KCY-4大型地下铲运机液压系统设计与计算

点击次数:   更新时间:2020-01-14 01:35     作者:七位数

  KCY-4大型地下铲运机液压系统设计与计算_机械/仪表_工程科技_专业资料。KCY-4大型地下铲运机液压系统设计与计算

  第63卷第1期 DOI:10.3969/j.issn.1671-4172.2011.01.014 有 色 金属(矿山部ft) 2011年1月 KCY-4大型地下铲运机液压系统设计与计算 冯孝华,石峰,顾洪枢,战凯,郭鑫,王志国 (北京矿冶研究总院,北京100070) 摘要:本文介绍了KCY-4地下铲运机液压系统的设计过程,并对液压系统各项参数进行了详细的计算。在 工业试验中,KCY-4地下铲运机的各项指标均能达到或超过机械行业标准的,现已投入批量生产,并服务于国内的 各大矿山中。 关键词:4m3地下铲运机;液压系统;设计;计算 中图分类号:TIM22.4 文献标识码:A 文章编号:1671-4172(2011)01-0051-07 Design and Calculation of the Hydraulic System for (Beijing General Research Institute of KCY’-4姐D on FENG Xiaohua,SHI Feng,GU Hongshu,ZHAN Kai,GUO Xin,WANG Zhiguo Mining&Metallurgy,Beijing 100070,China) KCY-4 Load-Haul-Dump can Abstract:The process of the hydraulic system design and the calculation of the parameters (LHD)unit or are detailedly introduced in this paper.Through the industrial test,the parameters of KCY-4 LHD reach exceed the standard of machinery industry standard,batch production has been put into production,and the KCY-4 LHD has been applied in many mines of China. L-y words:4m3 LHD;hydraulic system;design;calculation 引言 地下铲运机主要用于井下矿料的铲取和短途运 输‘1l。由于国内矿山逐渐向大型化、节能化和智能 化方向发展,使得大型铲运设备的需求量也日益增 加。以往国内的大型铲运机几乎全部需要进口,为 了打破国外设备的垄断,“十一?五”期间,北京矿 冶研究总院承担了“大型地下铲运设备的研制”课 题,并成功开发出KCY-4型地下铲运机,斗容4 载重10 t。外形尺寸如图1所示。 m3, 图1 Fig.1 KCY-4型地下铲运机外形图/mm LHD/mm The outline drawing of the KCY-4 1 基金项目:国家十一?五科技支撑项目(2006BABllB02)。 作者简介:冯孝华(1981一),硕士,工程师,车辆工程专业。 系统组成及结构特点 KcY4地下铲运机由动力系统、传动系统、液压 万方数据 52 有 色全属(矽'ttt部分) 第63卷 系统、电器系统、工作装置等组成。工作系统采用反 转六连杆机构,结构紧凑,可获得较大的铲取力;前 后车架中央铰接,转向系统采用双缸转向的形式,驾 驶室布置在后车体上,后桥摆动;制动系统采用弹簧 制动液压释放的全盘湿式制动器,安全可靠‘2l。 大流量的工作泵卸荷,由转向泵单独为工作系统供 油,节省了发动机的功率,并增大了插入力;制动系 统中,制动器由蓄能器提供压力油,当蓄能器的压力 低于设定值时,充液阀为其充液,保证其有充足的压 力来松开制动器,当蓄能器的压力达到设定值时,充 液阀的压力油流向冷却系统和先导油路。考虑到转 向泵与工作泵合流,先设计转向系统,确定转向泵的 排量;再设计工作系统,选取工作泵。 2.1转向系统设计 如图2所示,转向系统主要由转向泵、转向先导 阀、转向多路阀、转向油缸等组成。转向系统最主要 的参考数据是转向阻力矩,根据转向阻力矩的大小 来计算转向油缸和转向泵等各项参数。 2液压系统设计 KCY-4地下铲运机液压系统由转向系统、工作 系统、制动系统、冷却系统组成。转向系统由转向泵 单独提供压力油,通过多路阀控制转向油缸的动作; 工作系统工作时需要的流量比较大,采用转向泵与 工作泵合流的形式,同时为工作系统供油。工作泵 的出口装有卸荷阀,当铲斗插入料堆并上下撬动时, 图2转向系统原理图 Fig.2 The principle diagram of steering system 2.1.1转向阻力矩 如图3所示,转向系统采用双缸转向的形式,转 向角为42。,行程为430 mill,转向角42。时左右转向 油缸的力臂分别为212.3 mm和257.3 mm。 MR=堕(0.1L+0.6)(0.3a2+0.1et+2.6) 。ll =2—8—0—0—0石0_虿x一0.07×(0.1×3.5+0.6)× (O.3 x0.372+0.1 x0.37+2.6) =58.6×103Nm M。一转向阻力矩,Nm;a一转向角,a=42。, ~滚动阻力系数,=0.07;L一轴距,L=3.5m;'r/ 一机械效率,,,=0.9;G。一前桥最大载荷,G。= 280kN; 2.1.2转向系统压力 由F=PS可知,为了节省空间,布置相对小的 油缸,压力值越大越好。但是,参考系统中其他元件 的额定压力,转向系统的压力值初定为22 2.1.3转向油缸 MPa。 图3转向油缸尺寸参数图/ram Fig.3 The main specification of steering cylinder/mm 万方数据 第1期 冯孝华等:KcY4大型地下铲运机液压系统设计与计算 53 MR=P(D2rl+(D2一扩)r2); 妒2孺5 D2 油缸流量:Q:箜孚上:掣:65 i_变矩器驱动泵的速比,i=0.995。 转向泵选用排量40.4 mlMr的齿轮泵。 泵排量咿忐胁勰×0.955 =38.4 mlMr 1 400~l 800 L/min %=手×P×r×D2×(1+吉); D;(——坐L)n 删P×(¨詈) . s 实际转向时间如图4所示。发动机转速在 r/rain时,转向时间是7 S左右,可以 )“3 保证转向的效率又避免了发动机高转速下,由于急 转弯带来的安全隐患。 2熹57 3再 “赢3 X—220 1蒿0 5(.+等) 14 X X =94 mm; 肘R一转向阻力矩,MR=58.6×103 Nm;P_系 统统压力,P=22 MPa;r,一右转向液压缸相对铰接 点力臂,^=257.3 mm;r2一左转向液压缸相对铰 接点力臂,r2=212.3 ram;r速比系数,9=1.66; X D一缸径;扣杆径。 转向油缸选用西1 10 670 x460压力等级为25 MPa的高压缸。当转向系统压力达到额定压力22 MPa时,实际能提供的转向力矩M=孚×P×D2× 叶 r. (rl+兰)=80 9 kN 发动机转速/(r/re_in) 2.1.4转向泵 当发动机转速为l =6 S。 800 图4发动机转速与转向时间关系图 r/m时,设计转向时间t Fig.4 The relation diagram between the time 油缸的容积:y=詈×(矿+(D2一扩))×£= 卫4×(2×1102—702)×430×10’6=6.5 L 2一女器芏作系统主要由工作泵、工作先导 阀、工作多路阀、卸荷阀、举升油缸、转斗油缸等组 成。 engine speed and turning 图5工作系统原理图 飚.5 The principle diagram of working system 万方数据 有 2.2.1撬动回路 色 金属(矿山部分) 液压泵的容积效率降低。 第63卷 地下铲运机在铲取的时候,随着铲斗斗刃不断 插入料堆,在斗刃前方会产生压缩密实核,阻碍铲斗 的进一步插入,使铲斗插人变得困难。一般情况下, 铲斗一边插入料堆,一边撬动,破坏掉硬核,便于更 深地插入料堆,尽可能装入更多的矿石(即为了便 于提高一次装满率)。 铲斗撬动时,液压系统占用了发动机的大量功 率,削弱了插入力,不利于一次装满,还浪费燃料。 撬动动作很小,不需要大流量,多余的流量通过溢流 阀溢流回油箱。由于溢流,一部分能量以热的形式 扩散到空气中,使液压系统的油温升高、内泄增多、 在工作系统中,工作泵、卸荷阀、工作多路阀和 转斗油缸组成了撬动回路。撬动回路中,卸荷阀的 开启和关闭由工作手柄上的按钮开关控制。撬动回 路利用小流量小功率来实现快速动作。当卸荷阀开 启时,工作泵的压力油直接回油箱,只有转向泵在工 作,节省下来的功率分配给传动系统,增加了插入 力,使铲斗插入料堆更深,提高了一次装满率。 2.2.2举升力 如图6所示,料斗处于运输位置,G点为满载时 重心的位置,C=12 kN。 图6收斗示意图/mm Fig.6 The schematic diagram of collection bucket/mm X T1=2693×G=2693×120=323 103 Nm E:—旦j:塑旦氅:396.3×103N0 815×10一’815×10一’ 1 ,1=———————1=———————1=jy.j× L—G到大臂与机架铰接点的力矩;F。一举升 力。 如图7所示,料斗举升至最高位置,G点为满载 时重心的位置,G=120 kN。 T2=2169×G=2169×120×103=260× 103Nm 凡:—旦j:堡鉴氅:833.3×103833 312×10q 312×10习 只=——二—1=竺竺二兰≮= 2 3 × 10 N 疋一G到大臂与机架铰接点的力矩。R一举升 力。 2.2.3举升油缸 动臂由双缸举升,举升力参考上述两种情况的 最大值。由于转向系统与工作系统合流,工作系统 Fig.7 The 图7举升示意图/mm schematic diagram of arm lifting/mm 万方数据 第1期 冯孝华等:KcY4大型地下铲运机液压系统设计与计算 MPa。 X 55 的压力暂定22 25 22 X MPa的高压缸。 根据机械行业标准JB/T 5500—2004(地下铲 举升力F=F2=2PS=2 833.3×103 N 106×S= 2.2.4转斗油缸 运机》的规定,铲取力取180 S=孚X 4 D2:18938.6 mm2 kN。 如图8所示,当铲斗处于铲取位置时。 X D=155 mm 举升油缸选用西160 690×720,压力等级为 图8铲取示意图/mm Fig.8 The schematic diagram of loading/nun X 兄=鬻×180=粥=22×106×詈× e X 688=瓦X 644;瓦×442=Fc 2205; D2=840 kN; ,z——转向油缸的作用力;瓦——连杆上的作 用力;R——铲取力; 转斗油缸选用犯20×6125 25 X 。=勰舢3=220 r、2 T叮r x 2202×590×10~=22.5 L 油缸流量:Q:鲤享上:鲤;≠丝:192.9 L/min mm 根据上述计算,工作系统的流量取193 L/min。 L/ 由于转向泵与工作泵合流,转向泵流量65 rain 590,压力等级为 工作泵流量Q=193—65=128 IMmin MPa的高压缸。 根据机械行业标准JB/T 5500—2004(地下铲 2.2.5工作泵 运机》的规定,工作装置动作时间≤25 =720 工作泵排量:g=了毛×f=菊丽1而28 0.955 X × 103=68 mL/r S。 工作泵选用排量70 mL/r的齿轮泵。 表1工作装置实际动作时间表 Table 1 Action schedule of the working device KCY4地下铲运机设计举升时间t=9 S,行程工 mill,转斗时间t=7 S,转斗油缸的行程L= 590 mm。 举升时间8.4 S 落臂时间 收斗时间 落斗时间 L 工作装置动作时间 ≤5.7 掣×720×lo{:29 4 举升油缸的容积:V=2×竿×厶×10巧=2× 油缸流量:Q=鲤孚』=鲤亏塑=193.3 S 6.5 S ≤4.4 S ≤25 S Itt表1可知,工作装置动作时间符合根据机械 行业标准JB/T 5500—2004《地下铲运机》的规定。 L/min 转斗油缸的概y=孚…l。。6= 2~女紫豢薷动系统主要由制动泵、滤清器、 万方数据 有 色 金属(矿山部分) 第63卷 充液阀、蓄能器、紧急制动阀、脚制动阀和制动器等 组成。KCY_4地下铲运机制动器采用弹簧制动液压 释放形式,蓄能器为制动器提供松阀压力。当系统 紧急制动 压力不足,或出现油管破裂,制动器会立即抱死,制 动效果安全可靠。充液阀在完成给蓄能器充液任务 的同时,还给冷却和先导油路提供压力油。 脚制动阀 图9制动系统原理图 Fig.9 The principle diagram of brake system 2.3.1 蓄能器 9MPa;P。一开始充液压力,Pl=(0.65一O.75)P2 =15.3 KCY-4地下铲运机单个制动器的排量是77 mL。松阀压力10.3 MPa。充液阀的工作压力越高, 蓄能器提供的制动次数越多。考虑到系统中元件的 额定压力和管路的密封效果,KCY4的充液压力范 围选择在15.3~18.6 MPa之间。 每次制动,制动器消耗油量:V=77×4/1000 =0.3 L MPa;P2一停止充液压力,P2=18.6MPa; K一蓄能器总容积;K—P。时气体的体积;K—P: 时气体的体积;△卜有效工作容积(两次制动),AV =2 x 0.3L=0.6 L: n一多变指数,绝热条件下,l=1.4;选用3个 2.8升的蓄能器,总容积8.4 2.3.2制动泵 制动泵主要为充液阀提供压力油,充液阀大部 分时间是在为冷却系统供油,所以,制动泵的流量按 照制动器的冷却流量来计算。 L。 在连续制动的情况下,蓄能器应能满足充液一 次至少完成两次制动。 蓄能器当作辅助能源时,排油速度迅速,气体压 力和体积变化应按照绝热状态来考虑。 在绝热条件下根据波尔定律: P01/“Vo=P11/“K=P21/4%‘31; T,Poi/.vo VAoV“710P T, 单个制动器的冷却流量:Q=(£茜)2×口= (‘高)2×6=10 L/m =K—K=可-一可万 d_+制器冷却油入口的通径,d=6 =%胪丽P2I/n- P1 /n; AV×P117“XP217“ 制动泵排量:g=了为x O.955×103=21.2 mL/r i x 103=丽10 mm, x 4 × 制动泵选用排量24.2 mL/r齿轮泵,与转向泵 组成双联泵。 2.4冷却系统设计 如图9所示,冷却系统主要由充液阀,液压油冷 却器,单向阀,轮边冷却器等组成。 由于制动系统使用全盘湿式制动器,使用液压 油对制动器进行冷却,当经常制动时,液压系统的温 Vo 2 PoⅣ4(P2‰一PlV4) = △y =再甄面兴缶丽=6.9 P01A×(P1‘圳…一P2‘-1/n)) o?714×( . . 一u。 一. 9 0L 15 3 一0‘714一 18 6 一n714) P0~蓄能器的预充压力,Po=0.471 X P2— 万方数据 第1期 冯孝华等:KCY-4大型地下铲运机液压系统设计与计算 J/kg?℃ 57 度迅速提高,会使密封件加快老化,系统的容积效率 降低,甚至会造成元件的变形,所以除了油箱的自然 冷却外,对液压油进行强制冷却是很有必要的。 毪垒掣掣:45.6 —而面■而汪『_2? 36.5 L/min 103=20 mL/r 制 动 泵 流 量 Q = 黼 p一液压油密度:p=0.88—0.89 △t一进出散热器的温差。 g/mL; = 散热面积A=志-2.76 后一传热系数,_j}=465 kW。 m2 L/min 肌n W/m2K 选择板翅式散热器,流量56 L,散热功率20 冷却马达的流量Ql=Q×田l=45.6×0.8= 叼。一管路中的容积效率,叼。=0.8。 3 36.5 结论 在工业试验中,KCY_4地下铲运机的各项指标 5500—2004 冷却马达的排量g=≯b×l。3= 菊丽而× n一冷却马达的额定转速,rg=2 000 r/mino r/min 500 均能达到或超过机械行业标准JB/T 服务于国内的各大矿山中。 参考 文 献 《地下铲运机》的要求,现在已经投入批量生产,并 所选取的马达排量22.5 mL/r,最高转速2 冷却功率形=Q1×C 13.5 kW [1]张栋林.地下铲运机[M】.北京:冶金工业出版社,2002. x P×At= [2]冯孝华.KCY-.4型地下铲运机铲斗撬动回路的研究.矿冶, 2010(4):. [3]成大先.机械设计手册(第4卷).第4版[M].北京:化学工 业出版社。2002. 4187 36.5 X0.89×2.1×103×(75—63)= c-液压油比热容:C=(0.4—0.5)x (上接第47页) 2)边坡稳定性等级的判定受多种因素影响。 系数全局搜索方法[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2): 236—240. 基于粗糙集理论的模糊综合评判方法可以对冗余指 标进行约简,这样方便工程人员抓住主要因素,从而 使得计算过程化繁为简。 [7] 赵洪波,冯夏庭.支持向量机函数拟合在边坡稳定性估计中的 应用[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2):241—245. [8]冯夏庭,李邵军,张友良,等.滑坡的综合集成智能分析与优化 设计方法研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(10): l 3)粗糙集理论能自动提取评判指标之间的属 性内在关系。因此,在工程中要注重积累典型的工 程实例。选取具有代表性的数据不断补充和完善评 判模型,这样计算出来的结果就会更加接近实际。 参考 (3):144—145. [2] 谢全敏,夏元友.岩体边坡稳定性的可拓聚类预测方法研究 [J].岩石力学与工程学报,2003,22(3):438—441. [3] 刘沐宇,朱瑞赓.基于模糊相似优先的边坡稳定性评价范例 推理方法[J].岩石力学与工程学报,2002,21(8):1188— 1193. 592—1596. [9]唐璐,齐欢.混沌和神经网络结合的滑坡预测方法[J].岩石 力学与工程学报,2003,22(12):1984—1987. [10] 倪长健,王顺久,丁晶.边坡稳定性评价的投影寻踪聚类模型 [J].岩石力学与工程学报,2004,23(16):2687—2689. [11]谢季坚,刘承平.模糊数学方法及其应用[M].武汉:华中科 技大学出版社,2000. [12]Pawlak z.Rough sets[J].International Journal of Information and Computer 文 献 [1]杨军.边坡稳定性分析方法综述[J].山西建筑,2009,35 scienee,1982:(11):34l一356. 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