汪鵬程， 胡智君， 吳 寧

(安徽銅冠機(jī)械股份有限公司， 安徽 銅陵 244061)

0 引言

KQTG- 165鉆機(jī)是安徽銅冠機(jī)械股份有限公司近年來開發(fā)的一種高氣壓環(huán)形潛孔鉆機(jī)，該機(jī)主要應(yīng)用于非煤地下礦山及隧道、水利等巖土工程中進(jìn)行全方位大直徑深孔鑿巖。其底盤采用柴油機(jī)為動(dòng)力，靜液壓傳動(dòng)的方式，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、機(jī)動(dòng)靈活，可在井下方便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)場，深受用戶的好評。

1 靜液壓傳動(dòng)在鉆機(jī)底盤上的布置方式

KQTG- 165鉆機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其底盤傳動(dòng)采用安裝在副車架6上的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通過彈性聯(lián)接體驅(qū)動(dòng)DA控制的力士樂A4V系列雙向斜盤結(jié)構(gòu)軸向柱塞變量泵工作，油泵輸出高壓油驅(qū)動(dòng)安裝在后機(jī)架5上斜軸結(jié)構(gòu)變量馬達(dá)A6V，馬達(dá)通過和自身花鍵聯(lián)結(jié)的分動(dòng)箱調(diào)速后分別將扭矩提供給前、后橋，完成底盤行走動(dòng)作。其傳動(dòng)路線如圖2所示。

1.工作機(jī)構(gòu) 2.前機(jī)架 3.電動(dòng)機(jī) 4.駕駛室 5.后機(jī)架 6.副車架 7.發(fā)動(dòng)機(jī)圖1 KQTG- 165鉆機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 KQTG- 165鉆機(jī)傳動(dòng)路線

由其傳動(dòng)路線，可知靜液壓傳動(dòng)實(shí)際上就是把原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能通過液壓泵轉(zhuǎn)換為液壓能，再由液壓馬達(dá)將液壓能重新轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并對外輸出能量的一種傳動(dòng)方式[1]。

2 鉆機(jī)底盤靜液壓傳動(dòng)的組成和原理

2.1 系統(tǒng)的基本組成

A4V變量泵和A6V變量馬達(dá)的構(gòu)成的閉式回路如圖3所示，實(shí)際集成了多個(gè)液壓控制元件，各個(gè)元件的主要功能如下。

2.1.1 主泵及控制回路

采用伺服油缸5控制柱塞變量泵1的斜盤，伺服油缸5是依靠變量泵1內(nèi)嵌的輔助泵2壓力來推動(dòng)的，通過電磁換向閥4進(jìn)行切換，改變斜盤偏轉(zhuǎn)方向。

1.主泵(A4V變量泵) 2.輔助泵 3.雙聯(lián)齒輪泵 4.三位四通電磁換向閥 5.伺服油缸 6.高壓溢流閥 7.單向閥 8.DA閥 9.溢流閥 10.梭閥 11.低壓溢流閥 12.過濾器 13.變量馬達(dá)(A6V) 14.電磁換向閥 15.油缸 16.單向閥 17.冷卻器圖3 KQTG- 165鉆機(jī)底盤靜液壓傳動(dòng)原理圖

電磁換向閥4處于中位，控制油截止，變量泵1斜盤處于中位，無流量輸出，整機(jī)處于空檔狀態(tài)，整機(jī)速度為零。電磁換向閥4切換左、右得電，伺服油缸5推動(dòng)斜盤發(fā)生偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)變量泵1輸出主油路方向的變化，從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)前后行駛方向的改變。

2.1.2 軸向柱塞變量馬達(dá)及控制回路

通過單向閥16在主回路上取油，電磁換向閥14切換，推動(dòng)油缸15處于兩種極限狀態(tài)，改變變量馬達(dá)13斜軸角度來實(shí)現(xiàn)變量馬達(dá)的兩種排量，從而實(shí)現(xiàn)整車兩種檔位速度的切換。

2.1.3 輔助泵及其控制回路

輔助泵2通過主泵1和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸串聯(lián)在一起，主要有三個(gè)作用：(1)其通過單向閥7，向主油路低壓管路補(bǔ)充內(nèi)部泄漏的油，補(bǔ)油壓力由溢流閥9設(shè)定，一般大小約2 MPa，由廠家出廠時(shí)調(diào)定；(2)提供壓力油給伺服油缸5，通過電磁換向閥4切換，實(shí)現(xiàn)整機(jī)前后運(yùn)動(dòng)方向的改變。(3)通過DA閥8實(shí)時(shí)測定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為控制主泵1排量的大小，實(shí)現(xiàn)檔位的無極調(diào)速。

輔助泵2除了上述主要功能外，還提供停車制動(dòng)的外接油口。

2.1.4 系統(tǒng)過載保護(hù)回路

由于主泵和馬達(dá)組成的閉式回路，壓力很高，可達(dá)到45 MPa，高壓溢流閥6是防止主油路高壓一側(cè)免受過載，起安全閥作用。為了防止高壓溢流閥6頻繁開啟，引起系統(tǒng)發(fā)熱，系統(tǒng)增加了壓力截流閥。梭閥10和溢流閥11構(gòu)成壓力截流閥，當(dāng)主油路壓力超過高壓溢流閥6的調(diào)定壓力時(shí)，從主油路過來的高壓油經(jīng)過梭閥10推動(dòng)溢流閥11動(dòng)作，切斷控制油路并讓伺服油缸5的控制油卸載回油箱。

2.2 鉆機(jī)底盤靜液壓的工作過程

KQTG- 165鉆機(jī)的換檔換向開關(guān)控制旋鈕如圖4所示，“0”為空檔，整車前進(jìn)、后退各有一個(gè)低速檔和一個(gè)高速檔。

圖4 換檔換向開關(guān)示意圖

2.2.1 空檔狀態(tài)

檔位旋鈕置于“0”，電磁換向閥4不得電，處于中位，變量泵1的斜盤傾角為零，主油泵空轉(zhuǎn)，不輸出壓力油，馬達(dá)不加載，整車處于靜止?fàn)顟B(tài)；輔助泵從油箱吸油，通過DA閥供給電磁換向閥4，但因電磁換向閥4不得電，阻斷了輔助泵2來油，輔助泵2的壓力油主要通過溢流閥9溢流回油箱。

2.2.2 低速檔狀態(tài)

檔位旋鈕置于“1”檔，馬達(dá)電磁換向閥14不得電，馬達(dá)排量最大；電磁換向閥4一端得電，從輔助泵2的過來的控制油使得變量泵1的斜盤發(fā)生偏轉(zhuǎn)(備注：電磁閥4兩端的電位置不同改變變量泵1的斜盤的偏轉(zhuǎn)方向，從而決定整車前、后運(yùn)行的方向)，變量泵1輸出高壓油，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)整車行駛。

同時(shí)輔助泵2打開通往主油路低壓端的單向閥7，向閉式主回路進(jìn)行補(bǔ)油。

2.2.3 高速檔狀態(tài)

檔位旋鈕置于“2”檔，馬達(dá)電磁換向閥14得電，馬達(dá)排量最??；電磁換向閥4一端得電，從輔助泵2過來的控制油使得變量泵1的斜盤發(fā)生偏轉(zhuǎn)，變量泵1輸出高壓油，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)整車以較高速度行駛。

3 鉆機(jī)底盤靜液壓驅(qū)動(dòng)的基本特點(diǎn)

A4V變量泵和A6V變量馬達(dá)構(gòu)成閉式負(fù)載反饋回路。當(dāng)工作條件發(fā)生變化(例如行車阻力突然增大)，造成油馬達(dá)負(fù)荷發(fā)生變化，通過壓力變化反饋至(變量泵)的伺服調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變變量泵斜盤的角度，以改變泵的排量，從而改變油馬達(dá)的速度，整個(gè)過程是一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)過程[2]。

3.1 容積調(diào)速回路

靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)容積調(diào)速液壓回路。所謂容積調(diào)速，就是改變液壓泵或液壓馬達(dá)的工作容積(排量)進(jìn)行調(diào)速的方法[3]。在不考慮系統(tǒng)泄漏和能量轉(zhuǎn)化過程的損失，容積調(diào)速中馬達(dá)輸出軸上的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率分別為：

(1)

式中PM—馬達(dá)的工作壓力，MPa；

qM—排量，mL/r；

Pp—油泵的工作壓力，MPa。

(2)

式中nM—馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，r/min；

QM—流量，mL/min；

Qp—油泵的流量，mL/min；

qp—油泵的排量，mL/r；

nP—油泵的轉(zhuǎn)速，r/min。

馬達(dá)功率：

N=PMQM=PPQP

(3)

根據(jù)公式(2)可知，假定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(即油泵轉(zhuǎn)速nP)恒定，改變油泵排量qp或馬達(dá)排量qM，就可以實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速nM的變化。

根據(jù)公式(2)和(3)，假定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(即油泵轉(zhuǎn)速nP)恒定，油泵輸出的壓力Pp和排量qp均不變的情況下(即油泵的輸出功率不變)，而變量馬達(dá)排量qM減小，則馬達(dá)轉(zhuǎn)速nM提高，屬于恒功率調(diào)速；

根據(jù)公式(1)和(2)假定油泵排量qp和馬達(dá)的排量qM均不變，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(即油泵轉(zhuǎn)速nP)增加，油泵的流量QP增加，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速nM增加，馬達(dá)扭矩T不變，屬于恒扭矩調(diào)速。此時(shí)對油泵而言，油泵輸出功率隨馬達(dá)轉(zhuǎn)速nM呈比例變化。

由于油泵和液壓馬達(dá)均可進(jìn)行變量，當(dāng)油泵處于最大排量，液壓馬達(dá)處于最小排量時(shí)，傳動(dòng)裝置可以輸出最高轉(zhuǎn)速；當(dāng)油泵處于最小排量，液壓馬達(dá)處于最大排量時(shí)，傳動(dòng)裝置可以輸出最大扭矩。通過恒扭矩調(diào)速回路和恒功率調(diào)速回路的組合，通過發(fā)動(dòng)機(jī)油門調(diào)節(jié)，鉆機(jī)底盤靜液壓傳動(dòng)可以獲得一條理想的動(dòng)力特征曲線[4]。

3.2 A4V變量泵DA控制方式

A4V系列變量泵控制方式很多，主要有：液壓手動(dòng)伺服控制HW、電氣控制EL、與壓力有關(guān)的液壓控制HD、與轉(zhuǎn)速有關(guān)的液壓控制DA等，其中DA控制方式應(yīng)用最廣泛。

DA控制閥又稱為速度感應(yīng)控制閥，見圖2中的序號8。DA閥的輸出控制壓力P與其輸入的流量Q的平方成正比[5]，由于發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵、輔助泵通過軸驅(qū)動(dòng)，則DA輸入的流量Q與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的平方成正比。以上關(guān)系可簡化為以下：

DA閥輸出壓力；

P=kQ2=k(nq)2=kq2n2

(4)

式中k—比例系數(shù)；

Q—DA閥輸入流量，mL；

n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

q—輔助泵排量，mL/r。

即DA控制閥可根據(jù)輔助泵提供的流量Q，輸出一個(gè)與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n平方成正比的控制壓力P?？刂茐毫進(jìn)入變量泵伺服油缸，改變斜盤角度，從而達(dá)到無極變速調(diào)節(jié)變量泵排量的目的。簡而言之，DA控制閥就是將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為控制變量泵排量的液壓元件。

KQTG- 165鉆機(jī)采用德國道依茨發(fā)動(dòng)機(jī)D914L04，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為700 r/min，其最高轉(zhuǎn)速為2 300 r/min。在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速情況下，調(diào)整DA控制閥內(nèi)置的彈簧預(yù)緊力滿足DA閥輸出控制壓力恰能推動(dòng)變量泵斜盤開始偏轉(zhuǎn)；在發(fā)動(dòng)機(jī)最大速度情況，通過調(diào)整DA控制閥內(nèi)置彈簧的剛度和阻尼孔的大小來滿足DA閥輸出控制壓力能推動(dòng)變量泵斜盤偏轉(zhuǎn)到最大；通過調(diào)節(jié)DA閥的控制范圍以調(diào)整變量泵的輸出功率，使其處于發(fā)動(dòng)機(jī)輸入功率曲線以下，保證不發(fā)生過載。

因輔助泵軸和發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)在一起，故而輔助泵輸出流量受發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制，當(dāng)外界載荷變大時(shí)，超出了發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，輔助泵輸出流量Q減小，通過DA閥輸出壓力P會(huì)同步按Q平方成比例減小，伺服油缸移動(dòng)，斜盤的偏擺角度減小，變量泵排量下降至某一數(shù)值，變量泵在該排量下穩(wěn)態(tài)工作，變量泵輸出功率減小，因此避免了發(fā)動(dòng)機(jī)因外界載荷過大而熄火；反之，當(dāng)外界載荷減小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，輔助泵輸出流量Q增大，DA閥輸出壓力P以Q平方成比例變大，改變斜盤偏擺角的力增加，變量泵排量增大至某一數(shù)值，變量泵在該排量穩(wěn)定工作，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率變大，減小了功率損失，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率。由于DA控制閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，從而減輕了駕駛員的心理負(fù)擔(dān)，提高了使用安全性。

4 結(jié)語

KQTG- 165鉆機(jī)工作中，當(dāng)A6V馬達(dá)負(fù)載變化時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩(轉(zhuǎn)速)也發(fā)生變化。由于DA閥的作用，A4V主泵的排量也隨之變化(自動(dòng)的增大或減小)，始終保持A4V主泵的扭矩與柴油機(jī)的輸出扭矩的最佳匹配，實(shí)現(xiàn)高效、自動(dòng)化、低油耗控制。在地下無軌設(shè)備中，由于靜液壓傳動(dòng)具有傳動(dòng)啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的特點(diǎn)，能自動(dòng)防止過載，能在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，車輛的通過性能良好、操作簡單、配置靈活，能更好地滿足井下復(fù)雜的路面環(huán)境，因而靜液壓傳動(dòng)有著廣泛的應(yīng)用前景。