挖掘式装载机液压系统的设计_王昱洲.pdf

挖掘式装载机液压系统的设计王昱洲（山西焦煤集团有限责任公司官地矿，山西太原030022）摘要：为解决针对岩石硬度大于 8 工作面采用悬臂式掘进机时掘进速度慢和巷道成型质量差的问题，结合巷道掘进工况和负荷要求完成了挖掘式装载机的整体设计，并确定了主要性能参数；同时，提出了挖掘式装载机液压系统设计的步骤和流程，并基于上述步骤和流程对挖掘式装载机液压系统中的泵、行走部以及冷却部的参数进行设计，为相关元器件的选型提供依据，为今后挖掘式装载机的整体结构设计和装配奠定基础。关键词：巷道掘进挖掘式装载机岩石硬度液压系统冷却系统中图分类号：TD421.7文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0106-02引言我国煤炭资源开采过程中主要制约煤矿生产能力低下的因素为工作面巷道的掘进效率偏低，即当前主要表现为煤炭开采和工作面掘进效率不平衡的现象。据统计，我国煤炭开采的机械化水平已经达到77.78%，而工作面的掘进效率仅为 18.05%。同时，对于所掘进工作面岩石的硬度较小时，采用悬臂式掘进机即可实现对巷道的快速、高效掘进；而对于掘进工作面岩石硬度大于 8 的纯岩巷而言，虽然采用悬臂式掘进机能完成最终的掘进任务，但是最终巷道的成型质量和掘进速度严重制约着煤矿的生产1。因此，本文将针对岩石硬度较大的工作面的掘进任务设计一款挖掘式装载机。1挖掘式装载机的总体设计挖掘式装载机的总体设计包括对整机各部件功能实现和部件的布置，结合实际生产工况确定挖掘式装载机的基本性能参数，对装载机各部件进行细化设计。总之，挖掘式装载机的总体设计必须着眼于全局考虑，必须严格按照相关规范标准执行，并完成结合实际巷道掘进的生产需求完成设计2。根据装载机行业的相关机械标准和规定，并类比相类似装载机性能参数，结合巷道掘进的生产任务，确定本文所设计的挖掘式装载机的主要性能参数如表 1 所示。根据工作面巷道的规格尺寸，确定所设计挖掘式装载机的长度为（6 67090）mm、高度为（1 97530）mm、宽度为（2 10030）mm。根据类似挖掘机的整体结构，本文所设计的挖掘装载机包括刮板输送机、防爆电控箱、空冷散热器、液压操纵阀组、液压操作台、油箱、液压泵站、履带行走机构、机架和反铲机构等3。2挖掘式装载机液压系统的设计本文所设计的挖掘式装载机采用液压系统为核心对其进行驱动控制。因此，所设计的液压系统必须满足掘进工作面的工作任务要求，并保证其具有较高的传动效率、传动稳定性等。针对挖掘式装载机液压系统的设计步骤如下：1）根据装载机在工作面的应用工况和负荷，确定液压系统相关执行元件的负荷、运动速度和消耗功率；2）在上述设计基础上对挖掘装载机的工作压力、流量等技术参数进行确定；3）在基本参数基本确定的基础上确定液压系统中液压泵、各类执行元件的类型及数量并完成相关回路的设计；完成液压泵、阀组、液压缸等元器件的选型设计。2.1确定整机系统参数首先，系统工作压力为装载机在正产工作状态下的最高限定压力。结合装载机在未来工况的使用和相关载荷要求，并综合考虑紧凑、轻便的结构形式，初步确定装载机液压系统的工作压力为 10 MPa。其次，系统流量需综合挖掘机整机各个元器件的流量进行确定。2.2关键液压元器件参数确定结合装载机的工作原理、工作任务以及相关其他类型装载机的液压回路系统，本文所设计的挖掘装载机的液压回路系统如下页图 1 所示。如下页图 1 所示，本项目所设计挖掘式装载机液压系统通过三个泵的串联实现对整机的供油。其中，收稿日期：2022-01-04作者简介：王昱洲（1989），男，山西太原人，本科，毕业于黑龙江科技大学，采煤助理工程师，从事煤矿生产工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.040参数名称指标转载能力/（m3 h-1）160最小转弯半径/m7离地间隙/mm300挖掘宽度/mm4 200挖掘高度/mm3 000卸载高度/mm1 300可适用工作面最大倾角/（）16挖掘深度/mm600表 1挖掘式装载机主要性能参数结构设计2023 年第 2 期装载机反铲部件和行走部件采用变量柱塞泵进行供油，可确保装载机整机的工作稳定性和可靠性；其他执行元件采用剩余的两个定量齿轮泵进行供油。上述液压系统采用液压先导控制技术，该项技术的应用提高了整机的可操纵性，从而保证了生产效率。2.2.1液压泵参数的确定结合装载机的使用工况，对应所选型变量柱塞泵的排量为 100 cm3/r，其余两个定量齿轮泵的排量分别为 30 cm3/r 和 10 cm3/r，则对应泵的最大流量分别为148 L/min、44.4 L/min 和 14.8 L/min。2.2.2行走部参数的确定装载机通过液压马达实现对行走部的控制。液压马达输出扭矩 Mn的计算如式（1）所示：Mn=pqmm2.（1）式中：p 为系统压力，取 10 MPa；qm为马达的最大排量，取 90 cm3/r；m为马达的机械效率，取 0.98。将相关参数代入式（1）得：Mn=140.4 N m；则考虑到系统的总机械效率和行走部减速装置的传动比为1.31，对应液压系统驱动轮的输出扭矩为 180 N m。经换算可知，上述参数的液压马达可适应工作面的最大坡度为 28，满足大于 16的工况要求。2.2.3液压冷却参数的确定装载机在实际生产中所面临的工况相对恶劣且对应的载荷波动较大，对应的能量损失会转化成热量，从而导致液压系统内部温度升高，降低液压油的性能，最终影响整机液压元器件的使用寿命和工作效率。结合相关标准要求，液压系统中液压油的温度应小于 75；同时，考虑到装载机的结构限制、油箱容积较小等因素，本液压系统必须采用强制冷却的方式进行散热，具体通过散热器实现冷却的目的。该液压系统的主要热量产生部件包括液压泵、溢流阀以及其他执行元件损失的能量，约为 13.8 kW。对应所需散热器面积 S 的计算如式（2）所示：S=1 000QHkt.（2）式中：k 为散热器的传热系数，取 50 W/（m2 K）；t 为散热器的平均温差，取 30；QH为液压系统能量损失，取 13.8 kW。将相关参数代入式（2）得 S=9.2 m2，即所选型散热器的面积应大于 9.2 m2。3结语目前，煤矿巷道掘进自动化和效率明显滞后于综采工作面自动化水平和效率。因此，实现煤矿掘进和开采效率处于平衡状态为实现煤矿高效生产的主要因素。针对传统煤层或者岩石硬度低于 8 的工作面采用悬臂式掘进机即可实现高效、安全的掘进；而针对岩石硬度大于 8 的工作面采用悬臂式掘进机，不仅掘进速度慢而且巷道成型质量偏低。因此，本文结合巷道高速掘进的工况要求设计了一款挖掘式装载机，并重点对挖掘式装载机液压系统泵、冷却系统以及行走部参数进行设计，为后续完成整机的设计、生产和装配奠定基础。参考文献1杨林，杨洋.扒渣机液压系统设计与仿真分析J.机床与液压，2013，41（20）：82-86.2司垒，胡正伟，张佳佳.井下挖掘式装载机液压系统设计J.液压与气动，2012（6）：56-58.3鲍建伟，李建平，杜长龙，等.挖掘式装载机工作装置有限元分析J.煤炭科学技术，2010（8）：117-120.（编辑：王慧芳）图 1挖掘式装载机液压回路示意图小臂升降大臂回绕铲斗收展大臂升降右行走马达左行走马达大臂先导手柄小臂先导手柄行走先导手柄一运马达溜槽升降 二运升降液压油箱Design of Hydraulic System of Excavating LoaderWang Yuzhou（Guandi Mine of Shanxi Coking Coal Group Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030022）Abstract:In order to solve the problems of slow tunneling speed and poor roadway forming quality when using cantilever roadheader in theworking face with rock hardness greater than 8,the overall design of the excavator loader was completed in combination with the roadwaydriving conditions and load requirements,and the main performance parameters were determined;At the same time,the steps and proceduresfor the design of the hydraulic system of the excavator loader are proposed,and the parameters of the pump,walking part and cooling part inthe hydraulic system of the excavator loader are designed based on the above steps and procedures,which provides a basis for the selection ofrelevant components,and lays a foundation for the overall structure design and assembly of the excavator loader in the future.Key words:roadway excavation;backhoe loader;rock hardness;hydraulic system;cooling system王昱洲：挖掘式装载机液压系统的设计107