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m x g 3 5 0 型采煤机牵引部 液压系统的泄漏控制研究 中文摘要 本文以m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统作为典型研究对象，对工作中常见的泄漏原因及 处理方法进行了总结，为今后牵引部液压系统泄漏的诊断和排除提供了可靠的依据。从实用 性和有效性出发，简述了液压泄漏的治理机理，详细阐述了液压系统泄漏治漏的实用技术。 建立合理的泄漏分析的数学模型，针对存在的问题，提出一些改进措施，以提高系统的可靠 性。从元件与系统的泄漏密封、泄漏实时监测与控制等方面，探讨元件与系统的最佳泄漏控 制方案。通过对主要影响回路的流量方程、力平衡方程和流量连续方程，定性和定量分析元件 与系统在静动态工况下的泄漏。研究改进或优化元件与系统的密封结构，提出新的泄漏控制 方式。最后，针对l i x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统故障征兆和故障原因，本文给出了降低液 压系统泄漏的技术方案，具有一定的推广和应用价值。 关键词：采煤机液压系统泄漏控制 i v t h e r e s e a r c h i n ga b o u tc o n t r o l l i n g l e a k i n e s so fs e r i e so f m x 9 3 5 0c o a l c u t t e r 、d r a u g h th y d r a u l i cp r e s s u r e a b s t r a c t t h et h e s i si st r e a t i n gt h eh y d r o u l i cp r e s s u r es y s t c r mo fc o a lc u t t e r sd r a u g h ta sar e p r e s e n t a t i v e r e s e a c h i n go b j e m i ts u m 8u pt h e l e a k a g er e a s o n sa n dt h ed i s p o s i n gm e s n $ t h a to f t e na p p e a r si nt h e o p r a t i o n ，i no r d e rt oo f f e rt h er e l i a b l ew a r r a n t ya b o u td i a g n o s e so ft h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e n n l e a k i n g , a n de l i m i n a t i n g t h et h e s i sd e s c r i b e st h eg o v e r n i n gm e c h a n i s mo ft h eh y d r a u l i cp r e s s s u r e s y s t c r mp r a c t i c a b i l i t ya n dv a l i d i t ya n di ta l s od e s c r i b e sa p p l i e dt e c h n i ca b o u tt h el e a ka n dc o n t r o l i n g t h el e a kt h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e c mp a r t i c u l a r l y i ti sb a s e do nt h em a t hm o d l eo fl e a k a g e a n a l y s i s w e 、1 1a d v i s es o m eb e r c r m e n tm e a s u r e sa c c r o d i n gt ot h ee x i s t e n tp r o b l e m s ，i no r d e rt o i n c r e a s et h ed e p e n d a b i l i t yo ft h es y s t c r m a c c r o d i n gt ol e a k a g ep r e s s u r i z eb e t w e e nt h ec o m p o n e n t a n dt h es y s t e n n ，b e t w e e nt h el e a k a g em e a s u r ei nr e a lt i m ea n dt h ec o n t r o l i n g ，w e 1 1d i s c u s st h eb e s to f l e a kc o n t r o l l i n gb e t w e e nt h ec o m p o n e n ta n dt h es y s t c r m i ta n a l y s i z e sl e a ko ft h ec o m p o n e n ta n d s y s t e r ma tw o r ki nd y n a m i ca n ds t a t i cs t a t eu s i n gq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，t h r o u g h f l o wa n df l u xa s s o c i a t i n a le q u a t i o no ft h em a i n l ye f f e c t i v el o o p ，f o r c eb a l a n c ce q u a t i o na n df l u x a s s o e i a t i n a le q u a t i o n w e 1 1s t u d ya n da m e l i o r a t eo ro p t i m i z et h e p r e s s u r i z e ds t r u c t u r eb e t w e e nt h e c o m p o n e n ta n dt h es y s t e r ms o t h a tw e c a nb r i n gf o r w a r ds o m eb e t t e r m e n tm e a s u r e f i n a l l y , i ta i m sa t h i t c hs i g na n dt h er e a s o nf r o mt h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e n no ft h ec o a lc u r e r sd r o u g h tm x g 3 5 0 a n dw e 1 1o f f e rs o m et e c h n i cp r o j e c to fr e d u c i n gt h el e a ko ft h eh y d r a u l i cp c 骼s u r es ) ，8 t e r m i ti s w o r t h yt oe x t e n da n da p p l y t o k e yw o r d s ：c o a lc u t t c th y d r a u l i c c o n t r o ll e a k v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盟 日 期： 2q q 盘生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允t 许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趣导师签名：避日期：。至! q 星缸：旦 ；，i 秘亿、 i i i 贵州大学工程硕士论文 m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术的不断发展进步，采煤机的机电一体化日趋完善，其工作能力也得到不断 提高。采煤机的现代化是加速煤炭工业现代化的一项重要举措之一。其中m x g 3 5 0 型采煤机 已广泛应用于国内的综合机械化采煤，在我省主要产煤地区盘江煤电集团公司2 5 台综采煤机 中，液压牵引1 4 台，其中9 台m x g 3 5 0 型采煤机。是该公司放项煤轻型采煤机的主力机型。 l v l x g 3 5 0 采煤机是西安煤矿机械厂生产的一种液压无链牵引双滚筒采煤机，总装机功率为 3 5 0 k w 。牵引液压系统采用原西德e d w - 1 7 0 机组所用恒功率调速控制闭式油路系统，以压力油 液作为工作介质，其故障处理与机械电气类相比具有故障隐蔽性强、不易测量、直观性差等 特点，故障分析判断的难度较大。在生产过程中，液压牵引采煤机容易出现时牵时不牵等疑 难故障，原因查找困难，处理时间长，影响生产较严重。而导致此现象的主要原因是牵引部 液压系统泄漏控制不力所致。液压系统泄漏控制是液压系统管理的一个非常重要的课题，液 压油泄漏直接和间接地导致了液压系统故障。因此，对泄漏的深入分析，对探索液压系统治 漏的实用技术至关重要。 1 2 国内外研究现状及水平 国产采煤机与国外采煤机相比，主要有以下差距：技术性能方面突出表现为总装机功率 偏低，切割能力较小，整机无故障运行时间较短，故障率较高。另外，可靠性方面和监控及 保护系统方面都存在不小的差距。盘江煤电集团公司多年使用经验表明m x g 3 5 0 型采煤机故障 多出现在牵引部上。不牵引现象故障其主要原因是由于油液污染引起泵和马达非正常磨损而 引起泄漏、或是液压系统的密封问题引起的泄漏，造成系统流量不足、压力降低、温度升高。 液压控制阀会发生动作失灵，阀芯受到卡阻而移动不到位和卡死，从而引起系统压力流量发 生不正常变化。 液压系统泄漏的影响很大，会影响系统的工作安全性及性能，使系统压力调不高，系统发 热。由于密封不良，外界污物容易侵入，造成恶性循环，使主机或元件过早磨损。对执行元 件而言，会导致系统运动速度不稳定，工作可靠性降低，可能造成控制失灵，运行异常，寿 贵州大学工程硕士论文m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 命缩短，甚至造成事故，增加机器的停工时间，降低生产率。泄漏造成环境污染，危害人体 健康，同时对设备造成交叉感染，甚至引起火灾。其自接后果是浪费人力能源增加生产成本。 泄漏是目前液压机械普遍存在的故障现象，尤其是在采煤机液压系统更为严重，主要是 由于液体在液压元件和管路中流动时产生压力差及各元件存在间隙等引起。另外，井下作业 现场恶劣的情况条件也会对采煤机的密封产生较大的影响。液压系统发生泄漏，将会引起系 统压力建立不起来还会造成环境污染。我国从2 0 世纪6 0 年代开始治理采煤机液压系统泄漏 问题，在液压泄漏控制方面取得了一定的成效，但与液压用户的要求及国际水平相比仍有相 当大的差距。目前我国液压泄漏控制仍是一个薄弱环节，待加强和完善。 泄漏问题之所以比较严重和普遍，其中一个重要的因素就是液压系统可能发生泄漏的部 位较多，几乎包括系统的各个环节。另外很大程度上是由于液压系统、元件和系统的设计、 使用者对密封问题不够重视，对密封原理不甚了解。使用、维护不当往往是造成泄漏的主要 原因。据国外资料介绍，开展防漏治漏以前，英国每年液压系统泄漏损失高达1 8 亿美元，美 国工业部的液压系统泄漏为3 8 0 0 0 万升年以上，直接损失6 0 0 0 万美元年，日本液压油泄漏 损失近9 0 0 0 万美元。开展防漏治漏的研究是降低生产成本，保护环境的一项很有意义的工作。 1 3 本文研究的主要工作及内容安排 1 研究的主要内容 ( 1 ) 分析国内典型采煤机牵引部液压系统 ( 2 ) 以m x g 3 5 0 采煤机牵引部液压系统作为典型研究对象，建立泄漏分析的数学模型。 ( 3 ) 研究影响采煤机牵引部液压系统泄漏的原因，针对存在的问题，提出泄漏控制的途径 和方法。 ( 4 ) 从元件与系统的泄漏密封、泄漏实时监测与控制等方面，探讨元件与系统的最佳泄漏 控制方案。 ( 5 ) 研究所得成果的应用推广价值。 2 研究方案及准备采用的技术路线 ( 1 ) 考察、调研，收集国内外采煤机牵引部液压系统泄漏的原因及控制的有关资料。 ( 2 ) 分析m x g 3 5 0 采煤机牵引部液压系统，对主回路、补油及热交换回路，调速和换向回 路，保护回路，进行元件与系统的泄漏分析。 ( 3 ) 基于流体传动与控制，力平衡理论，通过对主要影响回路的流量方程、力平衡方程和 2 贵州大学工程硕士论文 m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 流量连续方程，定性和定量分析元件与系统在静动态工况下的泄漏。 ( 4 ) 研究改进或优化元件与系统的密封结构，提出新的泄漏控制方式，降低泄漏。 ( 5 ) 研究系统中压力温度等参数的变化对泄漏的影响。 3 拟解决的关键问题 ( 1 ) 分析因泄漏引起的采煤机不牵引，滚筒不调高等故障现象产生的主要原因。 ( 2 ) 改进或优化采煤机牵引部液压元件与系统的密封，降低泄漏，提高工作可靠性。 ( 3 ) 提出行之有效的实时泄漏监测与控制的技术方案。 1 4 研究目标及意义 ( 1 ) 以脚3 5 0 采煤机牵引部液压系统为研究对象，分析泄漏产生的原因及对系统的影响， 可为今后改进和设计类似的液压系统提供理论依据，使液压元件与系统获得更好的工作性能。 ( 2 ) 通过对m x g 3 5 0 采煤机牵引部液压系统的分析，建立合理的数学模型。 ( 3 ) 通过该课题的研究，提出降低采煤机牵引部液压系统泄漏及控制的技术方案。 ( 4 ) 该课题涉及现代化采煤机牵引部液压系统的前沿技术。通过该课题的研究，将有助于提 高采煤机工作的可靠性和效率，具有一定的推广和应用价值。 3 贵州大学工程硕士论文m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 第二章m x g 3 5 0 采煤机牵引部液压系统的工作原理分析 2 1m x g 3 5 0 采煤机牵引部液压系统 m x g 3 5 0 采煤机牵引部液压系统如图2 一l 所示。该系统包括主油路系统、操作系统和保 护系统。 4 置 苣 f ：# 麓 ：年率 器删 = p 匿 壶 繁蓉磋 薏兰奄 彝美畔 毫 麓娄熹 暑i 言 器受霹 谨暮震 曩兰刈 挈囊 夏d 鲞、l f i 麓器替犁 鲁寸# 议 蕊瞬匕餮齄不譬寒蝼眯09薹h j n 匮 【冈 例 林式q 盘i 、 法_ ， 如 、 y 厂= 、 二 厂、 暴庖： i 旧 e i b 9 一 一 芝 叫 i b 1 、 l 一一b 一l 久 r j7 f | 州 硷 n1 一 yv )(k i i 一，) ( r ll ， 一 l 厂j 朝 删h i x ju l i、 、j 1 贵州大学工程硕士论文 m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 2 2 主要系统 l 、主油路系统 主油路系统包括主回路、补油及热交换回路。 ( 1 ) 主回路是由双向变量液压泵和双向定量液压马达组成的容积调速回路。液压泵采用 z b l 2 5 b 型斜轴式轴向柱塞泵，液压马达采用c z m l 2 5 型柱塞式液压马达。改变液压泵的排量 和供油方向即可实现采煤机的调速和换向。 ( 2 ) 主回路补入冷油由辅助泵6 经单向阀l l 或1 3 实现。当主泵处于中位时，补入油液 经单向阀1 3 和1 4 进入主油路两边，形成低压平衡，此时梭形阀l l 处于中位，一小部分补油 经梭形阀阀芯节流孔，背压阀2 和冷却器流回油箱。大部分补油经限压阀8 直接返回油箱。 此时补油压力应为2 5 + o 2 兆帕，即限压阀之整定值。 f 3 ) 当主泵偏摆排出高压油液时，油马达则正向或反向运转。如果一支油路为高压油路， 一支油路则为低压油路，而位于两支油路中间的梭形阀l l 在压力油作用下，使高压油路与高 压3 安全阀接通，低压油则经由梭形阀1 l ，背压阀2 与油箱接通。此时低压表指示的补油压 力应为2 2 + 0 i 兆帕，即背压阀的调定值。由于辅助泵6 连续排出比低压侧稍高的冷油，由 单向阀1 4 直接注入主油路的低压边，故可置换系统中的一部分热油，经梭形阀1 l 和背压阀2 返回油箱。以实现热交换。 2 、操作系统 操作系统用于控制牵引部的启动、停止、调速和换向。 ( 1 ) 牵引部的调速由图中调整机构实现。牵引方向选定后，若继续转动调速换向手把， 使调速杆移动，则在弹簧作用下，调速套带动伺服阀和伺服油缸的上腔或下腔，带动主泵l 偏摆，主泵排出的高压油即驱动油马达转动。当伺服油缸上下移动时，伺服阀也跟踪移动， 直到达到新的平衡位置为止。此时主泵l 缸体摆到与之相应( 手把转角的大小) 的角度后即 停止偏摆，主泵l 排出恒定的油液，油马达恒速运转。 ( 2 ) 开关阀是操纵机器牵引的启动和停止。开关阀是一个二位五通阀，图2 一l 所示位置 为“停”位。操纵油液经开关阀和单向阀1 7 进入调整机构恒功率控制器开关活塞的右腔，而 其左腔则经开关阀和油箱连通，故而可推出开关活塞锁住v 形块，调速套和v 形块连成一体， v 形块被锁住中位，即主泵位于中位，主泵不排油，马达不运转。此时即使转动调速手把，使 调速杆上下移动，也只能使弹簧受到压缩，而不能移动调速套( v 形块被“锁”) 也就不能实 5 贵州大学工程硕士论文 m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 现牵引调速。 而将开关阀置于“开”位，则控制油液通过可调节流孔1 5 进入开关活塞左腔，而其右腔 则经过固定节流阀1 6 和开关阀返回油箱，故而可退出开关活塞，使v 形块解锁。开关活塞离 开v 形块后，调速套可自由移动，实现牵引调速。 3 、保护系统 ( 1 ) 主回路超压保护系统 超压保护回路是液压系统的过载保护回路，由过压安全阀1 2 和高压安全阀3 实现。高压 油路工作压力达到1 9 m p a 时，过压安全阀1 2 动作，阀芯上移，使高压油路油液经梭形阀1 1 、 过压安全阀1 2 、背压阀2 和冷却器流回油箱。同时开关阀下端的自保控制油路和油箱相通。 因而开关阀动作到“停”位，使调整机构中开关活塞的右腔进油、左腔回油而向左移动，直 到迫使调速套回到零位，主泵停止排油。 ( 2 ) 低压欠压保护系统 如果低压油路压力过低，将会使液压马达背压不足，向主泵供油不充分，并影响控制系 统的工作。在补油系统压力低于0 5 m p a 时，开关阀将因下端控制油压不足，在上端弹簧作用 下移至“停”位，进而通过调整机构的开关活塞迫使调速套回零而停止牵引。 ( 3 ) 主泵自动回零保护 在下列情况下，主泵可自动回零( 中位) 机器停止牵引。 1 ) 调速换向手把拧到零位 2 ) 开关阀手把扳到零位。 3 ) 补油压力不足( 低压保护) 0 5 m p a 。 4 ) 主油路压力超限( 高压保护) 1 9 m p a 。 m x g 3 5 0 型采煤机的调高液压系统包括截煤滚筒调高系统和破碎滚筒调高系统。两个系 统基本相同。此外，该机与国产其他采煤机不同的是，调高液压缸两端油路上均有安全阀( 调 定压力2 3 m p a ) ，用于截煤滚筒受到过大载荷时保护调高液压缸。 2 3 主要液压元件 2 3 1 主液压泵 m x g 3 5 0 采煤机主泵为z b l 2 5 b 型斜轴式轴向柱塞泵 6 贵州大学工程硕士论文m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 ( 1 ) 主要参数 额定工作压力1 9 m p a ；工作转速1 4 6 5 转分；排量1 2 5 m 协；缸体最大摆角2 5 0 ；该泵有7 个柱塞，柱塞直径2 5 r a m 。 ( 2 ) 斜轴式轴向柱塞泵的工作原理 如下图所示，此种泵由主轴、连杆、缸体、柱塞、配流盘等主要零件组成。主轴中心线 与缸体中心线斜交，连杆的一端通过球铰和主轴的传动盘相连，另一端通过球铰与柱塞相连， 柱塞沿圆周方向均布于缸体上的柱塞孔中，依靠液压力和弹簧力使缸体贴紧配流盘。当主轴 旋转时，连杆的侧面和柱塞的内壁接触，拨动缸体转动，同时带动柱塞做往复运动，通过配 流盘吸排液。配流盘与回转缸体的端面之间形成油膜接触，保持静压平衡。中心连杆仅起定 心作用。此种泵可利用缸体的摆动使倾角变化，实现变量。 图2 2 ：斜轴式柱塞变量泵工作原理图 ( 3 ) 特点 斜轴式轴向柱塞泵由于连杆轴线和柱塞轴线夹角( 2 0 0 左右) ，大大减少了柱塞与缸孔 间的侧向力，改善了磨损情况，而且允许缸体有较大的摆角。从而可用较小的结构尺寸获得 较大的排量范围。 结构紧固，主轴传动盘、连杆和柱塞之间采用铰接，没有滑履这样的薄弱环节，因而 耐冲击，工作可靠、寿命长。 抗污能力较好。 2 3 2 液压马达 c z m l 2 5 型斜轴式柱塞式液压马达 ( 1 ) 主要参数 额定工作压力1 9 m p a ；工作转速6 2 0 转份：排量1 2 5 m l r 。 ( 2 ) 工作原理( 参考图2 2 ) 轴向柱塞式马达是一类相当重要的高速马达，同泵一样适于在高压系统中使用，它也分 7 贵州大学工程硕士论文 m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 为斜盘式和斜轴式两种。c z m l 2 5 型是一款斜轴式柱塞马达，柱塞位于马达进油区的柱塞孔内， 液压力推动柱塞和连杆，其作用力f 沿连杆方向传至马达输出轴和传动盘上。f 作用力的轴向 分力由止推轴承所承受，径向分力和力臂r 形成扭矩，使传动盘转动，连杆又拨动缸体转动。 马达输出轴的扭矩是位于进液区的各个柱塞所产生的扭矩之和。由于转动过程中位于进液区 的柱塞数不断变化，力臂r 也不断变化，所以马达的瞬时扭矩是脉动的。 ( 3 ) 结构特点 由于马达正反转，所以配流盘的过渡密封区应采用对称布置，其它部分的结构与同类型 泵基本相同。 在液压系统工作中，首先直接承受来自负载的冲击，在耐冲击方面具有明显优点。 2 3 3 辅助液压泵 定量斜盘式轴向柱塞泵。轴向柱塞泵有2 类：斜盘( 直轴) 泵( 见图2 - - 3 ) 和斜轴泵( 见图2 - - 2 ) ， 前者的柱塞轴线与缸体轴线平行，而后者则略有倾斜。m x g 3 5 0 型采煤机辅助泵则采用了斜 盘式轴向柱塞泵。 ( 1 ) 主要参数 工作压力为2 2 m p a ，排量1 6 m l r ，转速1 5 6 6 r m i n ，斜盘倾角1 1 0 ，柱塞个数l o 个，柱塞 直径1 4 m m 。 ( 2 ) 工作原理 图2 3 轴向柱塞泵的工作示意图 图中：1 斜盘2 柱塞3 缸体4 配油盘5 传动轴 ( 3 ) 结构特点 上图为轴向柱塞泵的工作示意图，若干个柱塞2 均匀分布在缸体3 的柱塞孔内。当传动 轴5 带动缸体3 转动时，柱塞2 在斜盘1 的作用i f 既随缸体3 转动又沿柱塞孔作往复的活塞 运动。当缸体如图所示逆时针方向旋转时，缸体右半部分的柱塞逐渐伸出，使柱塞孔腔容积 8 贵州大学工程硕士论文 m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 不断增大，产生局部真空，油液经配油盘4 低压腔上的窗口b 吸入；同时，左半部分的柱塞孔 腔容积因柱塞逐渐缩回而减小，油液经配油盘4 高压腔的上窗口a 排出。传动轴旋转l 周，每 一个柱塞完成一个工作循环。如果改变斜盘倾角a 的大小和方向时，就能改变泵的输出流量， 该泵可成为双向变量泵。 该泵特点为柱塞与斜盘无铰接，靠弹簧回程，使柱塞紧压在斜盘，并且只有排油阀，无 吸油阀，吸油是靠柱塞回程所造成的负压，当柱塞回到一定位置，即与扩大部分的吸油环槽 相通，由于负压油进入柱塞行程，柱塞压缩时把油通过排油阀排出。 2 3 4 采煤机牵引部液压伺服变量系统 伺服变量机构俗称泵位调节器，它由调速套、回零油缸、伺服阀和变量油缸等组成，并 通过反馈杆铰接在一起。为保证采煤机在额定功率条件下，安全、高效和可靠地进行截割， 牵引部大多采用了压力反馈的液压控制和速度反馈的电动控制的液压控制系统，根据外负载 的变化自动地调整牵引速度。 该系统可以根据牵引部液压传动系统中主油路负载压力信息，给出控制信号，以牵引速 度为控制对象，通过压力反馈改变主油泵的输出流量，调整采煤机牵引速度，实现液压恒功 率自动调速这不仅充分发挥采煤机的效能，同时也减小作用在传动系统上的附加冲击载荷， 延长了机器寿命。 ( 1 ) 工作原理 如图2 4 所示 当采煤机牵引力发生变化，系统主油路中工作压力超过允许值时，系统中高压变量油经 梭形阀螺旋阻尼管2 ，液压恒功率调节器3 推动楔形块4 移动，楔形块位移又通过连杆5 伺服 阀6 ，变量油缸7 改变主油泵8 的摆角，使油泵输出流量改变，从而改变油马达的转速，实现 采煤机牵引速度的自动调节。 9 贵州大学工程硕士论文m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 3 q 厂、厂、广 2 u 厂、 v 出，则不发生泄漏，而 v 避- - p r h 2 6 ud 2 t a nq + t 觚b ) t a n q ) ( 3 - - 2 0 ) v 出啪2 6ud 2 t a no + t a n i s ) t a n 1 3 ) ( 3 - - 2 1 ) 1 9 贵州大学工程硕士论文m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 式中： p r 一径向力，n ； h 一油膜厚度，t o n i ； 1 1 油液粘度，n s m m 比较( 3 2 0 ) 、( 3 2 1 ) 两式可见，假设在其它条件稳定不变的情祝下，理论上只要b q ， 则v 进 v 出，使密封可靠而不泄漏。这一理论经m u l l e r 实验证实：一个已有泄漏的油封，将它 反装，则成为一个良好的泵汲密封。由此可知，在液压传动中，基本的密封技术是密封件必 须能径向压缩，就是说，密封件必须有过盈量才能保证密封作用。这个过盈量不同于密封件 的初始过盈量，而是利用液体的压力得来的，因为被密封的液体压力在克服密封件初始过盈 量形成的阻力前，会轴向压缩密封件，其断面必然胀大，从而产生密封所需的过盈量，使密 封唇部的几何形状改变，保证有效密封。 2 ) 密封失效及分析 从密封机理可知，密封件过盈量是保证密封性能的一个重要指标。过盈量过大或过小都 会造成密封泄漏。在实际使用中有许多情祝会引起过盈量改变，从而导致密封失效。密封件 的损坏主要是由被污染的液体、不合格的沟槽或有毛病的密封表面及使用不当所引起的。液 压传动中密封失效形式主要有四类：过度磨损、挤出现象、变形和系统中的空气所引起的损坏。 过度磨损 过度磨损是密封件损坏的主要表现之一。过度磨损可以各种方式发生。由于密封件所用 材料一般为橡胶产品，表面粗糙度差或有磨粒都会对橡胶产生撕裂作用，使磨损加速。 挤出现象 当密封件工作在高于推荐的工作压力时，密封跟部的加强部分由于受力而被磨损掉。挤 出现象出现的原因，一般都是由于密封沟槽和密封件尺寸偏差造成挤出间隙过大引起的。另 外，由于温度过高会使橡胶软化，使它能挤入比常温下所能挤入的更小缝隙中。 变形 密封件变形一般是由于安装不当而造成的。安装时，如果过分地压入和张紧，就会使密 封件发生塑性变形，过盈量发生变化，从而影响密封性能，这也是液压传动中泄漏常见故障 之一。 系统中的空气引起密封的损坏 液体中的气泡经过密封唇边时，气泡被压缩为原来尺寸的几分之一。当这种气泡到达密 封件的非压力侧时，便迅速释放出能量，使密封唇边迅速破损，呈现出特有的喇叭形”轴 2 0 贵州大学工程硕士论文m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 向沟槽。 ( 3 ) 影响泄漏的几个重要因素 1 ) 转速 轴的转速不仅影响到密封的泄漏，而且由于转速的改变，将引起温升、动载等变化，严 重影响到密封的工作寿命。图3 _ 4 所示轴的不同度和动态偏心下的泄漏率。结果表明轴的不圆 度和动态偏心所出现的泄漏率与轴的转速极大的关系，动态偏心所引起的泄漏，大大高于不 圆度所引起的泄漏。在一定转速范围内，动态偏心将使泄漏量迅速增大，偏离这一转速范围 又迅速下降。图3 - 5 为油液温度保持在1 2 0 c 时轴转速对密封寿命的影响。 笔t 2 d 曩矗l s 麓l 繁 t 0 5 leoo2 o 姗 转t i tp c l j 钿 图3 4 轴的不同度和动态偏心下的泄漏率 2 ) 工作介质的粘度和清洁度 衲 知 e 嘲 囊 麓娜 搬 鞠帕 o ! o o o 拍蛐柚 糟t 矿t 舳i 图3 5 轴转速对密封寿命的影晌 一般来说，工作介质粘度越低，越易泄漏，越高越不易泄漏。由于密封件上橡胶与不同 油液的亲和性不同，因而会出现橡胶的膨胀或收缩。若油封唇部收缩过大，必然使密封部位 过盈量减少，不能达到泵汲能力，不能形成所需要的油膜，而造成泄漏。若膨胀量过大，唇 部变形过大，其硬度、强度和延伸率均降低即( 唇部软化”) 后，唇部极易磨损，无法进行 泵汲密封，泄漏也会增加。 液压系统的工作介质是液压油，如果油液不洁，或由于元件在运转中产生的磨损粉末和 切屑粉末，以及外部侵入的灰尘，一旦进入油液，油质将变差，形成油泥和固体杂质，引起 密封唇口与元件表面的划伤，从而导致密封的急剧磨损，泄漏增加。 3 ) 工作压力和温升 液压系统压力越高越易泄漏。当工作压力大于密封耐压时，密封唇部易变形，中间发生 凹陷，从而增大了接触宽度。实践表明，当压力从零增大到o 1m p a 时，其接触宽度将是压力 为零时的4 倍。压力作用下接触宽度的增加，使摩擦力矩增加，也使磨损加剧、温升提高， 泄漏增加，进而影响密封的使用寿命。油温过高，润滑油膜变薄，摩擦力加大，磨损加剧， 密封材料老化增快，使之变硬变脆，并可能很快导致泄漏。 2 1 贵州大学工程硕士论文m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 图3 6 表明，随着油液温度的增高，其密封寿命将急剧下降，温度每增加1 0 0 c ，密封寿 命将缩短约l 3 。 9 0 0 0 ，o - 纂5 0 0 0 絮 e j 0 0 0 l 疆玲 蘧菠譬度张) 图3 6 油液温度对密封寿命的影响曲线 4 ) 液压元件的表面粗糙度 液压元件表面粗糙度过大，密封件越易磨损，泄漏增加：相反，若过小，则表面上难以形 成相对运动时所需的最小油膜，从而使密封件处在干摩擦或半干摩擦状态而过早磨损，导致 密封性能不稳定，泄漏也会增加。一般液压系统中液压元件的表面粗糙度宜在0 1 5 - - 1 4 0 u r n 内选取，这样泄漏最少。 3 5m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统主要元件的泄漏 3 5 1 主要液压元件泄漏分析 l 液压泵( 马达) 的泄漏 m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统中主泵和马达采用轴向柱塞式。液压泵( 马达) 是牵 引部液压系统主要的泄漏元件，柱塞与缸孑l 环形间隙流动泄漏流量的计算中泄漏流量公式的 修正系数入的准确推导，对柱塞泵( 马达) 效率的提高，减少泄漏的流量至关重要。 ( 1 ) 柱塞泵( 马达) 中柱塞与缸孔环形缝隙的泄漏流量分析 如下图所示： 贵州大学工程硕士论文m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 图3 7 柱塞泵( 马达) 中柱塞与缸孔环形缝隙的泄漏流量分析图 环形间隙流动泄漏流量公式 柱塞与缸孔间的滑动是柱塞泵中一对主要摩擦副。由于柱塞与缸孔之环形间隙很小( 微米 量级) ，其流动状态一般为小雷诺数层流，可按同心圆柱环形间隙流动流量公式建立其泄漏模 型。考虑柱塞缸内压强是按照排油压强和吸油压强交变的，如果吸油压强为大气压，则平均 压强为排油压强的一半，因此环形间隙流动流量公式为： q 一黜 。3 屹， 式中：u 一流体动力粘度； 6 一柱塞与缸孔的半径间隙； p 一吸排油的压差； d 一柱塞截面直径： l 一柱塞与缸孔间的密封长度。 柱塞与缸孔问实际流场的情况是，柱塞与缸孔两端发生接触，即完全偏心，但在缸孔中 点的位置，柱塞与缸孔完全同心。经文献推导出偏心环形间隙流动流量公式为： q 一黜 。3 峭j 泄漏流量公式的修正 以上公式中，柱塞与缸孔间的密封长度均保持不变。实际上，由于柱塞相对于缸孔有相 对速度，柱塞的密封长度l ( x ) 是随柱塞在缸孔内的位置而变的，故l ( x ) 是一个随时间变化的 变量。换言之，经柱塞与缸孔环形问隙流动泄漏的流量也是一个变量。泄漏的流量公式( 3 2 3 ) 应加以修正。图3 8 柱塞的密封长度随柱塞在缸孔内的位置而变的示意图。 贵州大学工程硕士论文m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 图3 8 柱塞的密封长度随柱塞在缸孔内的位置而变的示意图。 设l 是柱塞在下极点的密封长度( 即最大密封长度) ，则柱塞的密封长度l ( x ) 为， 厶- l - si 工拿”c 。渤 ( 3 2 4 ) 其中，b 是泵斜盘倾角。在斜盘转角。0 卸的半圈内，柱塞吸油( 压强为p 1 ) ，柱塞运动造 成泄漏；在斜盘转角。0 = 兀2 的半圈内，柱塞排油( 压强为p 2 ) ，柱塞运动使泄漏减少；无论 吸油或排油，柱塞运动方向与压强差的方向总是相反，则瞬时泄漏流量为 q ；一溉j 擎拿鼬。3 硝， 每圈的平均泄漏流量为： q 一去2 乒，胡 - i ，! j ，v 拜j 。 上2 一墨丛：垒叠 一点f 蔫羞苦 ( 3 2 6 ) 从积分中可以看出，柱塞运动造成的泄漏在斜盘旋转一圈时的总和为零，前半圈增加泄 漏，后半圈减少泄漏，总的结果是互相抵消的。由此推导出： q 1 7 。3 6 弘 与式( 3 - - 2 3 ) 相比，泄漏的流量公式的修正系数入为 结论 ( 3 2 7 ) r _ 翻一1 n双6 p g 卫2 业2 贵州大学工程硕士论文m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 公式( 3 2 7 ) 既考虑了柱塞偏心问题，又考虑了柱塞密封长度变化的问题，比较符合柱 塞泵( 马达) 的实际工作状态，因此，用这个公式计算柱塞与缸孔环形问隙流动泄漏的流量应该 是较精确的。 柱塞与缸孔环形间隙流动泄漏流量的计算结果，是分析柱塞泵( 马达) 容积效率的重要因 素，也是柱塞泵( 马达) 结构正确设计的条件之一。故推导出泄漏流量公式的修正系数具有重要 的理论和实际意义。 ( 2 ) 柱塞泵( 马达) 因油液污染造成的泄漏 由于m x g 3 5 0 采煤机液压泵( 马达) 采用轴向柱塞式，其配流副、柱塞副配合精度要求 高，对油液污染比较敏感。含有固体颗粒的油液进入配流副间隙时，由于缸体相对于配油盘 高速滑动，运动表面温度升高，油液中固体颗粒与两运动表面相接触时易产生粘着磨损。对 于目前常用的平面配流盘，缸体受颠覆力矩容易造成“张口”，导致缸体与配油盘之间局部金 属接触而研盘，发生严重的滑动磨损。 表3 一l 和表3 - - 2 是盘江煤电集团机电公司2 0 0 4 年对z b1 2 5 型液压泵损坏及返修情况所做 的统计： 表3 一l 安装和使用不当造成的损坏数量 表3 2 部件损坏情况 从表3 一l 可以看出液压泵的大部分故障都是由油液污染、变质引起的。研究表明，油液 污染引起的故障占液压系统故障的7 0 一8 0 左右。 油液污染是造成柱塞泵( 马达) 失效的主要根源。因此，对油液的污染进行有效控制方 可提高采煤机液压系统主要液压元件的工作可靠性。 3 5 2 斜盘式轴向柱塞泵主要泄漏分析 ( 1 ) 柱塞泵发热大引起的泄漏 柱塞泵发热大的原因主要有2 种：油温过高；泵内各运动副之问磨损严重。液压系统或 柱塞泵内部泄漏、冷却器失效或油液粘度过大是造成油温过高的主要原因。因加工、安装精 贵州大学- t 程硕士论文m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 度低于设计要求，或因柱塞泵与柱塞孔、配油盘与缸体等运动副之问摩擦而发热，但这部分 摩擦热远小于因运动副磨损造成内泄时产生的热量。若各运动副接触表面严重磨损，则应对 磨损件维修或更换。所以，泵发热过大，应查明是由系统泄漏引起还是由冷却器失效或油液 不符合要求引起的，以便采取相应的维修措旖。 ( 2 ) 柱塞泵密封件失效或斜盘调整的倾角q 过小造成的泄漏 当柱塞泵上的密封件失效、粗精滤油器堵塞或吸油口部分露出油面，或泵在初始工作时 液压油未充满缸体，使泵内混有气体，此时也将产生大的噪声和压力波动。柱塞泵的噪声主 要来自于机械噪声和气体噪声。泵体内部运动副间若产生机械摩擦或联接元件之间松动( 如滑 靴与柱塞球头间隙过大或泵内轴承严重磨损时会产生大的机械噪声) 。当斜盘调整的倾角a 过 小而泵内泄露又较大时，可引起较大的压力波动，这种情况一般可通过增大斜盘倾角a 即增 大泵的排量来弥补内泄露，从而减小压力波动。另外，配油盘上的油槽因加工或修配后尺寸 精度低而产生困油现象时也能产生大的噪声和压力波动。 ( 3 ) 装配不当或磨损导致的泄漏 因装配不当或磨损使零件失效而导致大量内泄漏，而造成输出流量异常。如配油盘上的 定位孔未与油泵端盖上的定位销对正或因泵内的定心弹簧失效导致柱塞不回程或回程不够， 都将影响缸体与配油盘之间的密封性，造成配油盘高低压腔相贯通而影响泵的正常吸排油。 又如柱塞与柱塞孔之问因磨损而产生大的问隙或因密封件失效、油温过高等也是导致大量内 泄露的原因。当滤油器堵塞、油箱液面较低或压力损失大时，会导致泵的输出流量不足。当 泵的变量机构在高压时存在调整误差、低压时调整角度过小也将使泵的输出流量不足。因此， 当柱塞泵输出流量不足或无流量输出时，首先应检查滤油器和油液，然后再检查密封件，最 后查看是否是因零件磨损或装配不当造成。 3 5 3t l x 6 3 5 0 型采煤机牵引部机液伺服机构 采煤机m x g 3 5 0 型的牵引部均设计有液压恒功率自动调速系统。该系统可以根据牵引部 液压传动系统中主油路负载压力信息，给出控制信号，以牵引速度为控制对象，通过压力反 馈改变主油泵的输出流量，调整采煤机牵引速度，实现液压恒功率自动调速这不仅充分发挥 采煤机的效能，同时也减小作用在传动系统上的附加冲击载荷，延长了机器寿命。 ( 1 ) 存在的问题 分析表明，它的动态性能，直接影响采煤机的调速性能。m x g 3 5 0 采煤机的伺服机构的 设计采用了正开1 3 伺服滑阀，并在阀的回油口处设置固定阻尼孔实践证明，该伺服机构存在 贵州大学工程硕士论文m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 以下问题：采用正开口伺服阀，虽然可增大伺服系统的阻尼比，改善了系统的动态性能，但 是伺服阀零位泄漏量较大。采用正开口阀降低了伺服系统的静态刚度，同时还带来阀的非 线性流量增益和压力增益较低，以及稳态液动力变化等问题，影响了伺服系统的工作性能。 伺服阀的回油口安装阻尼孔对增大系统的阻尼系数起了一定作用。现场生产实践提供资料 表明，由于井下工作环境差，采煤机牵引部油液污染严重，阻尼孔直接与油池相通，阻尼孔 常被堵塞。阻尼孔堵塞造成伺服系统的瞬态响应速度变慢。当采煤机牵引部外负载骤增时，由 于牵引速度得不到及时调节，使液压传动系统产生很大压力冲击，严重影响机器寿命。 ( 2 ) 加动压反馈装置对伺服系统性能的改善 理论分析 动压反馈装置的传递函数 x 。 图3 9 动压反馈装置示意图 图3 9 所示，动压反馈装置是由液阻与空气蓄压器组成，将它们分别接在液压缸的进、 出口油路上，假设阻尼器为层流流动其流量方程： q d l = c ( p l p ) ( 3 2 8 ) 式中 q d l 一通过阻尼器的流量 p l 一阻尼器的进口压力 c c 一阻尼器的层流液导 p 一阻尼器的出口 压力空气蓄压器在等温变化过程中有：p v = p o v o 。 贵州大学工程硕士论文 m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 p o 一稳定状态下的压力 、，o 一稳定状态下的容积 由此可得： 瓦d v = p o v o ( 一专) 鲁 在压力变化不大的情况下，p p o ，则有 由流量连续性方程得： 则： 即得到： 同理可得： 旦l i j 咖一咖 一= 一- - ：一二一 d t r 出 ，、 西 伤，2 一- z 吣母老鲁或p 2 矗1 写日 1 + 卫s c o p o v os 瓯。i p 且os e , l + 卫s c e o v os 仍：i p 上osl + 卫s c c p o 鼠一2 百v o 鬻 c c p o 考虑到结构的对称性，则有： q ，= 一q ：= q露一昱= 乞 因而( 3 - - 3 4 ) 可写为： q 5 瓦v o 疆s 咒 c p o ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) 贵州大学工程硕士论文 m x g 3 5 0 型采煤机牵引部液压系统的泄漏控制研究 由上式可得阻容压力微分器的传递函数： 哪，2 等= 譬嚣 ( 3 3 6 ) 其中：乃= 矗为时间常数。可以看出这是一个压力微分环节。 动压反馈装置对伺服系统性能的改善 采煤机牵引部机液伺服系统采用连杆式机械反馈机构系统，见图( 3 - - 9 ) 输入量为x l ，输 出量y 伺服阁阀芯位移x y - - 者之间关系为： t = 击托一而a 】，( 3 - - 3 7 ) 伺服阀的线性化流量方程： q l = k x xvkcpl(3-38) 式中： k x 一工作点附近的流量增益 k c 一工作点附近的压力一流量系