KCY-4大型地下铲运机液压系统设计与计算解读

点击次数:   更新时间:2020-01-15 04:07     作者:七位数

  KCY-4大型地下铲运机液压系统设计与计算解读_中职中专_职业教育_教育专区。KCY-4

  第 63 卷第 1 期 有 色 金属(矿山部 ft 2011 年 1 月 DOI:10.3969/j.issn.16714172.2011.01.014 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(201101-0051-07 Design and Calculation of the Hydraulic System for KCY’-4 姐 D FENG Xiaohua,SHI Feng,GU Hongshu,ZHAN Kai,GUO Xin,WANG Zhiguo (Beijing General Research Institute of Mining&Metallurgy,Beijing 100070,China Abstract:The process of the hydraulic system design and the calculation of the parameters on KCY-4Load-Haul-Dump (LHDunit are detailedly introduced in this paper.Through the industrial test,the parameters of KCY-4LHD can reach or exceed the standard of machinery industry standard,batch production has been put into production,and the KCY-4LHD has been applied in many mines of China. L-y words:4m3LHD;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 4m3, 载重 10t。外形尺寸如图 1 所示。 图 1KCY-4 型地下铲运机外形图/mm Fig.1The outline drawing of the KCY-4 LHD/mm 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。 1 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 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。 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, 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。 图 2 转向系统原理图 Fig.2The principle diagram of steering system 2.1.1 转向阻力矩 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.3x0.372+0.1x0.37+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 22MPa。 2.1.3 转向油缸 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 430mill,转向 角 42。时左右转向 油缸的力臂分别为 212.3mm 和 257.3mm。 图 3 转向油缸尺寸参数图/ram Fig.3The main specification of steering cylinder/mm 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; D2 妒2孺5 %=手× P× r× D2× (1+吉; D;(——坐 Ln s 删 P× (¨ 詈 “赢 314 X—220X 1 蒿 0X 2 熹 573 再 . 5(.+等 油缸流量:Q:箜孚上:掣:65 L/min 泵排量咿忐胁勰× 0.955 =38.4mlMr i_变矩器驱动泵的速比,i=0.995。 转向泵选用排量 40.4mlMr 的齿轮泵。 实际转向时间如图 4 所示。发动机转速在 1400~l 800 r/rain 时,转向时间是 7S 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。 =94mm; 肘 R 一转向阻力矩,MR=58.6× 103Nm;P_系 统统压力,P=22MPa;r,一右转向液压缸相对铰接 点力臂,^=257.3mm;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; D 一缸径;扣杆径。 转向油缸选用西 110 X 670x460 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 kN 9 2.1.4 转向泵 当发动机转速为 l 800 r/m 时,设计转向时间 t =6S。 发动机转速/(r/re_in 图 4 发动机转速与转向时间关系图 Fig.4 The relation diagram between the engine speed and turning time 油缸的容积:y=詈× (矿+(D2 一扩× £= 2 一女器芏作系统主要由工作泵、工作先导 卫 4× (2× 1102—702×430×10’6=6.5 L 阀、工作多路阀、卸荷阀、举升油缸、转斗油缸等组 成。 图 5 工作系统原理图 飚.5 The principle diagram of working system 有 色 金属(矿山部分 第 63 卷 2.2.1 撬动回路 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、 液压泵的容积效率降低。 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=12kN。 图 6 收斗示意图/mm Fig.6The schematic diagram of collection bucket/mm T1=2693× G=2693× 120=323X 103Nm E:—旦 j:塑旦氅:396.3× 103N0 ,1=———————1=———————1=jy.j× 1 815× 10 一’815×10 一’ 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=120kN。 T2=2169× G=2169× 120× 103=260× 103Nm 凡:—旦 j:堡鉴氅:833.3× 103833310N 只=——二—1=竺竺二兰≮=× 2 312× 10q 312× 10 习 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 图 7 举升示意图/mm Fig.7The schematic diagram of arm lifting/mm 第 1 期 冯孝华等:KcY4 大型地下铲运机液压系统设计与计算 55 的压力暂定 22 MPa。 举升力 F=F2=2PS=2 X 22 X 106× S= 833.3× 103N S=孚 X D2:18938.6mm2 4 D=155mm 举升油缸选用西 160X 690× 720,压力等级为 25 MPa 的高压缸。 2.2.4 转斗油缸 根据机械行业标准 JB/T 5500—2004(地下铲 运机》的规定,铲取力取 180 kN。 如图 8 所示,当铲斗处于铲取位置时。 图 8 铲取示意图/mm Fig.8 The schematic diagram of loading/nun e X 688=瓦 X 644;瓦× 442=Fc X 2205; 兄=鬻× 180=粥=22× 106× 詈× D2=840kN; 。=勰舢 3=220 mm ,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 X 590,压力等级为 25 MPa 的高压缸。 2.2.5 工作泵 根据机械行业标准 JB/T 5500—2004(地下铲 运机》的规定,工作装置动作时间≤25 S。 KCY4 地下铲运机设计举升时间 t=9S,行程工 =720 mill,转斗时间 t=7S,转斗油缸的行程 L= 590mm。 r、2 举升油缸的容积:V=2× 竿× 厶× 10 巧=2× 掣× 720× lo{:29 L 4 T叮r x 2202× 590× 10~=22.5L 油缸流量:Q:鲤享上:鲤;≠丝:192.9 L/min 根据上述计算,工作系统的流量取 193 L/min。 由于转向泵与工作泵合流,转向泵流量 65 L/ rain 工作泵流量 Q=193—65=128IMmin 工作泵排量:g=了毛× f=菊丽 1 而 28 × 0.955 X 103=68mL/r 工作泵选用排量 70mL/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 举升时间 8.4S 落臂时间 收斗时间 落斗时间 工作装置动作时间 ≤5.7 S 6.5S ≤4.4S ≤25S 油缸流量:Q=鲤孚』=鲤亏塑=193.3 Itt 表 1 可知,工作装置动作时间符合根据机械 L/min 行业标准 JB/T 5500—2004《地下铲运机》的规定。 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、 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1 0.3 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1 5.3~18.6 MPa之间。 每次制动,制动器消耗油量:V=77× 4/1 000 =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 VAo V“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=2 0 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/mi no 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—24 0. 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,2 003,22(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— 119 3. 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—198 7. [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—268 9. [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 Informati on 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):3 4l一356. [13]张文修,吴伟志,梁吉业,等.粗糙集理论与方法 [M].北 京:科学出版社,2001. 【14] 王洪德,马云东.基于粗糙集 一神经网络的矿井通风系统可 靠性评价仿真研究[J].系统工程理论与实践, 2005,25 (7):81—86. [15] 张继宝,汪明武,谢慧敏.基于 粗糙集理论的围岩稳定性模糊 综合评价[J].安徽建筑工业学院学报:自然科 学版,2008,16 (2):86—88. [4] 房营光,莫海鸿.基于无记 忆最小二乘拟牛顿法的边坡稳定性 分析[J].岩石力学与工程学报,200 2,21(1):34—38. [5] 单衍景,崔俊芝,梁复刚.基于结构面统 计模型和应力场的岩 体稳定性分析的期望滑移路径方法[J].岩石力学与工程 学 报。2002,21(2):151—157. [6] 李守巨,刘迎曦。何 翔,等.基于模拟退火算法的边坡最小安全 万方数据 KCY-4 大型地下铲运机液压系统设计与计算 作者: 作者单位: 刊名: 英文 刊名: 年,卷(期: 冯孝华, 石峰, 顾洪枢, 战凯, 郭鑫, 王志国, FENG Xiaohua, SHI Feng, GU Hongshu, ZHAN Kai, GUO Xin, WANG Zhiguo 北京 矿冶研究总院,北京,100070 有色金属(矿山部分) NONFERROUS METALS(MINE SECTION 2011,63(1 参考文献(6 条 1.成大先 机械设计手册 2002 2.张栋林 地下铲运 机 2002 3.冯孝华 KCY-4 型地下铲运机铲斗撬动回路的研究[期刊论文]-矿冶 2010(04 4.冯孝华.石峰.顾洪枢.战凯.郭鑫 KCY-4 型地下铲运机铲斗撬动回路的研究 2010(4 5.张栋林 地下铲运机 2002 6.成大先 机械设计手册 2002 本文链接:


七位数