． 过滤器4 ． 调高泵5 、 1 2 ． 安全阀 6 ． 双向液压锁 7 ． 小摇臂8 ． 滚筒9 ． 摇臂1 O ． 调高油缸 1 1 ． 采煤机1 3 ． 电磁换向阀 图 1 采煤机调高液压系统原理图 图2 采煤机调高液压系统负载模型 收稿 日期 2 0 1 2 -0 4 ． 1 6 基金项 目 国家 8 6 3重点项目 2 0 0 8 A A 0 6 2 2 0 2 作者简介 苏秀平 1 9 7 1 一 ， 女， 山东宁阳人 ， 讲师， 博士生， 主要研究方向为机电产品自动控制。 7 0 液压 与 气动 2 0 1 3年第 2期 缸活塞杆上。因此， 可将这些负载等效折算到油缸活 塞杆上得到等效负载， 利用等效负载来校核液压调高 系统输 出力 、 液压件强度等是否满足要求。 设摇臂角速度为 0 9 ， 长度为 f ， 摆角为 ， 小摇臂 长度为 Z ， 与垂线夹角为 ， 油缸活塞质量为 m ， 摇臂 重力 G 距0 点的水平作用距离为 f 图中未画出 ， 小 摇臂重量相对较小 ， 忽略不计。 采煤机调高液压系统的等效负载模型可分为不考 虑摇臂构件刚度的刚性系统和考虑摇臂构件刚度 的柔 性系统两种情况 。 1 不考虑摇臂构件的刚度 当不考虑摇臂构件的刚度时， 可视其为绕点 0 转 动的刚体 。设转动 限量 ．， 等效折算到油缸活塞杆的等 效质量为 m ， 根据惯性负载折算的动能不变原则 ， 有 式 中， 为活塞运动速度 ， 又 o i l 2 则 m eJ ／ l ； 1 设重力 G 和G 的等效作用力分别为 F 和 ， 则有 G 2 F e G 2 G 3 设滚筒推进阻力 Y t 和截割阻力 Z t 的等效作 用力分别为 和 ， ， 有 F y 4 y b 2 CO／fi 2 z 5 z 5 干扰力矩 ． 等效到油缸活塞杆的干扰力 为 F e 5M1 ／ ／ z c o s 6 2 6 因此， 不考虑摇臂构件刚度时 ， 采煤机调高液压系 统的等效负载模型如图 3 所示。 毳 F 3 02 N 图3 不考虑摇臂构件刚度时采煤机调高 液压系统的等效负载模 型 2 考虑摇臂构件的刚度 考虑摇臂构件的刚度 ， 即为考虑摇臂构件 的扭转 刚度 k 。 和扭矩刚度 k 。 设液压缸输 出力为 F时， 摇臂 转角为 0 ， 油缸活塞等效输 出位移为 Y ， 扭转刚度 k 。 折 算到油缸活塞杆端的等效刚度为k 折算到油缸活塞 杆端的等效刚度为 k 。 由于油缸一般是近水平安装， 因此摇臂所受力矩 近似为 ， 且有 k 1 0F l 2 7 又油缸等效位移为 Y 1 2 0手 _ 8 1 由变形能相等的原则 ， 有 1 1 - 4 。 - k Y Y 。 1 0 0 9 由公式 7 ～ 9 得 l 1 ／ l 1 0 同理可得扭矩刚度 k 的等效刚度为 k 2 。k 2 ／ l 1 1 推进阻力 Y t 、 截割阻力 Z t 、 转动惯量为 ．， 、 重 力 G 。 、 重力 G 和干扰力矩 等参数等效值的计算与 不考虑摇臂构件刚度时的计算公式相同。 因此 ， 考虑摇臂构件 刚度时采煤机调高液压 系统 的等效负载模型如图4 所示。 图 4考虑摇臂构件 刚度 时采煤机调高液压 系统的等效负载模 型 从 图3和图 4可以看出， 由于活塞质量 m 和等效 质量 m 对液压系统的性能均有影 响， 因此 ， 采煤机调 高液压系统的等效负载模型是换向阀控缸的二自由度 系统。 从公式 1 ～ 6 可以看出， 在采煤机工作过程 中， 等效作用力 ， 。 ～ 是变化的， 因此 ， 应该对这些 负载的变化范围有充分的估计 ， 以保证各部件的强度 ， 防止因部件强度不足而产生故障。 3结论 通过对采煤机调高液压系统的等效负载的分析， 可以进行调高液压系统静力学、 运动学和动力学等特 性分析 ， 为 调高 液压 系统 的设 计、 改 进 和控 制 提供 依据 。 参考文献 [ 1 ] 刘春生， 杨秋， 李春华．采煤机滚筒记忆程控截割的模糊 2 0 1 3年第 2期 液压与气动 7 1 挖掘 机正流量液压 系统 中电比例 泵浅 析 李合永 ， 郇庆祥 An a l y z i n g El e c t r o p r o p o r t i o n a l P u mp f o r P o s i t i v e F l o w Hy d r a u l i c S y s t e m o f Ex c a v a t o r s L I H e - y o n g ． H U A N Q i n g - x i a n g 山东中川液压有限公司 研发部 ， 山东 青岛2 6 6 5 1 0 摘要 该文针对 目前公 司开发投产的挖掘机 正流量液压 系统产品， 概述 了挖 掘机正、 负流量液压 系统 控制模式的区别， 阐述 了电比例泵的主要 结构以及工作原理 ， 分析 了正流量液压 系统的性能优势以及 电比例 泵的功率、 流量、 压力变量特性， 指出了正流量液压 系统电比例泵的推广应用前景。 关键词 挖掘机 ； 液压 系统 ； 正流量； 负流量； 电比例泵 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 B文章编号 1 0 0 0 - 4 8 5 8 2 0 1 3 0 2 - 0 0 7 1 - 0 3 引言 近年来 ， 随着计算机技术、 信息通讯技术和液压技 术 的发展 ， 在液压领域 ， 特别是挖掘机液压件领域 ， 液 压系统正 向着柔性化、 智能化方 向发展。 液压系统 的流量实时匹配方式是液压挖掘机的核 心技术之一。 目前 ， 国内主流挖掘机普遍采用 负流量 液压系统 。负流量系统能够实现液压系统流量 的动态 匹配 ， 但同时存在响应 时间长 、 流量波动大 、 可操作性 差等缺点 。公司经过技术攻关 ， 在 国内率先研制成功 液压挖掘机正流量控制系统。目前 ， 经过搭机测试 ， 该 机比负流量挖掘机综合性能指标显著提高， 操作舒适 性和动作平稳性也有较大提高， 而其成本与负流量挖 掘机基本持平 ， 具有较高的性价 比。 1 正、 负流量液压 系统控制模式区别 负流量控制模式 是指主泵排 量与控制压 力成反 比， 各个换向阀都采用开芯结构， 液压油在经过换向阀 回油箱前增加 1个节流阀， 根据节流 阀前的压力大小 来调节主泵排量 ， 其原理示意如图 1所示 。 图 1 负流量控制 系统原理示意 正流量控制模式是指 主泵排量与控制压 力成正 比。控制压力取 自换 向阀两边先导压力差 ， 控制手柄 在中位时， 执行元件不工作， 控制压力为零， 主泵的斜 盘角度最小 ， 排量最低 ， 其原理示意如图 2所示 。 收稿日期 2 0 1 2 - 0 8 ． 1 7 作者简介 李合永 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山东沂南人， 工程师 ， 学士， 主要从事挖掘机液压系统元件的开发与研究工作。 控制系统仿真[ J ] ．煤炭学报， 2 0 0 8 ， 3 3 7 8 2 28 2 5 ． [ 2 ] 徐志鹏． 采煤机自适应截割关键技术研究 [ D] ． 徐州 中 国矿业大学， 2 0 1 1 ． [ 3 ] S U X i u p i n g ， L I We i ， Z H A N G L i l i ， e t a1 ．A p p l i c a t i o n o f RB F Hi e r a r c h i c a l Ne u r al N e t wo r k i n Au t o ma t i c Ho r i z o n C o n ． t r o l S y s t e m o f Me mo r y - c u t t i n g S h e a r e r[ c ] ／ ／2 0 1 0 C h i n e s e C o n t r o l a n d D e c i s i o n Co n f e r e n c e ， C CD C， 2 0 1 0 2 0 1 52 0 1 8 ． [ 4 ] 王素珍， 虎新武． 采煤机调高液压系统常见问题解决方案 [ J ] ． 陕西煤炭， 2 0 0 8 ， 5 7 4 7 5 ． [ 5 ] 祁永红， 李耀东． 采煤机液压调高系统的改造设计 [ J ] ． 煤炭技术， 2 0 0 8 ， 2 7 1 2 1 ～ 2 2 ． [ 6 ] 王立环． 电牵引采煤机调高系统常见故障的分析与处理 [ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 8 ， 2 9 8 2 0 1 2 0 3 ． [ 7 ] 王本永 ， 刘春生， 姜伟． MG 3 0 0 ． W 型采煤机液压调高系统 故障分析与排除[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 0 ， 9 9 5 9 8 ． [ 8 ] 高梓． MG 2 5 0 ／ 6 0 0 - 1 ． 1 D型采煤机调高系统常见故障的井 下抢修方法 [ J ] ． 科技情报开发与经济， 2 0 0 9 ， 1 9 2 9 】 93一】 96．