矿用挖掘装载机LUDV 系统研究

王子雷

(天地科技股份有限公司 建井研究院，北京 100013)

目前，煤矿广泛使用的掘进出矸设备有耙斗装岩机、侧卸装岩机、挖掘装载机等。耙斗装岩机不能实现文明施工，且机械化程度低，辅助工作量大，装矸后两帮需要大量人工进行清帮工作，在高瓦斯矿井中，利用耙斗装岩机装矸，耙斗运动容易产生火花，存在安全隐患。侧卸装岩机在使用过程中需要2 人在机器后面拖拽电缆，由于机器运动速度快，前后方向转换频繁，因此容易对拖拽电缆人员造成伤害，同时设备行走系统载荷大，磨损严重，使用成本高。因此，挖掘装载机(以下简称挖装机)是下一步装矸装备的首选。

挖装机是一种连续生产的高效率出矸设备，主要用于矿山煤、岩巷炮采工作面掘进中的装载作业，一般由行走系统、运输系统、工作机构、液压系统等组成，可与全液压钻车、梭式矿车等组成岩巷、煤巷机械化作业线，钻、装、运同时作业，大大提高掘进效率，同时降低工人劳动强度，具有广泛的应用前景。

1 挖装机液压系统

液压系统是装岩机的核心系统，该系统设计是否合理，直接关系到整机的性能和可靠性。合理设计液压系统，必须正确分析液压系统负载、速度及变化规律，进行系统热平衡分析研究，确定散热方案，筛选可靠的液压元部件，合理布置液压管路和操控阀，便于机器的操作使用。煤矿挖装机常用液压系统有齿轮泵定量系统和负荷传感控制系统。

1.1 齿轮泵定量系统

液压系统由油泵、行走马达、运输马达、液压油缸、操作阀及辅件组成。装载机在行走时工作机构、运输机构不工作，工作机构、运输机构工作时不行走。行走时，左、右行走马达各由油泵中的2台定量式齿轮泵单独供油。当停止行走，工作机构、运输机构工作时，2 台齿轮泵中的1 台输出的压力油由分流阀分出一半并经减压供给工作机头。另一半压力油加上另一台齿轮泵的压力油经减压后驱动运输机构的液压马达。另有1 台油泵供先导阀动作使用，整个系统采用回油过滤方式。

齿轮泵定量系统结构简单，对油质清洁度要求低，价格低，维护简单。但系统能耗大，发热严重，可靠性低。

1.2 负荷传感系统

负荷传感系统的核心部分包括变量主泵和控制阀。该系统具有以下优点:

(1)节能。该系统主泵为变量泵，在系统总流量范围内，泵的排量不固定，由负载决定，当各系统满负荷工作时，主泵排量调至最大，而一般的定量泵系统，当系统所需流量较小时，泵始终按照定排量工作，各系统实际流量由溢流阀控制，发热量极大。

(2)精确控制，主泵会及时检测负载的细微变化，及时反馈。

(3)各系统始终按照既定轨迹运动，不受总流量影响，复合性好。

但该系统主泵仅受最高负载回路影响，对其他回路采用压力补偿，因此当各系统同时工作时，流量需求很大，以致超过系统排量极限，最高负载回路油缸或马达运行速度会直线下降，影响整体工作的一致性、协调性。

2 LUDV 系统

LUDV 系统，即负载独立流量控制(Load Independent Flow Distribution)系统，当各系统流量总和超过泵的极限流量时，系统会按照比例(一般由手控阀开口控制)分配流量，而不是按照负载由小到大分配流量。

矿用挖装机执行部件多，运动形式多为复合运动，系统流量大，为保证系统可靠工作，选用负载独立流量控制系统。液压原理基本单元如图1 所示。A1，B1，A2，B2 分别是负载油缸的进回油口;a1，a2，b1，b2 分别为换向阀控制回路;PP为主进油口。

2.1 系统基本特点

如图1 挖装机液压系统基本单元所示，系统中压力补偿阀(A 和B)位于节流孔换向阀A 和换向阀B 之后，最高负荷压力传到压力补偿阀，同时通过LS 回路传递到变量泵，即最高负载回路压力可直接作用于主泵，从而对排量进行控制，通过设定，使主泵压力较最高负载回路压力高1～1.5MPa，所有电磁换向阀进出口压差为定值，因此执行机构速度只与节流阀开口大小有关，见公式(1)。

图1 挖装机基本控制单元

式中，pp 为泵出口压力;p1为油缸A 压力;p2为油缸B 压力;QV1为A 油缸回路总流量;QV2为B油缸回路总流量;A1为A 换向阀开口面积;A2为B 换向阀开口面积;Δp 为常量。

因此，即使泵出现供油不足的现象，所有油缸、马达等执行部件速度会整体下降，各运动机构始终按照设计的轨迹运动，不会偏移或损毁零部件。

2.2 主泵

主泵的流量与安装在泵出口和执行器之间的外部传感节流孔的横截面积有关。流量在功率曲线和压力切断值之下以及在泵的整个控制范围内与负载压力无关。压差增大时，泵朝Vgmin回摆，压差减小时，泵朝Vgmin摆出，直至阀内传感节流孔两端压差恢复设定值。油泵原理图如图2 所示。特性曲线如图3 所示，压力变化范围为5～35MPa，排量变化范围为0～130mL/r。

2.3 行走驱动计算

挖装机工作能力70m3/h，整机质量13t，刮板链速度0.7m/s，行走速度0.4m/s，系统功率55kW，泵排量200L/min，其行走驱动特性曲线如图4。可以看出，当挖装机起步时，驱动力始终处于高位(＞120kN)，在位置1 点，驱动力达到峰值，随后缓慢下降，在位置2 点(V=0.412m/s)后，驱动力快速下降，因此系统行走速度为0.4m/s 是合理的。

图2 油泵原理

图3 油泵特性曲线

图4 矿用挖掘装载机行走驱动特性曲线

3 现场应用

装备LUDV 系统的挖装机在开滦赵各庄矿进行了试验，掘进断面16.81m2，净断面15.76m2，总进尺147m，共装矸4447m3。经测算实际生产能力50m3(考虑调车、清帮、倒堆时间)，操作更灵活可靠，机器装岩能力大，机动性能好，安全性能和一机多用性能优良，能够满足岩巷掘进机械化施工的要求，性能达到各项指标要求。

4 结束语

液压系统是挖装机的核心系统之一，该系统设计是否合理，直接关系到整机的性能和可靠性。根据挖装机的实际工况和LUDV 系统的基本原理，正确分析了液压系统负载、速度及变化规律，确定了科学的调速控制方案，研究了合理的液压过载保护方式，并采取了可靠的防止液压冲击的技术措施，完善了整体的液压系统方案，性能达到各项指标要求，可推广应用。

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