论文部分内容阅读
摘要：矿石铲运机液压系统对于矿石铲运机整体性能具有决定意义，对于矿石铲运机工作效率具有重要影响。对此，本文首先对矿石铲运机基本结构及基本动作作出简要阐述，然后说明矿石铲运机液压系统设计重要性，点明本文研究意义，最后结合实际情况，对一种矿石铲运机液压系统设计方案予以改进，并进行仿真分析，经过分析，可以发现本文所提出改进设计具有良好效果，希望对业内可以起到一定参考作用。
关键词：矿石铲运机；液压系统；设计方案
前言：
在矿山开采过程中，其主要环节为开拓环节、采准环节与回采环节，开拓环节与采准环节可以为地表和地下矿体间构建连接通道，让排水通风等准备工作得以完成，回采主要是铲装矿石、运输矿石，在此过程中，铲装作业具有最为繁重的任务，需要最长的作业时间与劳动循环时间，此环节的工作效率往往决定了矿山开采工作的整体效率。
一、矿石铲运机基本结构及基本动作
（一）基本结构
矿石铲运机基本结构大致相同，在外部结构上，主要可分为前车架、半车架、驾驶室、工作装置、电气系统、铲斗、动臂、前后车架销轴、电缆连接及行走系统这几个主要部分，利用中央垂直销轴连接前后半车架，利用转向液压缸可以让车辆实现转弯；在内部结构上，主要可分为传动系统、动力系统、工作装置、制动系统、液压系统、行走系统、转向系统及控制系统等部分，其中传统系统主要包含了变速箱、变矩器、传动轴以及前后驱动桥，动力系统主要为动力源，行走系统主要可分为车轮、车架这两个部分，控制系统主要可分为控制铲运机照明、仪表、装置这几部分。其中液压系统、工作装置是矿石铲运机的核心部分[1]。
（二）基本动作
矿石铲运机基本动作可以归纳为：（1）铲斗插入。在物料堆前，铲运机前动臂降低，放平铲斗插入物料。（2）铲取。推动摇臂，铲斗被摇臂下端铰接点带动，铲斗翻转，收物料到斗内。（3）重载运输。运输物料到制定地点，此过程中，转斗液压缸与举升液压缸为封闭状态。（4）举升。即举升铲斗到一定高度，让卸料更为方便。（5）卸料。翻转铲斗在卸料位置上方，卸载物料。（6）空载运输。空载状态返回运输地点，准备再一次工作。
二、矿石铲运机液压系统设计重要性
矿石长运机液压系统设计重要性体现在两个方面：（1）提升整体采矿效率。在采矿挖掘工作中，地下铲运机的使用可以让整体采矿效率得到提升，但是，因为地下铲运机具有较为繁重的工作任务、较为恶劣的工作环境，这会使其工作效率与使用寿命受到严重影响。液压系统在铲运机设备组成部分中占有重要地位，合理的液压系统设计可以让作业时间得到缩短，让铲运机工作能力得到提升，并让其寿命得到延长。（2）推动我国矿石铲运机的自主研发。现阶段，我国铲运机产品和国际品牌产品相比，其结构与功能大体相似，这主要是因为我国铲运机生产厂家普遍沒有自主研究能力、研究投入不大造成的，参照国际品牌产品进行简单仿制势必会对产品质量造成影响，因此，加大矿石铲运机液压系统设计的投入力度，对于我国矿石铲运机的自主研发、开采行业的可持续发展具有重要意义[2]。
三、矿石铲运机液压系统设计方法
（一）液压系统设计要求及设计步骤
1.设计要求
在系统设计中，矿石铲运机液压系统的设计要求是重要依据，设计要求主要包含五个方面：（1）明确液压系统需要完成的动作，动作的执行顺序；（2）需要明确主机的性能、用途、作业环境以及工艺流程；（3）需要明确液压驱动机构的运动速度与运动形式；（4）需要满足运动平稳性、调速范围与转化精度方面的要求；（5）需要满足防爆、防尘、噪声、安全要求。
2.设计步骤
在矿石铲运机液压系统的设计中，并没有较为严格的顺序，可以让各个设计步骤交叉进行，通常情况下，其设计步骤包含五个部分：（1）分析工况，对系统主要参数进行确定；（2）对液压执行元件形式进行确定；（3）制定基本方案，对液压系统原理图予以拟定；（4）对液压元件进行选择；（5）验算液压系统性能。
（二）矿石铲运机液压系统介绍
本文以ACY-2型地下铲运机为例进行分析，该铲运机额定载质量为4t，斗容为2m3，最大运行速度是17km/h，最大举升高度是4220mm。该地下铲运机液压系统结构组成部分主要为转向系统、制动系统、工作系统与变速补油系统，制动系统主要包含了滤清器、油箱、制动泵、溢流阀、压力开关、集流块等，主要采用全液压双回路制动形式，压力油由定量齿轮泵提供，如果油压不能满足13MPa，那么液控先导向阀会启动，让蓄能器得到充液，如果压力满足15MPa，那么会开启换向阀上先导口，顶阀芯至相对方向，让充液阀保压。
工作系统主要包含了滤清器、定量齿轮泵、工作主阀以及油缸，转向系统主要包含了定量齿轮泵、转向油缸与转向主阀，转向阀可以对倾翻油缸与举升油缸进行控制，对倾翻油缸进行控制的阀片可浮动，在利用矿石铲运机进行物料卸载时，可以利用手柄推动阀片，将其推至浮动处，在重力作用下，可让转斗迅速卸料[3]。
在过去，在对矿石铲运机液压系统进行设计时，往往会利用自身经验，结合转向阻力矩、转向缸径等相关公式设计出少量样机，对其设计缺陷进行仔细检查，之后进行改进，此种设计方法可能会造成管径、缸径偏大、一些部位安全系数偏高、泵排量增大情况出现，会造成资源浪费，除此之外，传统液压制动系统主要组成部分为脚踏制动阀、蓄能器、湿式多盘制动器和压力油源，就其工作原理而言，如果液压系统有漏油、爆管或是故障现象出现，那么就会让制动器内解制动压力油出现失压情况，可以实现有效制动，但是，这种设计也有可能让制动时制动容积内液归0时间不能得到保证，产生安全隐患，让静片、动片快速抱死，让制动器寿命受到影响。结合TOR0007地下铲运机液压系统，可以对ACY-2型地下铲运机液压系统进行改进设计。TOR0007地下铲运机液压系统是Sandvic Tamrock公司生产的优秀产品，具有一定借鉴意义。 （三）矿石铲运机液压系统的改进设计
1.制动系统
在原系统中，利用了液压制动形式的制动器，在对此系统进行改进设计后，采用形式为弹簧制动液压释放形式，在制动系统中，主要包含了制动泵、溢流阀、滤清器、转接板、电磁换向阀、蓄能器、充液阀、脚踏阀、压力表及行车制动器等部分，在性能上，这种弹簧制动形式和液压制动形式相比具有更高的可靠性、安全性，在制动系统出现故障时，车辆会维持原地不动状态，进而确保工作安全。同时，该系统和双回路液压制动相比要更为简便。
2.工作与转向系统
在本文中，ACY-2型地下铲运机液压系统的工作与转向系统改进设计如图1所示。
结合图1，在工作与转向系统的改进设计中，其构成部分主要包含了油箱、双联泵、回油滤清器、转向主阀、工作主阀、油缸与转接板，由双联泵为系统进行供油，工作系统由工作泵供油，在经过工作主阀、举升油缸、倾翻油缸之后可以流回油箱。转向系统由转向泵供油，在经过管路以及相关阀块后，可以流回油箱。和原系统相比，参数保持不变的有举升活塞杆径、举升油缸内径、倾翻油缸内径、活塞行程、倾翻活塞杆径、压力油管通径、吸油管这几方面。工作系统利用了由工作主阀、齿轮泵、举升油缸、倾翻油缸共同组成的正转流杆机构，可以手动控制工作液压系统，利用6个单向阀可以构成工作阀，如果系统有超负荷工作情况，单向阀可以进行补油，让车辆熄火油倒流情况得到有效避免。工作系统与转向系统在非工作状态时会进行合流。
在经过改进之后，和原系统相关参数进行对比，在流量方面，原系统流量与改进之后的参数均为142.5L·min-1；在回油管通径方面，原系统为46mm，在改进之后，系统回油管通径为38mm；在泵排量方面，原系统为32.3mL·r-1，改进后的参数为63mL·r-1。
（四）改进系统仿真分析
结合上文，改进系统和原系统相比，在转向系统阻力系数得到减小后，其转向泵排量、转向缸缸径、转向系统管径均得到改变。工作系统与转向系统的合流提高了工作泵排量；利用弹簧制动形式，将双回路制动改变成单回路制动，让管路布置得到简化。利用Automation Studio可以构建ACY-2型地下铲运机液压系统分析模型[4]。
在制动液压系统方面，对其进行仿真分析，对蓄能器一次充满液，让动力源断开，此时提供能量的仅为蓄能，进行连续制动。对连续制动当中流量、时间与杆腔关系进行分析，可以发现制动器工作一次时间通常大于0.3s，小于0.5s，可以对相关设计要求予以满足。同时，在此过程中制动次数的增加会减少流量与压力，可以完成制动次数大于5次。观察蓄能器充液与放液时的压力流量变化情况，在充液过程中，系统蓄能器压力会随着发动机带动制动泵工作而持续加大，达到相关设计值，压力会随着充液的进行而持续加大，进而达到最大值，经过检测，从9MPa到18.6Mpa过程中，其时间为6.5秒，在达到最大值后，充液速度会归0，让充液动作及时停止；在放液过程中，从最大值18.6KMPa到0.1MPa的时间为0.5s，时间满足使用要求，在矿石铲运实际工作中，充液阀会在内部压力不满足15.5MPa时进行自动充液。对制动器内压力变化进行观察，在非制动状态下，制动器内压力比送闸压力要略高一些，如果驾驶员制动操作，回位弹簧压力大于制动器压力，那么制动器压力会快速降低，从11.03MPa至3.2MPa的时间约为0.3s，讓快速制动得以实现。
在转向液压系统方面，其压力油管通径与转向主阀通径均为12mm，在系统为卸荷状态时，转向系统运转在两个极值之间，转向泵出口压力是6.461·105Pa。经过仿真分析，转向油缸工作时间为6s，在匀速行驶过程中，保持56cm/s的速度，35L/m的系统流量；发现油缸载荷设置是96kN，没有真空现象与过载现象出现，且相关参数正常。设计参数和仿真分析结果具有较高符合性。在倾翻油缸出现溢流情况时，总回油管路有高压情况出现，对此问题，改变工作系统回油管为46mm，改变转向系统回油管通径为31.5mm，可规避此类问题，且各个部分与油路走向均无异常情况出现。结合ACY-2型地下铲运机液压系统结构特点，对其液压系统进行改进设计，降低地面和轮胎的综合阻力系数，缩小油缸缸径，通过构建模型仿真分析的方法，可以发现这种改进设计方法具有良好效果。
结论：
综上所述，利用Automation Studio进行仿真分析，可以发现通过降低转向阻力矩、增大工作液压系统回油管、改变连接专项主阀与回油管三通通径、改液压制动形式为弹簧制动形式的方法，可以让ACY-2型地下铲运机液压系统得到改进设计，改进效果相对较好，对于企业矿石铲运机的液压系统设计具有一定借鉴意义。
参考文献：
[1]牟少良.铲运机液压系统双泵合流技术分析[J].时代农机，2017，44（06）：91-92.
[2]任军.铲运机液压系统故障原因与改进建议[J].内燃机与配件，2017（05）：54-55.
[3]樊瑞龙.矿用重型铲运机液压制动系统的改进设计与仿真分析[J].液压与气动，2016（05）：32-36.
[4]郝宁波，王京刚，郭燕.电动铲运机液压系统污染原因分析与控制[J].矿山机械，2014，42（03）：115-116.
关键词：矿石铲运机；液压系统；设计方案
前言：
在矿山开采过程中，其主要环节为开拓环节、采准环节与回采环节，开拓环节与采准环节可以为地表和地下矿体间构建连接通道，让排水通风等准备工作得以完成，回采主要是铲装矿石、运输矿石，在此过程中，铲装作业具有最为繁重的任务，需要最长的作业时间与劳动循环时间，此环节的工作效率往往决定了矿山开采工作的整体效率。
一、矿石铲运机基本结构及基本动作
（一）基本结构
矿石铲运机基本结构大致相同，在外部结构上，主要可分为前车架、半车架、驾驶室、工作装置、电气系统、铲斗、动臂、前后车架销轴、电缆连接及行走系统这几个主要部分，利用中央垂直销轴连接前后半车架，利用转向液压缸可以让车辆实现转弯；在内部结构上，主要可分为传动系统、动力系统、工作装置、制动系统、液压系统、行走系统、转向系统及控制系统等部分，其中传统系统主要包含了变速箱、变矩器、传动轴以及前后驱动桥，动力系统主要为动力源，行走系统主要可分为车轮、车架这两个部分，控制系统主要可分为控制铲运机照明、仪表、装置这几部分。其中液压系统、工作装置是矿石铲运机的核心部分[1]。
（二）基本动作
矿石铲运机基本动作可以归纳为：（1）铲斗插入。在物料堆前，铲运机前动臂降低，放平铲斗插入物料。（2）铲取。推动摇臂，铲斗被摇臂下端铰接点带动，铲斗翻转，收物料到斗内。（3）重载运输。运输物料到制定地点，此过程中，转斗液压缸与举升液压缸为封闭状态。（4）举升。即举升铲斗到一定高度，让卸料更为方便。（5）卸料。翻转铲斗在卸料位置上方，卸载物料。（6）空载运输。空载状态返回运输地点，准备再一次工作。
二、矿石铲运机液压系统设计重要性
矿石长运机液压系统设计重要性体现在两个方面：（1）提升整体采矿效率。在采矿挖掘工作中，地下铲运机的使用可以让整体采矿效率得到提升，但是，因为地下铲运机具有较为繁重的工作任务、较为恶劣的工作环境，这会使其工作效率与使用寿命受到严重影响。液压系统在铲运机设备组成部分中占有重要地位，合理的液压系统设计可以让作业时间得到缩短，让铲运机工作能力得到提升，并让其寿命得到延长。（2）推动我国矿石铲运机的自主研发。现阶段，我国铲运机产品和国际品牌产品相比，其结构与功能大体相似，这主要是因为我国铲运机生产厂家普遍沒有自主研究能力、研究投入不大造成的，参照国际品牌产品进行简单仿制势必会对产品质量造成影响，因此，加大矿石铲运机液压系统设计的投入力度，对于我国矿石铲运机的自主研发、开采行业的可持续发展具有重要意义[2]。
三、矿石铲运机液压系统设计方法
（一）液压系统设计要求及设计步骤
1.设计要求
在系统设计中，矿石铲运机液压系统的设计要求是重要依据，设计要求主要包含五个方面：（1）明确液压系统需要完成的动作，动作的执行顺序；（2）需要明确主机的性能、用途、作业环境以及工艺流程；（3）需要明确液压驱动机构的运动速度与运动形式；（4）需要满足运动平稳性、调速范围与转化精度方面的要求；（5）需要满足防爆、防尘、噪声、安全要求。
2.设计步骤
在矿石铲运机液压系统的设计中，并没有较为严格的顺序，可以让各个设计步骤交叉进行，通常情况下，其设计步骤包含五个部分：（1）分析工况，对系统主要参数进行确定；（2）对液压执行元件形式进行确定；（3）制定基本方案，对液压系统原理图予以拟定；（4）对液压元件进行选择；（5）验算液压系统性能。
（二）矿石铲运机液压系统介绍
本文以ACY-2型地下铲运机为例进行分析，该铲运机额定载质量为4t，斗容为2m3，最大运行速度是17km/h，最大举升高度是4220mm。该地下铲运机液压系统结构组成部分主要为转向系统、制动系统、工作系统与变速补油系统，制动系统主要包含了滤清器、油箱、制动泵、溢流阀、压力开关、集流块等，主要采用全液压双回路制动形式，压力油由定量齿轮泵提供，如果油压不能满足13MPa，那么液控先导向阀会启动，让蓄能器得到充液，如果压力满足15MPa，那么会开启换向阀上先导口，顶阀芯至相对方向，让充液阀保压。
工作系统主要包含了滤清器、定量齿轮泵、工作主阀以及油缸，转向系统主要包含了定量齿轮泵、转向油缸与转向主阀，转向阀可以对倾翻油缸与举升油缸进行控制，对倾翻油缸进行控制的阀片可浮动，在利用矿石铲运机进行物料卸载时，可以利用手柄推动阀片，将其推至浮动处，在重力作用下，可让转斗迅速卸料[3]。
在过去，在对矿石铲运机液压系统进行设计时，往往会利用自身经验，结合转向阻力矩、转向缸径等相关公式设计出少量样机，对其设计缺陷进行仔细检查，之后进行改进，此种设计方法可能会造成管径、缸径偏大、一些部位安全系数偏高、泵排量增大情况出现，会造成资源浪费，除此之外，传统液压制动系统主要组成部分为脚踏制动阀、蓄能器、湿式多盘制动器和压力油源，就其工作原理而言，如果液压系统有漏油、爆管或是故障现象出现，那么就会让制动器内解制动压力油出现失压情况，可以实现有效制动，但是，这种设计也有可能让制动时制动容积内液归0时间不能得到保证，产生安全隐患，让静片、动片快速抱死，让制动器寿命受到影响。结合TOR0007地下铲运机液压系统，可以对ACY-2型地下铲运机液压系统进行改进设计。TOR0007地下铲运机液压系统是Sandvic Tamrock公司生产的优秀产品，具有一定借鉴意义。 （三）矿石铲运机液压系统的改进设计
1.制动系统
在原系统中，利用了液压制动形式的制动器，在对此系统进行改进设计后，采用形式为弹簧制动液压释放形式，在制动系统中，主要包含了制动泵、溢流阀、滤清器、转接板、电磁换向阀、蓄能器、充液阀、脚踏阀、压力表及行车制动器等部分，在性能上，这种弹簧制动形式和液压制动形式相比具有更高的可靠性、安全性，在制动系统出现故障时，车辆会维持原地不动状态，进而确保工作安全。同时，该系统和双回路液压制动相比要更为简便。
2.工作与转向系统
在本文中，ACY-2型地下铲运机液压系统的工作与转向系统改进设计如图1所示。
结合图1，在工作与转向系统的改进设计中，其构成部分主要包含了油箱、双联泵、回油滤清器、转向主阀、工作主阀、油缸与转接板，由双联泵为系统进行供油，工作系统由工作泵供油，在经过工作主阀、举升油缸、倾翻油缸之后可以流回油箱。转向系统由转向泵供油，在经过管路以及相关阀块后，可以流回油箱。和原系统相比，参数保持不变的有举升活塞杆径、举升油缸内径、倾翻油缸内径、活塞行程、倾翻活塞杆径、压力油管通径、吸油管这几方面。工作系统利用了由工作主阀、齿轮泵、举升油缸、倾翻油缸共同组成的正转流杆机构，可以手动控制工作液压系统，利用6个单向阀可以构成工作阀，如果系统有超负荷工作情况，单向阀可以进行补油，让车辆熄火油倒流情况得到有效避免。工作系统与转向系统在非工作状态时会进行合流。
在经过改进之后，和原系统相关参数进行对比，在流量方面，原系统流量与改进之后的参数均为142.5L·min-1；在回油管通径方面，原系统为46mm，在改进之后，系统回油管通径为38mm；在泵排量方面，原系统为32.3mL·r-1，改进后的参数为63mL·r-1。
（四）改进系统仿真分析
结合上文，改进系统和原系统相比，在转向系统阻力系数得到减小后，其转向泵排量、转向缸缸径、转向系统管径均得到改变。工作系统与转向系统的合流提高了工作泵排量；利用弹簧制动形式，将双回路制动改变成单回路制动，让管路布置得到简化。利用Automation Studio可以构建ACY-2型地下铲运机液压系统分析模型[4]。
在制动液压系统方面，对其进行仿真分析，对蓄能器一次充满液，让动力源断开，此时提供能量的仅为蓄能，进行连续制动。对连续制动当中流量、时间与杆腔关系进行分析，可以发现制动器工作一次时间通常大于0.3s，小于0.5s，可以对相关设计要求予以满足。同时，在此过程中制动次数的增加会减少流量与压力，可以完成制动次数大于5次。观察蓄能器充液与放液时的压力流量变化情况，在充液过程中，系统蓄能器压力会随着发动机带动制动泵工作而持续加大，达到相关设计值，压力会随着充液的进行而持续加大，进而达到最大值，经过检测，从9MPa到18.6Mpa过程中，其时间为6.5秒，在达到最大值后，充液速度会归0，让充液动作及时停止；在放液过程中，从最大值18.6KMPa到0.1MPa的时间为0.5s，时间满足使用要求，在矿石铲运实际工作中，充液阀会在内部压力不满足15.5MPa时进行自动充液。对制动器内压力变化进行观察，在非制动状态下，制动器内压力比送闸压力要略高一些，如果驾驶员制动操作，回位弹簧压力大于制动器压力，那么制动器压力会快速降低，从11.03MPa至3.2MPa的时间约为0.3s，讓快速制动得以实现。
在转向液压系统方面，其压力油管通径与转向主阀通径均为12mm，在系统为卸荷状态时，转向系统运转在两个极值之间，转向泵出口压力是6.461·105Pa。经过仿真分析，转向油缸工作时间为6s，在匀速行驶过程中，保持56cm/s的速度，35L/m的系统流量；发现油缸载荷设置是96kN，没有真空现象与过载现象出现，且相关参数正常。设计参数和仿真分析结果具有较高符合性。在倾翻油缸出现溢流情况时，总回油管路有高压情况出现，对此问题，改变工作系统回油管为46mm，改变转向系统回油管通径为31.5mm，可规避此类问题，且各个部分与油路走向均无异常情况出现。结合ACY-2型地下铲运机液压系统结构特点，对其液压系统进行改进设计，降低地面和轮胎的综合阻力系数，缩小油缸缸径，通过构建模型仿真分析的方法，可以发现这种改进设计方法具有良好效果。
结论：
综上所述，利用Automation Studio进行仿真分析，可以发现通过降低转向阻力矩、增大工作液压系统回油管、改变连接专项主阀与回油管三通通径、改液压制动形式为弹簧制动形式的方法，可以让ACY-2型地下铲运机液压系统得到改进设计，改进效果相对较好，对于企业矿石铲运机的液压系统设计具有一定借鉴意义。
参考文献：
[1]牟少良.铲运机液压系统双泵合流技术分析[J].时代农机，2017，44（06）：91-92.
[2]任军.铲运机液压系统故障原因与改进建议[J].内燃机与配件，2017（05）：54-55.
[3]樊瑞龙.矿用重型铲运机液压制动系统的改进设计与仿真分析[J].液压与气动，2016（05）：32-36.
[4]郝宁波，王京刚，郭燕.电动铲运机液压系统污染原因分析与控制[J].矿山机械，2014，42（03）：115-116.