（机械工程专业论文）凿岩台车液压系统及其故障诊断研究.pdf

1-_1 j，1j1-， ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g t h e s t u d yo fd r i l l i n gt r o l l e yh y d r a u l i cs y s t e m a n dt r o u b l ed i a g n o s e b yx u ec h e n g h a o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a og u a n g y a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y a u g u s t2 0 0 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名 ：御；殇 日期：功彳纲c 尹 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位敝作者签名：仫叫；乇导师签名 签字日期 ：6 7 孑踊矽 签- 7 日期：7 、2 ， 东北大学硕士学位论丈摘要 凿岩台车液压系统及其故障诊断研究 摘要 本文通过对凿岩台车液压系统的结构和原理的研究，对液压系统的故障检测技术进 行了归纳与总结，以知识工程的理论为基础，运用面向对象的设计方法构建了一个基于 e s p ( e x p e r ts y s t e mp l a t f o r m ) 平台的液压系统故障诊断专家系统。 对全液压凿岩台车主要液压系统、液压元件的结构和工作原理进行了研究与分析， 对液压系统的故障检测方法进行归纳与总结，重点研究参数检测法的工作原理及其应 用，在理论上对影响凿岩的主要参数进行了研究与分析，收集整理了凿岩台车在生产过 程中液压系统的常见故障及其原因。 对专家系统的基本概念、知识的表示与获取等进行了阐述，充分运用面向对象的知 识表示方法，完成凿岩台车液压系统类的总体设计。 采用了模块化的设计方法来构造知识库，在系统的设计中，把一些典型的元件或诊 断回路作为一个单元体，添加到任何一个高一级的系统的诊断体中，提高了效率。 运用专家系统的知识，完成凿岩台车液压系统故障的获取，绘出主要液压系统的故 障结构图，完成了台车故障诊断知识库的构建。运用软件工程的理论和数据库的基本概 念，完成了台车液压系统故障诊断知识库e r 图的构建。 最后，实现了一个基于e s p 平台的凿岩台车液压系统故障诊断专家系统。 关键词：凿岩台车液压系统；故障诊断；知识获取；知识表示；专家系统 东北大学硕士学位论文a b s tr a c t t h e s t u d y o f d r i l l i n gt r o l l e yh y d r a u l i cs y s t e m a n dt r o u b l e d i a g n o s e a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，w er e s e a r c h e da b o u tt h eh y d r a u l i cs t r u c t i o na n dt h ep r i n c i p l eo fd r i l l i n g t r o l l e y w e c o n c l u d e dt h ef a u l t i n s p e c t i n gt e c h n o l o g yi nh y d r a u l i cs y s t e m u s i n gt h e o b j e c t o r i e n t e dd e s i g nm e t h o d ，a n db a s i n go nt h et h e o r yo fe n g i n e e r i n gk n o w l e d g e ，w e c o n s t r u c taf a u l td i a g n o s ee x p e r ts y s t e mf o rh y d r a u l i cs y s t e mb a s e do nt h ee x p e r ts y s t e m p l a t f o r m ( e s p ) w er e s e a r c h e da n da n a l y z e dt h em a i nh y d r a u l i cs y s t e m ，t h ec o n s t r u c t i o na n dt h ew o r k i n g p r i n c i p l e o fh y d r a u l i c c o m p o n e n t w ec o n c l u d e d a n ds u m m a r i z e dt h e f a u l t i n s p e c t i n g t e c h n o l o g yi nh y d r a u l i cs y s t e m i m p o r t a n t l y , w er e s e a r c h a n dt h ep a r a m e t e ri n s p e c t i n gw a y a n di t su s i n gm e t h o d i nt h e o r y , w es t u d i e da n da n a l y z e dt h em a i np a r a m e t e re f f e c t e dd r i l l i n g ， c o l l e c t e dt h ef a u l ta n di t sr e a s o no fh y d r a u l i cs y s t e mi nd r i l l i n gp r o d u c t i o n i ne x p e r ts y s t e m ，w ee x p l a i n e dt h eb a s i cc o n c e p t i o n ，k n o w l e d g ee x p r e s s ，k n o w l e d g e a c q u i s i t i o n u s i n gt h eo b j e c t - o r i e n t e dk n o w l e d g ee x p r e s s i n gm e t h o d ，w ed e s i g n e dt h ec l a s so f t h ed r i l l i n gt r o l l e y sh y d r a u l i cs y s t e m w eu s et h em e t h o do fm o d u l a r i z a t i o nt oc o n s t r u c to u rk n o w l e d g eb a s e f o l l o w i n go u r d e s i g np r i n c i p l e ，w ev i e wt h et y p i c a lc o m p o n e n ta n dc i r c u i ta sa i li n d e p e n d e n tm o d u l ea n d i m p l e m e n ti ts e p a r a t e l y w h e nw ec o n s t r u c tal a r g e rs y s t e m ，t h ew e l l - d e s i g n e dm o d u l ec a l lb e a d d e di n t oi t w i t i lt h eu s eo ft h i sm e t h o d ，w ec a l li m p r o v eo u rw o r ke f f i c i e n c yg r e a t l y w eu s et r o u b l ed i a g r a mt or e p r e s e n tt h er e l a t i o nb e t w e e na l lk i n d so fe v e n t s i nt h i sw a y , w ec a l lr e c o g n i z et h ec a u s ea n de f f e c tb e t w e e na l lt h er e l e v a n te v e n t s t h ei n t r o d u c t i o no ft h e t r o u b l ed i a g r a mm a k e st h ep r o d u c t i o nr u l ee x t r a c t i o nm u c hm o r ee a s ya n dp r e c i s e b yt h e t h e o r yo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gw ef i g u r eo u to u rc l a s s e sa n di t sr e l a t i o n sw i t he - rd i a g r a m f i n a l l y , w ec o m p l e t eaf a u l td i a g n o s ee x p e r ts y s t e mf o rd r i l l i n gt r o l l e y sh y d r a u l i c s y s t e mb a s e do nt h ee x p e r ts y s t e mp l a t f o r m ( e s p ) k e y w o r d s ：d r i l l i n gt r o l l e yh y d r a u l i cs y s t e m ；f a u l td i a g n o s e ；k n o w l e d g ea c q u i s i t i o n ； k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ；e x p e r ts y s t e m i i i 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章概述1 1 1 凿岩台车及其液压系统研究发展的现状1 1 2 凿岩台车液压系统故障诊断技术的现状2 l - 3 液压系统故障诊断技术的发展趋势。2 1 4 本课题研究的内容及目的4 1 4 1 课题研究的主要内容4 1 4 2 课题研究的主要目的4 第2 章凿岩台车液压系统的组成及原理7 2 1 凿岩台车的基本动作7 2 2 液压系统的主要元件8 2 2 1 梭阀8 2 2 2 多路换向阀9 2 2 3 平衡阀1 0 2 2 4 先导阀：10 2 3 凿岩台车液压系统的基本组成和工作原理1 1 2 3 1 钻进系统1 l 2 32 工作装置定位系统。1 3 2 3 3 底盘液压系统l5 2 3 4 冲渣和吹洗系统j 。l7 第3 章凿岩台车液压系统的常见故障及检测1 9 3 1 液压系统故障检测概述1 9 3 2 凿岩台车液压系统故障检测的参数测量法2 0 1 v 东北大学硕士学位论文目录 3 2 1 凿岩台车液压系统参数测量法的构成与原理2 0 3 2 2 凿岩台车主要液压参数的相关关系分析2 l 3 3 液压系统参数测量法故障检测实例k 2 5 3 3 1 液压参数检测仪2 6 3 3 2 冲击机构的故障检测2 6 3 3 3 回转机构的故障检测2 7 3 4 凿岩台车液压系统的常见故障2 7 3 4 1 溢流阀故障一2 8 3 4 2 换向阀故障2 8 3 4 3 减压阀的故障2 9 3 4 4 凿岩台车液压系统常见故障及原因的分析与整理2 9 第4 章凿岩台车液压系统故障诊断的专家系统3 l 4 1 专家系统的基本概念3l 4 2 凿岩台车液压系统故障的知识处理3 l 4 2 1 知识与知识表示3l 4 2 2 知识的获取3 6 4 2 3 凿岩台车液压系统故障诊断知识库的构建3 9 4 3 专家系统的实现4 9 4 3 1 概j 苤一5 0 4 3 2e s p 系统的语法5l 4 3 3e s p 系统推理机的使用5 2 4 3 4e s p 系统知识文件的编译5 4 、 4 3 5e s p 系统的实现过程5 5 第5 章结论5 9 5 1 本文结论5 9 5 2 问题与展望5 9 参考文献：6 1 致谢一6 5 n 东北大学硕士学位论文第1 章概述 第1 章概述 1 1 凿岩台车及其液压系统研究发展的现状 采矿凿岩是矿山开采的关键性环节，上世纪七八十年代，法国、瑞典、芬兰等2 0 多个国家就相继开始了液压凿岩机及凿岩台车的研究与开发。自1 9 7 0 年法国m o n t a b e x t 公司第一台液压凿岩机诞生开始，世界年产量相继从8 0 年代初的2 0 0 0 台发展到9 0 年 代的1 0 0 0 0 台，目前年产量已超过了2 0 0 0 0 0 台，这是地下凿岩设备发展史上的重要突 破。 随着现代科学技术的不断发展，液压凿岩设备品种规格更加齐全，使用范围越发广 泛，结构性能不断完善，液压控制技术也同益成熟，微机控制的凿岩设备j 下在普及，全 液压凿岩台车及其液压系统近年来取得了综合性的研究与发展【l 】。 瑞典a t l a sc o p c o 公司的s i m b a 系列全液压采矿凿岩台车，采用机械手装卸钻 杆，配c o p l 8 系列型液压凿岩机【2 】，生产效率高，钻孔精度高。1 9 9 5 年，该公司推出的 w 4 6 9 型机器人凿岩台车，配备w a s d r a c - - d r i l l 公司的t h 型液压凿岩机。在基鲁纳铁 矿使用过程中，一次就能自动钻进由1 0 个孔组成的扇面，微机程序控制可准确地调整 推进器位置，钻成符合孔深要求的炮孔，精度达到了1 5 。1 9 9 8 年该公司又推出了 r o c k e tb o o m e rm 2 c 型双臂掘进机器人台车，采用模块化设计：由尾部模块、发动机摸 块、动力模块、臂架模块和动臂模块等五个基本部件组成，维修简便，运输方便。该机 还装有以计算机为基础的动态局域网络组成的钻进系统【3 l ，由周围大量的与中央控制器 相连的传感器组成，司机能随时监控台车的运行情况，且能在操纵仪表盘上利用储存在 p c 卡上的编程控制系统进行编程，提高了凿岩精度和工作效率。 芬兰t o m r o c k 公司推出的s u p e r d r i l l i n g 掘进和采矿全液压凿岩台车【4 】，配备的液 压凿岩机为h l 或h i 系列，采用了支承凿岩机的新式推进器，其逻辑控制器可准确地 移动钻臂，控制推进器的动作。该车性能优异，易操作，维修方便。1 9 9 6 年该公司又推 出t a m r o c k l 0 6 0d a t as o l o 型机器人凿岩台车【5 j ，装有两级分布式计算机管理和控制系统， 可完全离线编制炮孔、布置程序，其信息可存贮、打印及传输到钻臂控制系统，分别控 制每个钻臂动作以保证钻臂定位准确和炮孔精度。操作台上的显示器可显示钻臂方向、 炮孔布置状况、凿岩速度和进尺等，大大提高了凿岩精度。 现在，液压凿岩台车在我国地下金属矿山凿岩作业中，逐渐显示出了较大的优越性， 对于加快施工速度、缩短建设周期、缓解采掘衔接紧张局面、提高生产力、改善作业环 境等方面发挥了应有的作用。 1 东北大学硕士学位论文第1 章概述 当前，液压传动技术正向高压、高速、高集成化、大功率化、高可靠性方向发展。 现代液压传动技术与以微电子技术、计算机控制技术、传感技术为代表的新技术紧密结 合，形成了一个完善而高效的控制中心，成为包括传动、控制、检测、显示乃至诊断、 矫正、预报在内的机电一体化技术。这些技术在凿岩台车液压系统的应用中正日趋广泛。 随着我国液压技术的不断发展，液压凿岩台车的引进、消化、吸收等工作意义重大， 全国多个高校和科研机构都把全液压凿岩台车的研究列人了重点研究课题。液压凿岩台 车的引进和试验工作也在梅山铁矿、程潮铁矿、云南大洪山等矿山相继开展。随着我国 钢铁工业的飞速发展，矿山资源规模化开采的不断加速，全液压凿岩台车的研制、新产 品开发和推广应用正逐步进入高速发展的阶段【6 j 。 1 2 凿岩台车液压系统故障诊断技术的现状 液压系统的故障诊断一般可分为简易诊断技术和精密诊断技术【7 】。简易诊断技术又 称主观诊断法，它是维修人员利用简易诊断仪器和个人的实际经验，对液压系统出现的 故障进行诊断，判断产生故障的部分和原因。由于各人的感觉不同，所以主观诊断仅是 一个简单的定性分析，而且可靠性较低1 8j 。 凿岩台车液压系统的故障诊断目前多停留在主观诊断上，维修人员利用简易诊断仪 器和个人的实际经验对液压系统出现的故障进行诊断，采用“看、听、摸、闻、问”等 方式判断产生故障的部分和原因，往往费事费力且效果欠佳。 精密诊断技术【9 】，即客观诊断法，它是在简易诊断的基础七，对有疑问的异常现象， 采用各种监测仪器对其相关参数进行测试，从而进行定量分析，找出故障原因，进而在 设备某部位上加装状态监测仪器来预测系统工作的未来技术状况，并采取相应的修理对 策i q i 。状态监测用的仪器种类很多，通常有压力传感器、流量传感器、速度传感器、位 移传感器、油温测试仪、振动监测仪、压力增减仪等【l 叭，通过这些仪器，把测量到的数 据输入计算机系统，计算机根据提供的各种信息和各项技术参数，判断出某个液压元件 和液压系统的工作状况，并在出现危险前自动报警或自动停机1 1 1 j 。 随着计算机应用的普及，新型的液压系统故障监测和早期诊断主要是通过配置微型 计算机进行数据采集、自动数据处理、报警输出和数据打印，以提高测试精度和自动化 测试程度，使整个测试过程自动化、智能化【1 2 j 。 1 3 液压系统故障诊断技术的发展趋势 目前国际上正处于研究和丌发阶段的液压系统故障诊断方法有：功能诊断法、振动 诊断法、声学振动法、热力学诊断法、传递函数诊断法、主成份诊断法、模糊诊断法、 2 - 东北大学硕士学位论文第1 章概述 神经网络诊断法、专家系统诊断法和灰色系统诊断法1 1 3 l 。 由于机械设备工作状态的多样性，其液压系统故障诊断技术的发展趋势是不解体 化、高精度化、智能化及网络化【l4 1 。对于不解体检测的研究，其方向是开发可预置于液 压系统内的传感器，美国、日本等国家已成功将超微型传感器安置于液压系统内，对系 统的温度及主要部件的工作参数进行监测，并利用光纤传感器监测系统的温度、液压油 粘度和压力等参数。对于高精度化，在信号技术处理方面，是指提高信号分析的信噪比。 对于较复杂的液压系统而言，其信号系数是瞬态的、非平稳的、突变的，将小波理论用 于这些信号的分析处理上，则可大大提高其分辨率【1 5 l 。对于智能化，是指开发诊断型专 家系统，使数据处理、故障识别自动完成，以减轻诊断的工作量，并提高诊断的速度及 正确性【l 引。同时将模糊神经网络方法应用于故障诊断的专家系统中，使之具有一定的智 能，具有自组织、自学习和联想功能。 在液压系统的故障诊断上，专家系统诊断j 下在同趋完善和不断发展。专家系统诊断 实际是智能化诊断的一个分支，它有2 0 多年的发展历史，是一组智能程序【1 7 1 。就是一 组能在某一特定领域内，利用知识和推理，以人类专家水平去解决该领域的问题的计算 程序。专家系统减少了知识应用的代价，使领域知识迅速转化为生产力。 随着人工智能的发展和专家系统的深入应用，专家系统开发工具软件也逐步成型和 不断发展，现有的专家系统开发工具可分为三种类型，即语言、外壳和平台工具【1 8 】。 专家系统的开发语言有l i s p 、p r o l o g 等逻辑程序设计语占。专家系统外壳是一种专 门的专家系统开发工具，它保留了原有专家系统的体系结构和功能，再加上通用的界面 就构成了专家系统的外壳。e m y c i n 和k a s 都是著名的专家系统外壳l 悖】。 专家系统平台工具是不依赖于任何已有的专家系统，完全重新设计并且提供更多灵 活性的一类专家系统开发工具，它是语言加上有关的实用程序。例如c l i p s ，它是由美国 宇航局丌发的一种专家系统平台工具，现有的c l i p s6 1 版已经具有产生式系统( 基于规 则) 、框架结构、面向对象和过程式编程等多种知识表达方式，功能相当强大，属于第 二代专家系统工具。其基本思想是将领域专家的经验与知识用事实的形式建立一个开放 式的专家知识库，并为这个知识库建立一系列规则，当启动专家系统后，它能根据使用 者的回答，依照规则查询专家知识库，从而得到与规则一致的推理结果。 利用专家系统进行故障诊断已成为一个很活跃的分支，在工程机械领域，主要是运 用于大型的液压设备。如：小松盾构机故障诊断系统的成功运用，为地下大型施工机械 在故障监测诊断技术方面提供了很好的实践经验。我国在这方面的研究虽起步较晚，但 也处于蓬勃发展之中，比如汽车故障监测专家系统的研制，上海同济大学在盾构机械故 - 3 东北大学硕士学位论文第1 章概述 障诊断方面取得的显著成绩等，都说明专家系统在故障监测与诊断上的运用是很有意义 和成效的【2 0 1 。 人工神经网络诊断【2 i 】是模仿人的大脑神经元结构特性而建立的一种非线性动力学 网络，它由大量的简单非线性单元互联而成，具有大规模并行处理能力，适应学习和处 理复杂的问题，在液压系统故障诊断中得到了越来越多的应用和发展1 2 2 。 1 4 本课题研究的内容及目的 鉴于全液压凿岩台车在我国矿山的使用情况，以及液压系统故障诊断和研究分析的 现状，本课题研究的主要内容及目的为： 1 4 1 课题研究的主要内容 ( 1 ) 对典型全液压凿岩台车的动作及结构进行分析，对其主要液压系统的工作方 式和工作原理进行研究，对进口台车液压元件的最新结构及工作机理进行分析探讨。 ( 2 ) 对液压系统的故障检测方法进行归纳与总结，重点研究参数检测法的工作原 理及其应用。对液压凿岩的主要数学参数进行分析与探讨，在理论上对影响凿岩的主要 因素进行查找与分析。运用参数检测法对凿岩液压系统的故障进行判别与分类，收集整 理梅山凿岩台车在生产过程中液压系统的常见故障。 ( 3 ) 对专家系统的基本概念、知识、知识的表示与获取等进行理论阐述，在此基 础上，充分运用对象、类、继承等面向对象的知识表示方法，完成凿岩台车液压系统类 的总体设计，类的结构和类的属性定义。 ( 4 ) 向领域专家和知识工程师学习请教，运用专家系统的知识，完成凿岩台车液 压系统故障的获取，绘出主要液压系统的故障结构图，设计并完成该液压系统的故障诊 断知识库，运用软件工程的理论和数据库的基本概念，完成凿岩台车液压系统故障诊断 知识库e r 图的构建。 ( 5 ) 以e s p 专家系统工具为基础，完成诊断专家系统的知识表示、语法、推理机 的使用、文件编译、界面设计等，最后实现了一个基于e s p 平台的全液压凿岩台车故障 诊断专家系统。 1 4 2 课题研究的主要目的 在理论上，对液压系统的故障检测技术尤其是参数测量法进行一定的分析，对影响 凿岩的主要参数进行研究与探讨，从而对凿岩液压系统的数学模型有一定的补充。同时， 运用现代故障智能诊断理论，对知识的表示进行细化，提出模块化的思想，建立凿岩台 车液压系统故障诊断专家系统的基本结构，补充故障诊断专家系统的领域知识，实现一 4 东北大学硕士学位论文第1 章概述 个基于e s p 平台的全液压凿岩台车故障诊断专家系统。 在实际应用上，介绍和分析国内外矿山典型凿岩台车的结构和工作方式，对进口台 车液压元件的最新结构及工作机理进行了分析和探讨。归纳和总结液压系统的故障检测 技术，对参数测量法在液压系统故障诊断中的应用进行详细的介绍，收集整理了凿岩台 车作业过程中液压系统的常见故障，并运用基本的诊断方法对故障进行判断与处理。实 现一个基于e s p 平台的全液压凿岩台车故障诊断专家系统，为梅山铁矿凿岩设备的现 场故障诊断提供了有力的保障，同时为国内外矿山同类设备的故障处理提供了一定的参 考与借鉴。 - 5 东北大学硕士学位论文第1 章概述 6 东北大学硕士学位论丈第2 章凿岩台车液压系统的组成及原理 第2 章凿岩台车液压系统的组成及原理 全液压井下凿岩台车主要承担井下矿山的巷道掘进和采矿爆破的炮孔施工，根据巷 道的断面大小配备不同型号的台车可进行全断面的掘进和3 6 0 0 范围扇形炮孔的凿岩。整 机一般为四轮驱动，中间铰接转向，分为前后两部分机架，前机架上安装和布置工作机 构，后部机架布置动力驱动装置瞄】。 动力驱动装置主要包括行走动力和工作机构动力两大部分。行走动力为柴油机驱 动；工作机构的动力一般为电机驱动，主要采用的是一个工作主电机，和两个辅助电机。 液压工作机构一般包括支臂系统、回转架、推进器、凿岩机等，由此来完成台车的 定位、推进、冲击、回转等凿岩过程的基本动作。 2 1 凿岩台车的基本动作 ( 1 ) 定位 炮孔定位主要由支臂、回转架等机构组合运动来实施完成。支臂是凿岩机的支承和 运动构件，对台车的动作灵活性、可靠性及生产率有较大影响。目前使用多的有摆动式 ( 直角坐标式) 和回转式( 极坐标式) 两大类。 ( a ) 摆动式支臂：工作时可使钻臂在水平和垂直方向移动，按直角坐标方式确定炮 眼的位置，又称为直角坐标式支臂。其特点是：结构简单、通用性好、操作直观性好， 适合各种炮眼排列方式。但在确定炮眼位置时，操作程序多、所需时i 日j 长。轻型台车可 采用此种支臂。 ( b ) 回转式支臂：工作时可使整个支臂绕其根部回转机构的轴线做3 6 0 度回转，支 臂同时可实现升降，通过升降运动和回转运动，以极坐标方式确定炮眼的位置，又称为 极坐标式支臂。该种支臂的特点是：动作灵活、炮眼定位操作程序少，所需时间短，便 于打周边炮眼，但结构比较复杂。各种型式的凿岩台车均可采用此种支臂。 ( 2 ) 推进 推进主要由凿岩台车的推进器来实施。推进器包括推进梁、油缸、托盘、连接及传 递装置等，用来使凿岩机移近或退出工作面，并提供凿岩工作时所需的轴推力。 推进器行程由所凿炮孔的深度和相关推进梁的尺寸等确定，推进器的推进力应能在 一定范围内调节，以满足最优轴推力的需要。凿岩机在最优轴推力下工作，才能获得最 佳凿岩效能，工作时应经常调节推进速度和推进力以保持凿岩机始终在最优轴推力下工 作，各种机型凿岩机的最优轴推力可由实验确定。 7 东北大学硕士学位论文 第2 章凿岩台车液压系统的组成及原理 推进器平动机构用来保证支臂在改变位置时，推进器始终和初始位置保持平行，钻 凿出平行炮眼。其选用方法为： ( a ) 当使用强度不大的轻型支臂时，可选择结构简单、制造容易、动作可靠的四连 杆式平动机构。 ( b ) 当支臂较长或使用伸缩支臂和旋转支臂时，应选用尺寸小、重量轻的液压自动 平行机构。 ( c ) 在要求炮孔平行精度高的场合，可采用电液自动平行机构，通过角定位伺服控 制系统控制支臂液压缸和俯仰角油缸的伸缩量，来实现推进器托盘的自动平行位移。 ( 3 ) 凿岩 凿岩是凿岩台车的最终目的，通过凿岩机来实施对岩石的冲击破碎。凿岩机是钻凿 炮孔的核心，液压台车的推进、冲击、回转等各项任务都通过凿岩机来实施。凿岩机一 般分为前端、中间体和柄体三部分组成，主要由冲击和转钎两部分机构。 高压油通过配油阀的配油交替地冲击活塞，活塞将冲击能传递给钎尾，通过钎杆， 钎头对岩石实施冲击。凿岩机尾部的液压马达通过回转轴和齿轮机构将回转能传递给钎 尾，通过钎杆，钎头对岩石实施回转破碎。 目前s i m b a 及b o o m e r 系列台车主要采用c o p l 2 3 8 ，c o p l 8 3 8 凿岩机，凿岩效 果均较好。 ( 4 ) 行走 通常采用d c 系列底盘，分为前后两部机架，四轮驱动，中间铰接转向，通过与柴 油机连接的油泵驱动液压马达形成的闭式液压系统驱动轮边行走。通过与柴油机连接的 转向油泵的压力油供给转向油缸推动前后机架，实施中问铰接转向。 制动系统通过与柴油机连接的双联泵的压力油经制动阀，推动制动缸实施轮边湿式 制动、警急制动和停车制动。 2 2 液压系统的主要元件 凿岩液压台车液压系统的元件数量大、种类多，结构从简单到复杂，控制形式有手 控、液控、电磁控制、电液比例控制等等【2 3 1 ，本文主要对几种主要元件的结构和工作原 理进行研究和分析。 2 2 1 梭阀 梭阀相当于两个单向阀的组合【2 4 i ，其作用相当于“或门”，其工作原理如图2 1 所 示。它有两个进口p l 和p 2 ，一个出口a ，p l 和p 2 都可与a 口相通，但p l 和p 2 不相 8 一 东北大学硕士学位论文第2 章凿岩台车液压系统的组成及原理 通。无论是p 1 有信号，见图2 1a ，还是p 2 有信号，见图2 1b ，a 口都有输出，在p l 和p 2 都有信号输入，并且两侧压力相等时，阀心可以停在左边或右边，这取决于压力 输入的先后次序，先入者通道开放，若两边压力不等时，压力高的通道开放，a 口有输 出。梭阀常用于液压回路上，将控制信号有序地输入给控制执行元件。 在钻进系统回路中，回转系统设置了一个梭阀，提供主泵系统的控制油路，而保证 回转系统的恒流。 p p i a ( a ) p i 进油状况伯1p 2 进油状况 ( c ) 图形符号 图2 1 梭阀 f i g2 1s h u t t l ev a l l e 2 2 2 多路换向阀 以b o o m e r 全液压掘进凿岩台车的定位液压系统为例，该系统主要以手动多路换 向阀来实施定位系统的大臂提升、下降、补偿运动和回转运动等功能，如图2 2 所示。 4 l l 一安全阀2 一人臂阀3 一补偿阀4 一同转阀 | 玺i2 2 多路阀 f i g2 2m u t i p a t hv a l l e 多路换向阀是手动控制换向阀的组合阀，以进行多个工作机构( 液压油缸或液压马 9 东北大学硕士学位论文 第2 章凿岩台车液压系统的组成及原理 达) 的集中控制。由三个三位六通手动换向阀组成，换向阀为并联式，图形符号如图2 2 所示。并联式的特点是主液压泵同时向多路换向阀控制的工作机构供油，各工作机构的 工作压力即是液压泵的出口压力。每个换向阀可以独立操作，也可以几个阀同时操纵复 合动作。 该阀有公共进油口和回油口，各个控制阀有两个工作油口以连接液压缸( 或油压马 达) 。在进油口和回油口之间装有多路换向阀的总安全阀，在每一换向阀体的内部装有 单向阀，滑阀机能为o 型，当滑阀位于中间位置时，循环油液无压力，即油泵输出的液 油直接流回油箱。 2 2 3 平衡阀 平衡阀在液压系统中，主要是使液压马达和油缸的运动速度不受载荷变化的影响， 保持稳定。它附加的单向阀功能，在管路损坏或制动失灵时，可防止外载或自重造成自 由下落事故。 在举升回路选用的是f d l 6 f b i o i b 3 0 2 2 型平衡阀，如图2 3 所示。 图2 3 平衡阀 f i g2 3b a l a n c ev a l - 略 2 2 4 先导阀 以b o o m e r 全液压掘进凿岩台车的定位液压系统为例，该系统采用操作手柄控制 的压力比例先导阀，如图2 4 所示。 t 图2 4 先导阀 f i g2 4g u i d ev a l v e 1 0 一 东北大学硕士学位论丈第2 章凿岩台车液压系统的组成及原理 减压阀式比例先导阀又称简称先导阀，图形符号如图2 4 所示。它能根据不同的输入信 号而对液压系统中的操作元件产生比例的液压力，从而使系统的流量比例地变化，因此 可把它配在操作台上，用以遥控液压马达、油泵和液动阀的动作【_ 7 。 采用先导阀可使系统的总体布置合理、操作简便、性能良好。如果将不同种类的先 导阀适当地组合，则可实现液压系统中的“二级放大”、“有感觉操作”、“无线电遥控、 “程序控制”。先导阀主要是按直动式减压阀原理工作的，手柄处于中位时由复位弹簧 的作用保持零位。推动手柄、通过蝶形盘、触头及平衡弹簧组的作用使阀芯往下移动。 随着阀芯的移动，压力油口p 与某控制油口a ，b ，c 或d 沟通，压力油即到达被控液 压元件，整个阀产生的控制油压大小与手柄的位置和弹簧的特性有关。 2 3 凿岩台车液压系统的基本组成和工作原理 凿岩液压台车的主要动作均由其液压系统来控制，通过液压系统的执行元件及与其 相连的机械装置来实施凿岩功能。据液压凿岩台车的主要功能动作和相应的控制回路， 其液压系统可以划分为钻进系统、工作装置定位系统、底盘液压系统以及冲渣吹洗系统。 2 3 1 钻进系统 该系统主要由冲击、回转、推进的液压元件组成，其组成部分及原理如图2 5 所示。 柱塞泵l ( a v l 0 0 型) 供给的压力油其中一路经单向阀进入冲击主阀组5 的主阀， 油路的最高压力为2 8 0 b a r ，由安全阀2 2 ( 2 8 0b a r ) 控制，减压阀3 2 ( 3 5b a r ) 提供先导 液控压力，先导油路分两路提供给先导电磁阀2 4 ( y 1 0 1 a ) 和3 3 ( y 1 0 1 b ) ，y 1 0 1 先导阀为 两位三通电磁阀，提供给主阀换向的压力油。 主阀2 3 为液控三位四通阀，中位为o 型机能，切断向凿岩机的供油。主阀上位提 供节流压力油给凿岩机，实行凿岩机的轻冲功能。主阀下位提供全部压力油给凿岩机， 实行凿岩机的重冲功能。 当凿岩操作档位选择在轻冲档位时，y 1 0 1 a 得电，换向处于两位三通电磁阀的上位， 先导压力油经y 1 0 1 a作用于主阀的上端驱使液控三位四通主阀换向，主阀在上位工 作提供节流压力油给凿岩机，从而实行凿岩机的轻冲功能。 当凿岩操作档位选择在下常作业档位时，y 1 0 l b 得电，换向处于两位三通电磁阀的 下位，先导压力油经y 1 0 1 b 作用于主阀的下端驱使液控三位四通主阀换向，主阀在下位 工作，提供全部压力油给凿岩机，实行凿岩机的重冲功能。 ( 2 ) 推进系统液压原理 柱塞泵l ( a v l 0 0 型) 供给的压力油另外一路直接进入远程调控阀1 6 ，远程调控阀 东北大学硕士学位论文第2 章凿岩台车液压系统的组成及原理 广一一一。一+ 一一一一 l 一冲击油泵2 一网转油泵3 一推进阀组4 一推进油缸5 一冲击阀组6 一凿岩机7 一同转马 达8 一同转阀组卜同转压力选择阀l 卜节流阀c 1 ( 1 l l r a i n )l l 一节流阀c 2 ( 2 0 1 r a i n ) 1 2 一正常钻进压力阀c 51 3 快推压力阀c 4 1 4 一开孔压力阀c 31 5 一推进压力选择阀y 1 5 0 1 6 一远程控制阀1 7 一启动选择阀y 1 5 61 8 一比例阀1 8 b a rl 旷比例阀2 0 0 b a r2 卜比例阀2 5 b a r 2 l 一比例阀2 1 0 b a r2 2 一溢流阀2 3 一冲击阀2 4 一冲击电磁阀y 1 0 1 a2 5 一节流阀2 6 一回转电 磁阀y 1 0 2 a2 7 一回转主阀 2 8 一梭阀2 9 一回转电磁阀y 1 0 2 b3 卜电磁阀y 1 5 73 l 一油箱 3 2 减压阀3 3 一冲击电磁阀y 1 0 1 b3 4 _ 单向阀3 5 一可调节流阀3 卜推进主阀3 7 一安全阀 图2 5 钻进液压系统 f i g2 5d r i l l i n gh y d r a u l i cs y s t e m ( 1 ) 冲击系统液压原理 1 6 的远控压力分别由1 4 ( c 3 ) 、1 3 ( c 4 ) 、1 2 ( c 5 ) - - - 个溢流阀所调定。c 5 控制正常凿岩时 1 2 东北大学硕士学位论文第2 章凿岩台车液压系统的组成及原理 的推进压力，一般为5 0 b a r ，c 3 控制丌孔凿岩时的推进压力，一般为3 0 b a r ，c 4 控制快 推时的推进压力，一般为1 0 0 b a r 。 1 5 ( v 1 5 0 ) 为液控三位四通阀，中位时远控调压溢流阀c 5 起作用，控制正常凿岩时 的推进压力。y 1 5 0 处于上位时远控调压溢流阀c 4 起作用，控制快推时的推进压力。 y 1 5 0 处于下位时远控调压溢流阀c 3 起作用，控制开孔凿岩时的推进压力。 进入远程调控阀1 6 的压力油分三路进入推进阀组的主阀3 6 ，主阀由三个三位四通 电磁阀组成，左侧电磁阀全流量进入推进油缸，通过电磁阀的换向，实施快速推进或回 缩。中间电磁阀经1 0 ( c 1 ) 节流进入推进油缸，通过电磁阀的换向，实施钎杠拆接螺纹时 的推进或退出。右侧电磁阀经1 1 ( c 2 节流进入推进油缸，通过电磁阀的换向，实施正常 凿岩时的推进或回缩。 操作操作台上的手柄，处于不同的凿岩工况时，通过y 1 5 0 和三个三位四通电磁阀 的得电或失电组合，形成不同的推进压力和推进流量组合，从而实施不同工况时的推进 功能。 ( 3 ) 回转系统液压原理 柱塞泵2 ( a v l 0 0 型) 供给的压力油经可调节流阀3 5 或电磁阀3 0 ( y 1 5 7 ) 进入回转 主阀组8 的主阀，油路的最高压力为2 1 0 b a r ，由安全阀3 7 ( 2 1 0 b a r ) 控制。 回路的先导压力为减压阀3 2 ( 3 5 b a r ) 提供，先导油路分两路提供给先导电磁阀 2 6 ( y 1 0 2 a ) 和2 9 ( y 1 0 2 b ) ，y 1 0 2 先导阀为两位三通电磁阀，提供给回转主阀换向的压力 油。 回转主阀2 7 为液控三位六通液控阀，处于中位时系统关闭油路，回转马达两端连 接，马达卸载。 处于上位时，马达左侧进油，右侧回油，且进油路有一部压力油经主阀内部进入梭 阀，再经节流阀返回泵控系统液控阀2 0 ( 2 5 b a r ) 的下部，实施定流量控制。 处于下位时，马达右侧进油，左侧侧回油，且进油路有一部压力油经主阀内部进入 梭阀，再经节流阀返回泵控系统液控阀2 0 ( 2 5 b a r ) 的下部，实施定流量控制。压力油 经y 1 5 7 电磁阀进入回转主阀组时，马达快速凹转，用于拆接钻杠，提高效率。 回转压力选择电磁阀9 ( y 1 5 5 ) 用于拆卸钻杠时控制回转压力，控制压力为7 0 b a r ， 由其内部溢流阀设定。 2 32 工作装置定位系统 该系统主要用于实施凿岩前、凿岩中的炮孔定位。系统组成如图2 6 所示： ( 1 ) 推进补偿系统 1 3 东北大学硕士学位论文 第2 章凿岩台车液压系统的组成及原理 台车开到指定位置后，根据巷道的尺i r 规