DKC20地下矿用汽车转斗液压系统改进设计

2014-03-04冯孝华袁琳阳段辰玥李恒通

有色金属（矿山部分） 2014年5期

冯孝华，袁琳阳，郭鑫，段辰玥，李恒通

（北京矿冶研究总院，北京100160）

DKC20地下矿用汽车专为井下金属矿山设计，载重20t，采用前后车体铰接式结构，双缸转向，转弯半径小，适合井下狭小的空间使用［1－2］。料斗翻转采用多路阀控制，双多级缸举升，卸料角度大，有利于矿石一次卸净［3］。动力系统采用康明斯QSL9系列发动机，额定功率220kW／2100r／min，排放满足欧Ⅲ标准。传动系统采用DANA公司的36000系列变速箱和5000系列变矩器，KESSLER公司D81系列驱动桥，前后各四档，传动效率高，通过性能好，能更好地适应井下恶劣环境［4］。该车在矿山已经运行超过3 000h，运行状况良好，但根据现场反应的情况分析，局部位置还需要进行改进，本文针对转斗限位机构暴露的问题进行优化设计。外形如图1所示。

1 转斗机构工作原理

图1 DKC20地下矿用汽车外形图［5］Fig．1 Outside drawing of the DKC20underground dump truck

如图1所示，料斗翻转有两个限位点，分别是落斗限位点4和升斗限位点6，收斗工况完毕时，斗底落到后车体主梁5上，实现机械限位，主梁5属于箱形结构，结构强度较大，可以稳稳地抵住料斗落下带来的冲击。举斗工况完毕时，斗底落到后车体横梁8上，通过机械限位使料斗停止运动。转斗系统液压原理如图2所示，回路由油箱、多路阀、先导阀、转斗油缸、齿轮泵等组成，多路阀2的主阀为液控三位六通换向阀，通过先导阀3的动作来控制多路阀2的换向，从而控制举升油缸4的伸缩，实现料斗的翻转。

图2 原转向系统原理图Fig．2 Principle diagram of the old steering system

2 存在的问题

横梁属于单板式结构，强度相对较弱，受到料斗的反复冲击可能会发生变形，随着横梁变形量的增大，料斗翻转角度也会增加，角度增加到一定值时，会导致举升油缸伸长到极限位置。此时，料斗的限位除了靠斗底与横梁接触外，还可能靠油缸内部活塞与缸头的接触来实现。这样会影响油缸的密封性，降低使用寿命。虽然横梁的变形量还不大，但存在故障隐患。

3 解决方案

总体思路是通过对液压系统进行改进，来避免料斗对横梁的强烈冲击。改进后的液压系统如图3所示，在先导回路中增加一个节流阀6和一个卸荷阀7，与原先导阀3和多路阀2一起组成一个卸荷回路。卸荷阀的实际安装位置如图1所示，安装在后车体横梁上，按钮开关略高于横梁的上表面。

图3 新转向系统原理图Fig．3 Principle diagram of the new steering system

3．1 卸荷阀结构及回路原理

卸荷阀的原理如图3所示，为按钮式二位二通常闭换向阀，XF－E20L型卸荷阀由阀体、推杆、单向阀等三大部分组成［5－6］，外形如图4所示。

卸荷回路的原理是当料斗翻转到举升限位点时，斗底先触发卸荷阀的按钮开关，使先导系统卸荷，多路阀回到中位，转斗油缸停止运动，料斗停止翻转，避免对横梁的冲击。

图4 XF－E20L型卸荷阀外形图Fig．4 Outside drawing of the XF－E20Lrelief valve

3．2 设计过程

液压系统在改造之初，卸荷回路中只增加了一个卸荷阀，没有安装节流阀。试验中发现，当卸荷阀开启时，料斗还在继续翻转，卸荷阀的卸荷效果不佳，导致卸荷阀的阀杆被压弯。

经分析，卸荷阀安装在卡车的最后方，卸荷管路总长超过12m，距离先导阀和油箱较远，而多路阀距离先导阀较近，管路长度小于2m。由流速计算公式（1）可知：

式中：v—流速，m／s；Q—流量，L／min；d—管路通径，m。

当管径为定值时，流速v与流量Q成正比。先导系统的流量Q＝15L／min，管路通径为d＝8×10－3m，此时流速v＝5m／s。由沿程压力损失计算公式（2）［7－8］可知：

式中：ΔP— 沿程压力损失，MPa；λ— 沿程阻力系数；l— 管路长度，m；ρ— 流体密度，kg／m3。

式中：Re— 雷诺系数；g— 重力加速度，9．8m／s2；2—管材内壁绝对粗糙度，mm。

含有加强钢丝的胶管0．3mm＜2＜4mm［6］，经计算，0．04＜λ＜0．23，沿程压力损失0．7MPa＜ΔP＜3．9MPa。

在先导压力小于0．6MPa时，多路阀阀芯才回到中位，由上述计算可知，由于沿程压力损失较大，使得卸荷阀在卸荷过程中存在较大的背压，先导回路没有完全卸荷，多路阀一直处于开启状态。

解决这一问题的有效途径是缩短管路，增大管径，或降低流速。由于卸荷阀的位置和管路的布置决定了管长与管径基本上是一定值，只有通过降低流速，才能实现卸荷回路背压的降低。故加装节流阀来调节流速。

4 建模与仿真

节流阀的开口大小除了影响管路中流体流速的快慢，还会影响举升油缸开始动作反应时间的长短，既要保证较好的卸荷效果又要满足较短的等待时间是孔径选取的关键，用软件对卸荷回路进行仿真，计算出节流阀大概的开度，避免试验时对卸荷阀再次造成损伤。

4．1 系统建模

利用Automation Studio仿真软件建立系统模型，如图5所示，节流阀的最大开度为8mm，主油路齿轮泵的排量q1＝52．2mL／r，溢流压力P1＝14 MPa，安全阀压力P2＝16MPa，油缸的负载为10t，油缸其他参数为Φ150×Φ125×Φ110×1400，先导油油源来自制动和冷却系统的二级油路，油源相当于排量q2＝7mL／r的齿轮泵，溢流阀压力P3＝3．5 MPa，深色线条为工作压力大于2．5MPa的管路，浅色线条为工作压力小于2．5MPa的低压管路。

图5 节流阀开度50%状态仿真模型图Fig．5 The simulation model when throttle opening size is 50%

4．2 仿真过程与结果

图5中，下方游标显示节流阀开度为50%，此时节流口的开度是4mm；右侧为转斗油路仿真模型，当卸荷阀开启时，回油背压还是很高，多路阀仍然处于工作位置，没有达到较好的卸荷效果；左侧为转斗油缸的活塞位置图，从活塞位置图中可以看出，油缸开始动作等待时间几乎为0s，举升时间大约17s，节流阀通经为4mm的回路不能满足卸荷的要求。

当节流阀开度为30%时，如图6所示，油缸开始动作等待时间大约为3s，当卸荷阀开启时，回油压力很小，先导回路处于卸荷状态，油缸停止动作。