1、基于巷修机工作的特殊环境，展开对本文有关煤矿巷道用巷修机的研究，以使煤矿巷道用巷修机具备以下三个特点：（1）设备的动力系统具备防爆功能；（2）机器转弯半径小，可实现原地360度转向；（3）功能多样化，通过更换煤矿巷道用巷修机所配备的各种附具（附属用具）可实现多种维护工作。具备上述三项突出特点的煤矿巷道用巷修机可完全满足矿井巷修机工作环境要求。巷修机的主要特点包括：（1）滑移转向，机动灵活，可在狭小场地工作；（2）一机多用，可安装多种工作装置；（3）工作装置采用快换接头，更换方便快捷；（4）全液压驱动，操纵灵活舒适、可靠；（5）最大的特点是整机外形尺寸小，且可实现原地转向；可在作业现场随机快速更
2、换或挂接各种工作装置。本文所设计的巷修机属于小型多功能机械，是目前工程机械领域相对先进的一种。煤矿巷道用巷修机与普通工程机械不同，它可实现原地360度转向。其中，液压系统是煤矿巷道用巷修机的关键组成部分，通过液压系统驱动整车行走及各种动作。因此，液压系统的性能直接影响煤矿巷道用巷修机的整机水平。该系统主要由液压缸、马达、换向阀、蓄能器等部件及导向与密封装置组成。液压系统对提高煤矿巷道用巷修机工作效率，降低能源消耗，节省装机容量，改善设备的操作性能具有重要意义。1.2 国内外液压传动系统研究现状相对于机械传动，液压传动是一门新的技术。液压传动起源于1654年帕斯卡提出的静压传动原理，1795年英
3、国第一台水压机问世，1905年，将工作介质有水改为油后，性能得到很大改善。液压传动的推广应用，得益于19世纪崛起并蓬勃发展的石油工业。最早成功应用液压传动装置的是舰艇上的炮塔转位器；第二次世界大战期间，由于军事工业需要反应快、精度高、功率大的液压传动装置有进一步推动了液压技术的发展；战后，液压技术迅速转向民用，在国民经济的各个行业中逐步得到推广。20世纪60年代后，随着原子能、空间技术、计算机技术的发展，液压技术也得到了很大发展，并渗透到各个工业领域中去。当前液压技术正向高速、高压、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化、复合化、数字化、小型化、轻量化等方向发展；同时，新型液压元件和液压系
4、统的计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（CDC）、机电一体化技术、计算机仿真和优化设计技术、可靠性技术、基于绿色制造的水介质传动技术以及污染控制方面，也是当前液压技术的发展和研究的方向。 我国的液压技术开始于1952年，液压元件最初应用于机床和锻压设备，后来应用于工程机械。1964年我国从国外引进了一些液压元件生产技术，同时自行设计液压产品，经过多年的艰苦探索和发展，特别是20世纪80年代初期引进美国、日本、德国的先进技术和设备，是我国的液压技术水平上了一个新的台阶。目前，我国已形成门类齐全的标准化、系列化、通用化液压元件系列产品。同时我国在消化、吸收国外先进技术的同时，大力研制、开发国
5、产液压新产品，加强产品质量可靠性以及新技术应用的研究，积极采用新的国际标准，不断调整产品结构，对一些性能差的液压产品，采用逐步淘汰的措施。由此可见，随着科学技术特别是控制技术和计算机技术的发展，液压传动与控制技术将得到进一步发展，应用将更加广泛。1.3 本文研究的主要内容液压系统方案设计：根据动作和性能的要求先分别选择和拟定基本回路，然后将各个回路组合成一个完整的系统。主要包括以下几个方面：1、确定系统类型系统类型指的是开式系统或闭式系统，它主要取决于主机的类型，作业环境及液压系统的调速方式和散热要求。2、选择液压回路 选择液压回路是根据系统的设计要求和工况从众多的成熟方案中评比挑选出来的。选
6、择时要从对主机主要性能起决定性作用的调速回路开始，然后根据需要考虑调压、平衡、换向、顺序动作、动作互锁等其它辅助回路。如对有垂直运动部件的系统要考虑平衡回路，有快速运动部件的系统要考虑缓冲和制动回路，有多个执行元件的系统要考虑顺序动作、同步或互不干扰回路，有空转要求的系统要考虑卸荷回路等等。同时也要考虑节省能源、减少发热、减少冲击、保证动作精度等问题。对可能出现的多种方案要进行反复对比谨慎抉择。3、确定控制方式控制方式主要根据主机的要求确定，如果要求系统按一定顺序自动循环，可使用行程控制或压力控制。采用行程阀控制可使动作可靠；若采用电液比例控制、可编程控制器控制和微机控制，可简化油路改善系统的
7、工作性能，而且使系统具有较大的柔性和通用性。4、组合液压系统 组合液压系统是把挑选出来的各种液压回路综合在一起，进行归并整理，增添必要的元件或辅助油路，合并作用相同或相近的元件或回路使之成为完整的系统。整理后，务必使系统结构简单、紧凑，工作安全可靠，动作平稳，效率高，使用和维护方便。并且尽可能采用标准元件，以降低成本，缩短设计和制造周期。对可靠性要求特别高的系统来说，需要在系统中设置一些备用的元件或回路，以便在元件或回路发生故障时以解燃眉之急，确保系统的正常工作不受影响。1.4 巷修机主要技术参数额定载荷980侧翻载荷2000铲斗容积.发动机功率发动机转速行驶速度.工作臂举升时间工作臂降落时间
8、铲斗前倾时间工作系统压力行走系统压力前转弯半径轮胎型号.轮毂型号.液压系统额定流量液压系统最大流量1.5 液压系统设计要求液压传动系统设计是液压设备主机设备的重要组成部分，应从必要性、可行性和经济性等几个方面对机械、电气、液压和气动等传动形式进行全面比较和论证，决定采用液压传动系统后，液压传动系统设计和主机设计往往同时进行。其设计要求为从实际出发，重视调查研究，注意吸取国内外先进技术，为力求做到所设计的液压传动系统在满足主机拖动、工作循环要求的前提下，符合结构组成简单、体积小、重量轻、工作安全可靠、使用维护方便、经济性好等公认的设计原则。液压传动系统的设计主要分为两大部分：一是系统的功能原理设
9、计，它包括系统功能设计、组成元件设计和液压系统验算等三个环节，其目的是以液压系统原理图的方式，确定完成主机任务要求的液压传动系统方案。二是系统的结构设计也称为施工设计，它包括液压装置及电气控制装置的设计，其设计的成果是液压传动系统产品的工作图样和有关技术文件，为制造、组装和调试液压系统提供依据。液压系统是多功能煤矿巷道用巷修机的核心模块，煤矿巷道用巷修机行走及操作的动力都由静液压传动提供，因此首先要明确煤矿巷道用巷修机的整体设计对液压系统的要求。（1）主机的概况。包括设备用途（工艺目的）、结构布局（卧式、立式等）、使用条件（连续运转、间歇运转、特殊液体的使用）、技术特性（工作负运载的性质及大小
10、；运动形式；位移、速度、加速度等运动参数的大小和范围）、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等。由此确定哪些机构需要采用液压传动，所需执行元件形式和数量及其工作范围、尺寸、质量和安装等限制条件。多功能煤矿巷道用巷修机通过液压源提供的动力驱动附具实现井下巷道的各种维护工作。（2）明确液压系统需要控制的动作、顺序及彼此联锁关系。对煤矿巷道用巷修机行走机构的控制：发动机通过对变量泵的控制最终实现对执行机构马达的驱动，执行机构的运动形式为回转式马达，根据实际需要，选取低速大扭矩径向柱塞马达，采用容积调速、闭式循环方式，油箱占用空间少，因此结构紧凑且与不易与空气接触，系统传动平稳且效率高。煤矿巷道用巷修机
11、工作机构的变速和换向通过调节泵的变量机构实现。工作机构的动作包括工作臂举升、附件挂架倾斜等，执行件为油缸，附具外输出接头件采用串联式多路阀，可实现三组回路的协同动作。（3）原动机的类型，液压驱动机构的运动形式，运动速度。（4）各机构的载荷大小及其性质。行走机构所要克服载荷包括克服地面的摩擦力和插入阻力，工作机构的载荷主要来自所承载货物以及附件所承受的各种载荷。（5）自动化程序、操作控制方式的要求。操作方式采用机械式拉杆直接操纵以节约成本。（6）对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求。防爆严格执行国家队矿井下施工设备的标准，其他方面按照一般小型工程机械的要求。（7）对效率、成本等方面的要求。
12、行走的闭式回路的效率较高，工作的开式回路的效率较低，成本方面，在满足使用性能的前提下尽量的降低成本。（8）经济性要求，如投资费用、运行能耗和维护保养费用等。2 煤矿巷道用巷修机液压系统设计2.1 液压系统的简介211 液压系统的工作原理 液压系统是由各种液压元件（包括液压泵、液压阀、执行元件及辅助元件等）按一定需要合理组合而成。他的工作原理是：液压泵由电动机带动旋转后，从油箱中吸油。油液经滤油器进入液压泵，当它从泵中输出进入压力管后，通过开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸一腔，推动活塞和上作台运动。这时，液压缸另一腔的油经换向阀和回油管排回油箱。由此可知:（1）液压传动是以液体作为上作介质来传递
13、能量的；（2） 液压传动用液体的压力能来传递动力，它与利用液体动能的液力传动是不相同的；（3） 液压传动中的上作介质在受控制、受调节的状态下进行上作的，因此液压传动和液压控制常常难以截然分开。2.1.2液压系统的组成部分 液压传动主要山以下四部分组成：（1） 能源装置把机械能转换成油液液压能的装置，最常见的形式就是压泵它给液压系统提供压力油；（2） 执行装置把油液的液压能转换成机械能的装置，它可以是作直线运动的液压缸，也可以是作回转运动的液压马达；（3） 控制调节装置对系统中油液压力、流量或方向进行控制或调节的装置，例如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。这些元件的不同组合形成了不同功能的液压系
14、统；（4） 辅助装置上述三部分以外的其它装置，例如油箱、滤油器、油管等，他们对保证系统正常上作也有重要作用。2.1.3 液压传动的优点液压系统具有如下优点： （1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更大的动力，因为液压系统中的压力可以比电枢磁场中的磁力大3040倍。在同等功率的情况下，液压装置的体积小，重量轻，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的12%左右。 （2） 液压装置的上作比较平稳。液压装置由于重量轻、惯性小、反应快、易于实现快速启动、制动和频繁的换向。液压装置的换向频率，在实现往复回转运动时可达每分500次，它实现往复自线运动时可达每分钟1000次。（3） 液压
15、装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达1:2000），还可以在液压装置进行的过程中进行调速。（4） 液压传动易于实现自动化，因为它是对液体的压力、流量和流动方向进行控制或调节，操纵很方便。当液压控制和电气控制或气动控制结合在一起使用时，能实现复杂的顺序动作和远程控制。（5） 液压装置易于实现过载保护。液压元件能自行润滑，因此使用寿命较长。（6） 由于液压元件己实现标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。液压元件的排列布置也有较大的机动性。（7） 用液压传动来实现自线运动远比用机械传动简单。2.1.4 液压传动的缺点液压系统具有如下缺点： （1） 液压传动不能保证严格的
16、传动比，这是山液压油的，可压缩性和泄漏等因素造成的（2） 液压传动在上作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失等），用作远距离传动时更是如此。（3） 液压传动对油温的变化比较敏感，它的上作稳定性很易受到温度的影响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下上作。（4） 为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求都较高，因此它的造价较贵，而且对油液的污染比较敏感。（5） 液压传动要求有单独的能源。（6） 液压传动出现故障时不易找出原因。总的说来，液压传动的优点是突出的，它的缺点将随着科技的发展而逐渐得到克服。2.2 确定液压系统的类型 为了设计适合巷修机工况的液压系统，有必要了解一下巷修机的适用条件
17、。巷修机的适用条件如下。a） 巷修机是在矿井环境下进行工作的，对于不同的地带和季节，气温变化是非常大的。所以液压系统中冷却和加热就成为不可忽视的问题。b） 负载繁重，并且负载的范围也很大。由于巷修机冲击力的作业多，液压系统可能承载过大的负载。如果在设计中不考虑过载的话，就可能使系统由于压力冲击而损坏。c） 在工地上空气中含灰尘量极大，对液压系统有较高的密封要求，否则降低液压元件的使用寿命。根据巷修机工作装置主要运动和使用条件，其基本要求如下: 工作性能好。应保证工作装置具有较高的生产率，在运动过程中平稳，尽量减少冲击。 寿命长、可靠性高。应特别注意防止油液污染问题，以及保证液压元件和辅助装置在
18、高温或低温条件下工作的可靠性和提高使用寿命。此外，还应考虑压力成倍的增加和频繁的急剧变化等。 操作性能好。巷修机与机床不同，机床是自动运转和用电磁阀间接地进行操纵巷修机是靠人的手来直接操纵的。所以必须具有良好的操作性能。 工作安全可靠。 易于安装、维修和保养。2.2.1 选液压系统的工作压力压力的选择要根据载荷的大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间，经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济；反之压力选的太高，对泵 缸 阀等元件的材质 密封 制造精度也要求很高，必然要提高设备成
19、本。具体选择可考虑表2-1和表2-2表2-1 按载荷选择工作压力载荷/KN50工作压力/MPa0.811.522.5334455表2-2 各类设备常用的工作压力设备类型 机 床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床0.82352881010182032有以上的数据查表和根据巷修机参数可得：选定工作压力P = 20 MPa。2.2.2 液压系统原理图由工作要求，和系统压力要求可初步确定，用到的主要液压元件有： 液压泵 -为执行元件提供动力。 液压缸 -执行元件，使巷修机构完成既定动作。 油箱 -储存和冷却压力油。 由工作的条件可确定液
20、压系统原理图为：图2.1 液压系统原理图2.2.3 选定液压系统类型1 从不同的角度出发，可把液压系统分成不同的形式。按油液的循环方式，液压系统可分为开式系统和闭式系统。开式系统是指液压泵从油箱吸油，油经各种控制阀后，驱动液压执行元件，回油再经过换向阀回油箱。这种系统结构较为简单，可以发挥油箱的散热、沉淀杂质作用，但因油液常与空气接触，使空气易于渗入系统导致机构运动不平稳等后果。开式系统油箱大，油泵自吸性能好。闭式系统中液压泵的进油管直接与执行元件的回油管相连，工作液体在系统的管路中进行封闭循环。其结构紧凑，与空气接触机会少，空气不易渗入系统，故传动较平稳。工作机构的变速和换向靠调节泵和马达的
21、变量机构实现，避免了开式系统换向过程中所出现的液压冲击和能量损失。但闭式系统较开式系统复杂，因无油箱，油液的散热和过滤条件较差。为补偿系统中的泄漏，通常需要一个小流量的补油泵和油箱。由于单杆双作用油缸大小腔流量不等，在工作过程中会使功率利用下降，所以闭式系统中的执行元件一般为液压马达。按系统中液压泵的数目，可分为单泵系统和多泵系统。单泵系统由一个液压泵供油给动力转向和工作装置。该系统有一定的功率损失，仅适用与小型巷修机上使用。多泵系统有两个或两个以上液压泵供油给动力转向和工作装置。大、中型巷修机为了更合理地利用功率，缩短作业循环时间，提高生产率，目前多采用多泵系统。一般由工作装置液压泵、转向泵
22、和辅助泵组成两个液压回路：工作装置液压回路和转向液压回路。而这两个回路是通过辅助泵联系起来的，它通过流量控制阀把油液分配给转向或工作油路。按所用液压泵形式的不同，可分为定量泵系统和变量泵系统。变量泵的优点是在调节范围之内，可以充分利用发动机的功率，但其结构和制造工艺复杂，成本高，可分为手动变量、伺服变量、压力补偿变量、恒压变量、液压变量等多种方式。按向执行元件供油方式的不同，可分为串联系统和并联系统。串联系统中，上一个执行元件的回油路即为下一个执行元件的进油，每通过一个执行元件压力就要降低一次。在串联系统中，当主泵向多路阀控制的各执行元件供油时只要液压泵的出口压力足够，便可以实现各执行元件的运
23、动的复合。但由于执行机构的压力是叠加的，所以克服外载荷能力将随执行元件数量的增加而降低。并联系统中，当一台液压泵向一组执行元件供油时，进入各执行元件的流量只是液压泵输出流量的一部分。流量的分配随各件上外载荷的不同而变化，首先进入外载荷较小的执行元件，只有当各执行元件上外载荷相等时，才能实现同时动作。初拟系统方案时，应注意以下几点。系统应力求简单可靠。系统越复杂，产生故障的机会越多，系统本身消耗的功率也就越大。要注意防止回路间的相互干扰。尤其在单泵多油缸系统中，要考虑某一回路工作时，压力和流量对其他回路会有什么影响，并采取措施防止干扰。要考虑提高系统工作效率，防止过热。效率低的液压系统，不但浪费
24、动力，而且无效的功将使系统发热，油温升高。油温一般限制在70以下，油温过高会使系统容积效率降低，油液变质。应尽量采取效率高、发热少的回路。系统压力：巷修机液压系统的压力是液压系统的一个最基本的参数，它决定了巷修机使用中的经济性和可靠性，是选择和设计液压元件的主要依据之一。系统压力选择的合理与否将直接影响到液压传动装置的工作性能好坏、体积和质量的大小。目前，液压系统所采用的工作压力逐渐提高，高压化已成为液压传动发展的趋势。高压液压系统的优缺点，见表2-3（巷修机）。 表2-3（巷修机）优点1）泵、阀、马达、油箱等元件体积小、质量轻2）整机结构紧凑，易于布置和维护管理3）流量减少，可相对减少管路和
25、热损耗4）节约钢材、降低成本缺点1）机器的耐久性和可靠性降低2）油封和软管质量要求更高3）元件的制造和装配精度要求严格4）对工作油污染的敏感性增加5）噪声较大2. 工作装置液压系统巷修机主要用来对散装物料进行铲装、搬运、卸载及平整场地等作业，也可用来进行轻度铲掘工作，是使用十分广泛的一种工程机械。其主要工作装置是动臂与铲斗。巷修机的基本动作是：将铲斗插入物料，向后翻转铲斗，保持载荷，提升物料到一定的高度，将载荷运输到卸荷的地点，倾卸，然后再回到装料处，如此循环作业。巷修机工作装置应能有效地完成物料的提升和铲斗的翻转；当需要钻孔时，可换用钻头来实现,并可安装多种工作装置实现巷道的维护和清理。3
26、液压系统形式 液压系统的形式，是根据设计对象的用途、工作条件和性能要求来确定的。例如，工作负载的性质和大小；执行机构的数目、运动形式及其运动的速度、精度和平稳性的要求；各执行机构之间的同步、随动、连锁和顺序动作等关系。此外，还需考虑工作安全可靠方面的措施等。 从前面对巷修机液压系统分析中可以看到，巷修机一般多采用开式多泵定量系统。全液压巷修机行走机构采用闭式变量系统。开式系统结构简单，散热充分。大中型巷修机为改善转向性能，充分利用液压能和提高生产率，使转向油路与工作装置油路组合。由于巷修机调速范围要求不太宽，使用换向阀节流调速可满足工作需求，故多采用定量泵，加以目前采用组合油路的多泵系统进一步
27、扩大了调速范围。液压缸的选型液压缸巷修机在作业时尘土大，液压缸往复运动频繁，油缸活塞杆暴露在外面，并直接承受冲击，故对液压缸的耐压、耐磨、耐热和密封都有较高要求。另外要求液压缸的内、外泄漏要少。外部泄漏使工作装置运动迟缓，并且容易使尘土侵入，内部泄漏则造成工作装置软弱无力、铲斗位置自动倾斜，特别是巷修机在满载运输时，由于动臂液压缸内部泄漏使动臂下落，造成铲斗中物料的撒落。液压缸的流量q=6Av式中，q为液压缸所需的流量，L/min；A为液压缸有效作用面积，cm2；v为活塞（柱塞）与缸体的相对速度，m/s。马达根据发动机功率参数及单排量、带制动器、内置冲洗阀等要求，选择德国力士乐公司生产的MCR
28、5系列的单排量带制动马达（排量为470mL/r），该马达具备专用的链轮输出端。马达液压原理如图4.2所示。图3.3 马达液压原理图图中，A、B油口为主油口，A口进油、B口回油时马达正转，B口进油、A口回油时马达反转。Z口为制动口，机械（弹簧）制动，液压松闸，当制动口电磁阀关闭或发动机停止工作时，由于无法给Z口提供足够的压力油时，因此马达处于制动状态。L口为内泄回油口。图中的阀为回路冲换向阀，当A口进油时，冲洗换向阀受压自动滑至下位，当回油背压超过后面的顺序阀设定压力时低压口B口（回油口）与泄油口L接通，使低压侧的部分高温油（约总流量的10%）流出系统，然后由补油泵从油箱补充吸入低温油。有以上可知：1）最高行驶速度煤矿巷道用
