CN102556599A - 刮板输送机的新型液压驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压驱动系统，具体地说是一种刮板输送机的新型液压驱动系统。目前刮板输送机常采用双速电机驱动、单速电机加液力偶合器驱动及变频电机驱动等形式，其共同缺点是电动机、传动装置与链轮相连，尾部悬空，容易产生振动、磨损、密封失效等问题。本发明由液压马达、梭阀、安全阀、溢流阀、比例换向阀、流量型插装阀、负载敏感阀、压力切断阀、变量活塞、变量泵、电动机组成，应用负载敏感系统、变量泵-定量马达式容积调速回路及流量型比例插装阀控制元件，实现刮板输送机的“软启动”；液压马达转速可控，在一定范围内可无级调速，且不受负载变化和电动机转速波动的影响；满足系统高压、大流量工作要求，保证设备运行和制动平稳、可靠。

Description

刮板输送机的新型液压驱动系统

技术领域

本发明涉及一种液压驱动系统，具体地说是一种刮板输送机的新型液压驱动系统。

背景技术

刮板输送机是煤矿井下运煤关键设备，其驱动装置作为刮板输送机的动力系统，设计的合理性及可靠性至关重要。目前刮板输送机常采用双速电机驱动、单速电机加液力偶合器驱动及变频电机驱动等形式，应用上各有利弊，其共同缺点是电动机、传动装置与链轮相连，尾部悬空，连接强度和对中性要求较高，容易产生振动、噪声、磨损、发热、密封失效等问题；刮板输送机卸载高度难以降低，使薄煤层的开采较难实现，且驱动电机需要长距离铺设大容量电缆，造成了机头、机尾体积庞大，对于井下狭小的空间，拆装、维护较为困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种刮板输送机的新型液压驱动系统，解决了现有技术中存在的问题。本发明的技术方案是：包括油箱和电控系统，其特征是：由液压马达、梭阀、安全阀、溢流阀、比例换向阀、流量型插装阀、负载敏感阀、压力切断阀、变量活塞、变量泵、电动机组成；液压马达输出轴与刮板输送机链轮轴联接，第一梭阀和第二梭阀并联后连接在液压马达的左向油口及右向油口，第一梭阀的出口串接安全阀，第二梭阀的出口串接在负载敏感阀的控制端右腔，负载敏感阀的出油口与压力切断阀的出油口、变量活塞的右端连接在一起，负载敏感阀的控制端左腔与压力切断阀的控制端左腔、变量活塞的左腔连接在一起并接入变量泵的出油口；第一流量型插装阀的a腔、控制端c腔和第二流量型插装阀的a腔连接在一起接入液压马达的左向油口，第三流量型插装阀的a腔和第四流量型插装阀的a腔、控制端c腔连接在一起接入液压马达的右向油口；第二流量型插装阀的b腔、第三流量型插装阀的b腔连接在一起后分两路，一路接变量泵的出油口，另一路接第一比例换向阀及第二比例换向阀的上端接口；第一比例换向阀上端另一接口通第一溢流阀，第二比例换向阀上端另一接口通第二溢流阀；第一流量型插装阀和第二流量型插装阀的控制端c腔分别接第一比例换向阀下端的两个接口，第三流量型插装阀和第四流量型插装阀的控制端c腔分别接第二比例换向阀下端的两个接口；变量泵(10)的输入轴与电动机(11)的输出轴联接。

进一步，所述的液压马达输出轴与刮板输送机链轮轴之间加装有一级行星减速器。

本发明的有益效果是：与刮板输送机现有驱动方式相比，本发明的新型液压驱动系统使刮板输送机具有更好的“软启动”、过载保护、制动特性和运行平稳性，并实现了刮板输送机在一定范围内的无级调速。该液压驱动系统可以兼顾紧链功能，省去了一套液压马达紧链装置，提高了系统可靠性和经济性。液压马达与链轮联接，其它元件可以独立布置，减少了机头、机尾所需安装空间，省去了大量电缆，减少了设备投入，有效降低了设备高度，操作、维护更加方便，尤其适合薄煤层刮板输送机的应用。

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

附图说明

图1是本发明的刮板输送机新型液压驱动系统结构框图；

图2是本发明的刮板输送机新型液压驱动系统的原理图。

图中：1、液压马达，2₁、第一梭阀，2₂、第二梭阀，3、安全阀，4₁、第一溢流阀，4₂、第二溢流阀，5₁、第一比例换向阀，5₂、第二比例换向阀，6₁、第一流量型插装阀，6₂、第二流量型插装阀，6₃、第三流量型插装阀，6₄、第四流量型插装阀，7、负载敏感阀，8、压力切断阀，9、变量活塞，10、变量泵，11、电动机。

具体实施方式

由图1、2所示，刮板输送机的新型液压驱动系统包括油箱和电控系统，其特征是：由液压马达1、梭阀、安全阀3、溢流阀、比例换向阀、流量型插装阀、负载敏感阀7、压力切断阀8、变量活塞9、变量泵10、电动机11组成；液压马达1输出轴与刮板输送机链轮轴联接，液压马达1两端并联第一梭阀2₁和第二梭阀2₂，第一梭阀2₁的出口串接安全阀3，第二梭阀2₂的出口串接在负载敏感阀7的控制端右腔，负载敏感阀7的出油口与压力切断阀8的出油口、变量活塞9的右端连接在一起，负载敏感阀7的控制端左腔与压力切断阀8的控制端左腔、变量活塞9的左腔连接在一起并接入变量泵10的出油口；第一流量型插装阀6₁的a腔、控制端c腔和第二流量型插装阀6₂的a腔连接在一起接入液压马达1的左向油口，第三流量型插装阀6₃的a腔和第四流量型插装阀6₄的a腔、控制端c腔连接在一起接入液压马达1的右向油口；第二流量型插装阀6₂的b腔、第三流量型插装阀6₃的b腔连接在一起后分两路，一路接变量泵10的出油口，另一路接第一比例换向阀5₁及第二比例换向阀5₂的上端接口；第一比例换向阀5₁上端另一接口通第一溢流阀4₁，第二比例换向阀5₂上端另一接口通第二溢流阀4₂；第一流量型插装阀6₁和第二流量型插装阀6₂的控制端c腔分别接第一比例换向阀5₁下端的两个接口，第三流量型插装阀6₃和第四流量型插装阀6₄的控制端c腔分别接第二比例换向阀5₂下端的两个接口；变量泵(10)的输入轴与电动机(11)的输出轴联接。

可在液压马达1输出轴与刮板输送机链轮轴之间加装一级行星减速器，以满足链轮对转速及转矩的匹配要求。

在图2液压驱动系统原理图中，采用变量泵10作为驱动元件，由负载敏感阀7、压力切断阀8、变量活塞9、变量泵10组成泵控负载敏感系统，并采用定量液压马达1作为执行元件，组成变量泵-定量马达式容积调速回路。其基本特征是：变量泵供给系统的流量只和输入的控制信号有关，而不受负载压力变化和电动机转速波动的影响，且变量泵出口压力仅比负载压力高出一个定值，在最高压力限定范围内变量泵始终能自动适应负载的变化，没有溢流和节流功率损失，具有明显的节能效果。

$N=\frac{\mathrm{PQ}}{60}---\left(1\right)$

式中

N-功率(kW)

P-压力(MPa)

Q-流量(L/min)

式(1)给出了该液压驱动系统功率N、压力P和流量Q的换算关系。以功率N＝400kW为例，取工作压力P＝26MPa，则系统流量Q＝924L/min。

由以上计算可知，当功率N为400kW时，系统所需流量Q达到了924L/min，目前刮板输送机驱动装置功率已达到了上千千瓦，并随着国内外煤矿综采产量的提高，刮板输送机向着大运量、大功率方向发展，对系统流量的需求将不断提高。

可见，当刮板输送机装机功率较大时，系统流量需求很大，由于普通滑阀式结构控制阀受流通能力的限制，不能工作于大流量系统，而插装阀具有流阻小、流通能力大、密封性好、适于水介质、响应快、抗污染能力强等优点，广泛应用于高压、大流量系统。

图2液压驱动方案图中由两个比例换向阀5₁、5₂和四个流量型插装阀6₁～6₄组成流量型比例插装阀，作为系统流量控制元件，并结合两个溢流阀4₁、4₂组成双向平衡回路，安全阀3起过载保护作用。

下式(2)为该液压驱动系统流量方程，式(3)、(4)、(5)为负载敏感阀7的平衡方程。

$Q_q=C_q{A}_0\sqrt{2\mathrm{\ΔP}/\mathrm{\ρ}}---\left(2\right)$

式中

Q_q-该液压驱动系统流量

C_q-流量系数

A₀-插装阀阀口通流面积

ΔP-插装阀前后压差

ρ-工作介质密度

P₁A₁＝P₂A₂+F_r                         (3)

A₁＝A₂                                (4)

$\mathrm{\ΔP}=P_1-P_2=\frac{F_r}{A_1}---\left(5\right)$

式中

P₁-变量泵10出口压力

P₂-负载压力

A₁-负载敏感阀7左腔液体作用面积

A₂-负载敏感阀7右腔液体作用面积

F_r-负载敏感阀7右腔弹簧力

该液压驱动系统可实现的功能特性及其工作过程如下：

(1)软启动

所谓“软启动”，是相对刚性启动而言的，是指刮板输送机在重载工况下能够可控制地逐步克服整个系统的惯性而平稳地启动。从传动上说就是尽量使电机在空载下启动，达到额定转速后，再使系统无冲击而慢慢运转起来转入正常运行。

该液压驱动系统不工作时，负载敏感阀7和压力切断阀8在各自右腔弹簧力作用下均工作于右位机能，压力切断阀8右腔弹簧力大于负载敏感阀7右腔弹簧力，在系统压力小于压力切断阀8设定压力情况下，压力切断阀8不动作，负载敏感阀7起调节作用，变量活塞9在左腔液体压力和弹簧力作用下向右移动，带动变量泵10斜盘位于最大排量处。电动机11启动，变量泵10排出的液体进入负载敏感阀7左腔，使负载敏感阀7左腔压力P₁大于右腔压力P₂与弹簧力F_r的和，负载敏感阀7阀芯向右移动，变量泵10排出液体经过负载敏感阀7和压力切断阀8进入变量活塞9右腔，由于变量活塞9右腔作用面积大于左腔作用面积，变量活塞9向左移动，带动变量泵10排量迅速减小至接近零，变量泵10对系统不供液。此时，变量泵10出口压力P₁维持在负载敏感阀7设定压力值上(由右腔弹簧力决定)，此压力仅有几十到几百千帕，变量泵10处于“低压待命状态”，实现电动机11的空载启动。

比例电磁铁D₁通电，第一比例换向阀5₁阀芯右移，第二流量型插装阀6₂的c腔部分液体回油箱，b腔在出口压力P₁作用下，第二流量型插装阀6₂的阀芯上移，系统P口与A口接通(即第二流量型插装阀6₂的a腔和b腔连通)，变量泵10对液压马达1供液，负载敏感阀7阀芯左移，变量活塞9右腔部分液体经压力切断阀8、负载敏感阀7回油箱，变量活塞9在左腔液体压力和弹簧力作用下右移，带动变量泵10排量增大，变量泵10输出流量相应增大，直到负载敏感阀7重新达到平衡，变量泵10排量停止变化，并输出一定流量。当比例换向阀5₁开口增大，第二流量型插装阀6₂的c腔流回油箱的液体增多，第二流量型插装阀6₂的阀芯开启量增大，负载敏感阀7阀芯左移，变量活塞9右移，变量泵10排量和输出流量相应增大。利用控制器给第一比例换向阀5₁输入一个具有一定时间和目标值的斜坡电流，使第二流量型插装阀6₂阀口通流面积A₀及系统流量Q_q按照预定的特性曲线逐渐平缓增加，推动液压马达1逐渐克服负载，到液压马达1达到额定转速，系统转入正常运行。该过程实现了刮板输送机的“软启动”，动负荷较小，减小了对刮板链及链轮的启动冲击。

(2)速度控制

该液压驱动系统执行元件为定量液压马达1，同变量泵10组成了变量泵-定量马达式容积调速系统，控制变量泵10的排量及供给液压马达1的流量即可实现液压马达1的速度控制。图2中负载压力P₂经过梭阀2₂作用于负载敏感阀7的右腔，与负载敏感阀7右腔弹簧力F_r一起与左腔液体压力P₁(变量泵10的出口压力)相平衡，如式(3)所示，变量泵10的出口压力P₁高于负载压力P₂一个定值F_r/A₁，如式(5)所示。由于变量泵10的出口压力P₁也是第二流量型插装阀6₂的进口压力，负载压力P₂也是第二流量型插装阀6₂的出口压力，所以第二流量型插装阀6₂前后压差ΔP为定值F_r/A₁，如式(5)所示，系统流量Q_q只与第二流量型插装阀6₂阀口通流面积A₀有关，如式(2)所示，第二流量型插装阀6₂的阀口通流面积A₀与第一比例换向阀5₁的阀芯开口量成正比，因此系统流量Q_q只与第一比例换向阀5₁阀芯开启量有关，而不受负载压力P₂变化的影响。比如，第一比例换向阀5₁开口大小不变，负载增大，负载压力P₂随之增大并经过第二梭阀2₂作用于负载敏感阀7右腔，负载敏感阀7平衡被破坏，阀芯左移，变量活塞9右腔的部分液体流回油箱，变量活塞9在左腔液体压力和弹簧力作用下右移，带动变量泵10排量增大，作用于负载敏感阀7左腔的液体压力升高，阀芯右移，部分液体经过负载敏感阀7和压力切断阀8进入变量活塞9右腔，推动变量活塞9左移，使变量泵10排量减小，直到负载敏感阀7左右两腔压力重新达到平衡，变量泵10恢复之前的排量大小，该液压驱动系统完成调节动作。需要注意的是，该变化过程为短时压力调节过程，供给液压马达1的流量并不会发生实质性的变化，保证了液压马达1转速恒定及工作面三机配套中对刮板输送机链速的要求。调节第一比例换向阀5₁开口大小，系统流量Q_q相应变化，实现液压马达1在一定范围内无级调速，使刮板输送机可以在不同速度下运行，如正常运行时的速度调整，日常维护中的验链速度调整。第一比例换向阀5₁的电磁铁D₁不通电，第二比例换向阀5₂的电磁铁D₂通电，实现电动机11不停机而液压马达1反转运行，当遇到卡链停转情况时，尝试液压马达1重复低速反转、正传，直到正常运行，有效地解决了卡链问题。由于液压马达1转速可调，该液压驱动系统可兼顾紧链功能，即可以将驱动系统和紧链系统合二为一，省去了一套液压马达紧链装置，使其得到简化，提高了系统可靠性和经济性。

(3)制动特性

该液压驱动系统采用双向平衡制动回路。当第一比例换向阀5₁工作时，高压液体通过第二流量型插装阀6₂进入液压马达1，液压马达1转动，同时液压马达1排出的液体经过B口和第二比例换向阀5₂到达第二溢流阀4₂，当该液体压力升高到能克服第二溢流阀4₂的弹簧力时，第二溢流阀4₂阀芯打开，液体回油箱，第四流量型插装阀6₄的控制端c腔液体亦回油箱，第四流量型插装阀6₄的a腔在负载压力P₂作用下阀芯上移，B口与T口相通(即第四流量型插装阀6₄的a腔和b腔连通)，液压马达1排出液体回油箱。由于第二溢流阀4₂的背压作用，在回油侧形成一定的背压，承受刮板输送机运动时的惯性冲击，保证了液压马达1平稳运转，特别是在下运倾斜煤层，刮板输送机刮板和煤的自重在平行于中部槽方向上的分量作为刮板运动的超越负载，使刮板产生向前运动的趋势，该双向平衡回路在设计上要求第二溢流阀4在回油侧形成的背压要能够平衡刮板运动的超越负载，使刮板输送机平稳、匀速运动。制动时，利用控制器使输入第一比例换向阀5₁的电流按照一定的时间逐渐减小，则第二流量型插装阀6₂阀口通流面积A₀逐渐减小，变量泵10排量及输出流量相应减小，液压马达1转速亦相应降低直到停止，从而实现了刮板输送机的平稳制动。另外，双向平衡制动回路还可以保证液压马达不会自由转动，起到闭锁作用。

(4)过载保护

该液压驱动系统在设计上可以实现对刮板输送机的双重过载保护。其一为变量泵10的变量保护，过载时负载压力P₂升高，变量泵10输出压力P₁相应升高，当P₁超过压力切断阀8右腔弹簧的设定压力时，压力切断阀8阀芯右移，液体经过压力切断阀8作用于变量活塞9右腔，推动变量活塞9左移，带动变量泵10排量减小至接近零，系统输出流量Q_q减小到零，液压马达1停转，实现了电动机11的安全脱离，此时变量泵10工作于“高压待命状态”，当系统故障排除，系统压力能够克服负载时，变量泵10排量逐渐增大，系统转为正常运行。其二为安全阀3卸荷保护，当负载突然增大，如遇到压溜或卡链情况，系统压力迅速升高，系统流量来不及做出调整，高压液体经过第一梭阀21由安全阀3卸荷，对系统起到了过载保护作用。

Claims (2)

1.一种刮板输送机的新型液压驱动系统，包括油箱和电控系统，其特征是：由液压马达(1)、梭阀、安全阀(3)、溢流阀、比例换向阀、流量型插装阀、负载敏感阀(7)、压力切断阀(8)、变量活塞(9)、变量泵(10)、电动机(11)组成；液压马达(1)输出轴与刮板输送机链轮轴联接，第一梭阀(2₁)和第二梭阀(2₂)并联后连接在液压马达(1)的左向油口及右向油口，第一梭阀(2₁)的出油口串接安全阀(3)，第二梭阀(2₂)的出油口串接在负载敏感阀(7)的控制端右腔，负载敏感阀(7)的出油口与压力切断阀(8)的出油口、变量活塞(9)的右端连接在一起，负载敏感阀(7)的控制端左腔与压力切断阀(8)的控制端左腔、变量活塞(9)的左腔连接在一起并接入变量泵(10)的出油口；第一流量型插装阀(6₁)的a腔、控制端c腔和第二流量型插装阀(6₂)的a腔连接在一起接入液压马达(1)的左向油口，第三流量型插装阀(6₃)的a腔和第四流量型插装阀(6₄)的a腔、控制端c腔连接在一起接入液压马达(1)的右向油口；第二流量型插装阀(6₂)的b腔、第三流量型插装阀(6₃)的b腔连接在一起后分两路，一路接变量泵(10)的出油口，另一路接第一比例换向阀(5₁)及第二比例换向阀(5₂)的上端接口；第一比例换向阀(5₁)上端另一接口通第一溢流阀(4₁)，第二比例换向阀(5₂)上端另一接口通第二溢流阀(4₂)；第一流量型插装阀(6₁)和第二流量型插装阀(6₂)的控制端c腔分别接第一比例换向阀(5₁)下端的两个接口，第三流量型插装阀(6₃)和第四流量型插装阀(6₄)的控制端c腔分别接第二比例换向阀(5₂)下端的两个接口；变量泵(10)的输入轴与电动机(11)的输出轴联接。

2.根据权利要求1所述的刮板输送机的液压驱动系统，其特征是：所述的液压马达(1)输出轴与刮板输送机链轮轴之间加装有一级行星减速器。

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