掘錨機泵站系統優化設計

高 生 金秀宇

（三一重型裝備有限公司， 遼寧 沈陽 110027）

懸臂式掘進機是煤礦巷道、公路隧道、鐵路隧道、水利隧道等隧道成型過程中最重要的設備，而掘進機的性能對整個巷道成型的速度及質量起關鍵性作用。尤其在條件相對惡劣的井下作業時，確保掘進設備穩定地運行，滿足掘進機的可靠性最為關鍵。液壓泵站作為整臺設備的“心臟”，為設備各執行元件提供動力，確保設備平穩運行，其作用毋庸置疑。

0 背景

目前傳統的液壓泵站上的油泵電機組件和油箱采用呈直線設置的布置方式設在掘進機的機體上，吸油過濾器位于油箱的內腔中且固定在內腔靠近油泵電機組件一側的腔壁上，吸油管的第一端與吸油過濾器連接，吸油管的第二端與油泵電機組件連接，而油泵電機組件和油箱采用前后直線布設方式，在掘進機進行下山作業時，由于油箱內液體前傾，可能會出現吸油過濾器露出液體的情況，從而導致油泵電機組件上的柱塞泵無法吸入液體，不但會造成掘進機無法完成作業動作，還會使柱塞泵磨損嚴重，影響壽命。由于可能導致柱塞泵吸空問題，所以限制了掘進機適用坡度，無法完成大坡度作業。

1 泵站系統結構特點及功能

液壓泵站系統包括油箱組件、油泵電機組件、多路控制閥、平衡閥、先導閥、液壓馬達、油缸、相關油管和密封零件等。采用液壓系統對執行元件進行控制。而流量控制是通過負載變量泵和負載閥共同配合完成，壓差信號由負載閥反饋給變更泵，再由斜盤傾角調節，從而改變輸出流量以達到最小損耗的目的，實現自適應調節與節能。

1.1 傳統泵站系統結構特點

目前多數掘進機設備，采用油泵電機組件與油箱組件前后直線放置，空間利用上不夠緊湊，油箱組件只能通過支口及螺栓懸掛在掘進機本體側面。當掘進機高強度作業時，產生較大沖擊和震動，對油箱組件固定帶來很大難度。并且油泵電機組件與油箱組件前后直線放置，導致吸油管路過長，影響吸油效率。結構特點如圖1所示。

圖1 油泵電機組件與油箱組件前后直線布置示意圖

1.2 優化后泵站系統結構特點

EBZ260M-2掘錨機泵站系統油箱與泵站整體設計在后支撐上，采用上下結構設計，占用空間小，油箱布置在油泵電機上方，可有效減少吸空概率。整體結構如圖2所示：將泵站系統結構進行優化后，油泵電機組件與油箱組件設計成上下安裝結構，吸油過濾器安置于油箱中間靠近底部附近，無論掘進機上坡還是下坡，吸油過濾器都不會露出液壓油面，不會出現油泵吸空問題；油泵吸空問題得到解決，從而減少了掘進機大坡度作業的一個限制因素；采用架體安裝結構，油箱組件豎直固定在架體上，避免懸掛掘進機本體側壁，安裝方便，受力效果好，結構穩定；吸油管豎直連接油箱與油泵，減少管路長度，吸油效率高。結構特點如圖3所示。

圖2 EBZ260M-2掘錨機主機結構示意圖

圖3 油泵電機組件與油箱組件上下布置示意圖

1.3 泵站系統功能

EBZ260M-2掘錨機采用750L液壓油箱，配合液壓輔件，對相關執行元件進行控制：1）行走部采用軸向柱塞馬達，驅動行走減速器，實現驅動輪旋轉，完成整機行走。2）截割部的伸縮以及上、下、左、右移動是通過泵站驅動液壓油缸實現。3）鏟板部在泵站的作用下，驅動星輪馬達，帶動星輪旋轉，完成物料裝載。4）第一運輸機利用泵站驅動一運馬達，帶動一運刮板鏈轉動，實現物料傳送。5）后支撐油缸在泵站的作用下，實現升降動作。6）行走部履帶漲緊和第一運輸機刮板鏈的張緊也是在泵站作用下完成。7）超前支護的舉升、伸縮和翻轉通過泵站系統控制完成。8）錨桿部的一級、二級伸縮，主臂伸縮，液壓錨桿鉆機滑動及打孔動作都是在泵站系統的作用下完成。

2 泵站系統設計要求

EBZ260M-2掘錨機泵站系統采用功率為132kW交流電機，串聯2個排量為260ml/r和190ml/r的變量柱塞泵。變量泵通過吸油管路經過過濾器從油箱組件中吸入液壓油。經過油泵增壓的液壓油再由多路控制閥分配給掘進機截割部，鏟板部，第一運輸機，行走部以及后支撐部中的相應馬達、油缸等執行元件，完成掘進機相應動作，同時液壓回油需要進行冷卻散熱，經由回油過濾器重新回到油箱組件，其中相關執行元件的內泄回油直接通過油箱組件泄油口流回。1）系統工作壓力25 MPa；2）截割升降、回轉油缸壓力22MPa，其他各油缸壓力25MPa；3）鏟板星輪采用進口馬達（2×1600 ml/r）；4）一運驅動采用進口馬達（2×1000 ml/r）；5）行走馬達減速器（18萬N·m）保證有效驅動力；6）標配油溫油位自動監測保護裝置；7）整機標配電控，遙控和手控可切。

2.1 泵站系統流量計算

該泵站系統采用二聯泵，排量為（260+190 ）ml/r，計算每個泵的流量及系統流量。

2.2 過濾器型號確定

EBZ260M-2泵站系統設有吸油過濾器、回油過濾器和空氣過濾器。2個油泵分別由2個吸油過濾器2個回油過濾器組成。

2.2.1 吸油過濾器型號確定

該系統是開式系統，設備正常運行時從油箱吸油，2個油泵的流量總和：

EBZ260M-2掘錨機采用2個800 L/min過濾器，型號：TF-800×100F，公稱流量：800 L/min；過慮精度：100μm；壓力損失：＜0.1bar。

2個過濾器的流量總和：800 L/min +800 L/min=1600 L/min＞2.5×Q=1570 L/min，滿足流量要求。

2.2.2 回油過濾器型號確定

2個高壓油泵流量分別是363L/min和265L/min。在液壓回路，油箱回油口處設有3個同型號回油過濾器，每個過濾器按流量210L/min計算即可。

元件參數如下。最大工作壓力：41bar；爆破壓力：145bar；濾芯壓潰壓力：10bar；過濾精度：12μm；系統流量：Q=210L/min過濾器不裝濾芯的壓降ΔP殼體：0.1bar；潔凈濾芯壓降ΔP濾芯：0.166bar；介質黏度μ：46.5mm2/s。過濾器總的壓降如下。

2.3 驅動電機的功率計算

EBZ260M-2掘錨機泵站系統中，油泵電機功率是132 kW，下面以此為依據計算每個油泵的功率分配。

2.3.1 第一聯油泵所消耗的功率

第一聯油泵提供的執行元件及所用功率的計算結果見表1。

表1 第一聯油泵提供的執行元件及所用功率的計算結果

從上表1可以看出，星輪馬達和一運馬達有同時達到最大功率的可能，所以該油泵應分配的功率：18+18+50=86kW。

2.3.2 第二聯油泵所消耗的功率

第二聯油泵提供的執行元件及所用功率的計算結果見表2。

表2 第二聯油泵提供的執行元件及所用功率的計算結果

從上表2可以看出，掘進機行走時的最大功率可以達到86kW，實際這種工況很少，而油缸的動作與行走不會同時達到最大工況，所以該油泵分配功率設計46kW，滿足使用要求。

2.4 泵站系統發熱計算

EBZ260M-2掘錨機泵站總功率是132kW，按照液壓系統總的效率是70%計算，則系統總的發熱功率：132×30%=39.6kW，以此為依據計算需要的散熱面積。

散熱功率按40kW計算，根據散熱功率計算散熱面積，如公式（1）所示。

式中：A— 散熱面積，m2；P—散熱功率，40000 W；Tmax— 液壓油最高溫度，取60℃；T0— 環境溫度，取30℃；K—傳熱系數，按水冷計算，k=465W/（ m2·k）。帶入公式：

結論：散熱面積達到2.9m2時，可以滿足設計要求。

該泵站系統中選擇的換熱器的散熱面積為1.25m2，所以整個系統必須有3組這樣的換熱器才能滿足系統散熱要求，為了提高散熱效果，選用4組散熱器。

2.5 泵站系統中油管參數的確定

油管直徑如公式（3）所示。

式中：Q—系統流量，吸油膠管流量Q1=363L/min，吸油膠管流量Q2=265L/min；高壓管路流量Q3＝363L/min,高壓管路流量Q4=365L/min；V—流速；推薦流速：吸油膠管，流速 1.2 m/s；高壓膠管，流速 6m/s；d—油管直徑（mm）。

將上述參數帶入公式。

吸油膠管：內徑

3 泵站系統常見故障分析

泵站系統作為掘進機的“心臟”，而連接各部件的液壓管路，猶如掘進機的“血管”。作為“血液”的液壓油，無疑成為液壓系統最重要的部分。通常70%的液壓系統故障，都是由于對液壓油管理的不當造成的。為了減少液壓系統故障的發生，需要注意以下幾點：1）保證液壓油干凈，不能混入雜質。2）按照說明書定期更換過濾器。3）定期檢查油質，如有不良，馬上更換。4）定期查看油液位置，保證油量。5）維修或更換液壓元件時，必須將油孔封好，防止混入雜物。除去液壓油以外，泵站系統中的柱塞泵、液壓油缸、溢流閥、減壓閥、多路閥、平衡閥以及液控手柄等也是故障多發位置。具體表現：1）柱塞泵出油壓力不足或出油量不夠?？梢詸z查吸油管和過濾器是否堵塞；吸油管與泵的連接位置是否出現泄漏；再有就是檢查油液是否過于黏稠，或者液壓油溫升是否過低。2）液壓油缸運行時，出現爬行、推力小、鎖定和啟動不靈敏的情況?？梢圆榭从透锥松w的密封情況，使其不能太松也不要太緊，保證能夠用手平穩地拉動活塞桿；檢查活塞桿和活塞是否同心；液壓油缸的缸筒是否出現變形；檢查油缸工作行程中，液壓缸孔徑是否出現腰鼓形，使油缸兩端油液互通。3）溢流閥出現漏油、噪聲或者振動。檢查閥組中錐閥或者鋼珠是否出現磨損；檢查滑閥和閥體配合時，是否間隙過大；查看閥組中彈簧是否出現變形；滑閥滑動是否順暢。4）減壓閥無法減壓或者壓力波動不穩定。檢查阻尼孔是否堵塞；滑閥與閥體是否連接順暢，有無卡滯；查看減壓閥泄油口是否堵塞；主閥芯是否出現卡住不動的情況[5]。5）多路閥中滑閥無法換向或者漏油。檢查滑閥是否卡滯不動；閥體有無變形；彈簧是否出現斷裂或者損壞；控制油路是否出現堵塞；密封圈損壞。6）平衡閥故障導致油缸動作不平穩。檢查平衡閥主閥芯是否卡滯；錐閥和閥座接觸不良。7）液壓控制手柄無法鎖定。帶摩擦片手柄的鎖緊螺釘是否出現松動。

4 結語

EBZ260M-2 掘錨機泵站系統采用油泵電機組件與油箱組件上下安裝結構，將吸油過濾器安置于油箱中間靠近底部位置，有效解決了柱塞泵吸空的困擾，為掘錨機適用大坡度環境作業提供了有力支撐。對泵站系統中柱塞泵、過濾器、油管及冷卻器等重要部件設計的計算分析，為整機的可靠性及先進性奠定了堅實的基礎。EBZ260M-2掘錨機在多個煤礦的實際作業中，經受住各種惡劣井下條件的考驗，達到了預期的效果。