懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與性能分析一、引言1.1研究背景與意義煤炭作為我國重要的基礎(chǔ)能源，在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著舉足輕重的地位。隨著煤炭行業(yè)的不斷發(fā)展，對煤炭開采效率和安全性的要求也日益提高。懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為煤礦巷道掘進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)備，在煤炭開采過程中發(fā)揮著不可替代的重要作用。它能夠?qū)崿F(xiàn)對煤巖的高效切割、裝載和運(yùn)輸，極大地提高了巷道掘進(jìn)的速度和質(zhì)量，為煤炭的大規(guī)模開采提供了有力支持。截割部是懸臂式掘進(jìn)機(jī)的核心部件之一，其性能直接影響著掘進(jìn)機(jī)的工作效率和穩(wěn)定性。而截割部液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動截割部動作的動力源，對截割部的性能起著決定性作用。液壓系統(tǒng)通過精確控制油液的壓力、流量和方向，實(shí)現(xiàn)截割頭的上下、左右、伸縮等動作，確保截割過程的平穩(wěn)、高效進(jìn)行。在實(shí)際工作中，截割部需要面對復(fù)雜多變的煤巖地質(zhì)條件，如硬度不同的煤巖、斷層、褶皺等，這就要求截割部液壓系統(tǒng)具備良好的適應(yīng)性和可靠性，能夠根據(jù)不同的工況自動調(diào)整參數(shù)，保證截割作業(yè)的順利進(jìn)行。對懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過深入研究液壓系統(tǒng)的工作原理和性能特點(diǎn)，可以優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計方案，提高系統(tǒng)的效率和可靠性，降低能源消耗和設(shè)備故障率。合理的設(shè)計能夠使液壓系統(tǒng)在滿足工作要求的前提下，減少不必要的能量損失，提高能源利用率，降低運(yùn)行成本。優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計還能有效減少設(shè)備故障的發(fā)生，延長設(shè)備的使用壽命，降低維修成本，提高生產(chǎn)效率。隨著科技的不斷進(jìn)步，煤炭行業(yè)對智能化、自動化開采的需求越來越迫切。對截割部液壓系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，有助于推動掘進(jìn)機(jī)向智能化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動控制等功能，提高煤炭開采的安全性和智能化水平，減少人工干預(yù)，降低勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)安全性，為煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的研究起步較早，技術(shù)相對成熟。德國、美國、日本等發(fā)達(dá)國家在掘進(jìn)機(jī)領(lǐng)域投入了大量的研發(fā)資源，取得了一系列先進(jìn)的研究成果。德國的艾柯夫公司、美國的久益公司以及日本的三井三池制作所等企業(yè)，生產(chǎn)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)在國際市場上占據(jù)著重要地位，其截割部液壓系統(tǒng)具有高效、可靠、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)。在技術(shù)方面，國外研究重點(diǎn)關(guān)注液壓系統(tǒng)的節(jié)能與效率提升。通過采用先進(jìn)的負(fù)載敏感技術(shù)、電液比例控制技術(shù)以及變頻調(diào)速技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的精確控制和高效運(yùn)行。負(fù)載敏感技術(shù)能夠使液壓泵的輸出流量和壓力與負(fù)載需求相匹配，減少了能量的浪費(fèi)，提高了系統(tǒng)的效率；電液比例控制技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的連續(xù)、精確控制，提高了截割作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性；變頻調(diào)速技術(shù)能夠根據(jù)截割工況的變化自動調(diào)整液壓泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步降低了能耗。國外還注重對液壓系統(tǒng)的可靠性和耐久性研究，采用高品質(zhì)的液壓元件和先進(jìn)的制造工藝，提高了系統(tǒng)的抗疲勞性能和抗磨損性能，延長了設(shè)備的使用壽命。國內(nèi)對懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的研究雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。自20世紀(jì)60年代開始，我國通過引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，逐步掌握了掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計與制造技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了自主創(chuàng)新。經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，我國在懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的研究方面取得了顯著進(jìn)展，部分技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平。目前，國內(nèi)已經(jīng)形成了較為完善的掘進(jìn)機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)體系，能夠生產(chǎn)多種型號的懸臂式掘進(jìn)機(jī)，滿足不同煤礦開采條件的需求。國內(nèi)研究主要集中在對現(xiàn)有液壓系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)。通過對液壓回路的優(yōu)化設(shè)計，減少了系統(tǒng)的壓力損失和能量損耗，提高了系統(tǒng)的工作效率；對液壓元件的選型和匹配進(jìn)行了深入研究，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；還開展了對液壓系統(tǒng)智能化控制的研究，將先進(jìn)的傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和控制算法應(yīng)用于液壓系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了截割作業(yè)的自動化和智能化。一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)還在探索新型液壓技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)截割部中的應(yīng)用，如混合動力液壓系統(tǒng)、電液數(shù)字控制技術(shù)等，為進(jìn)一步提高截割部液壓系統(tǒng)的性能提供了新的思路。盡管國內(nèi)外在懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。部分研究成果在實(shí)際應(yīng)用中還存在穩(wěn)定性和可靠性問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善；對復(fù)雜地質(zhì)條件下截割部液壓系統(tǒng)的適應(yīng)性研究還不夠深入，無法滿足煤礦開采的多樣化需求；液壓系統(tǒng)的智能化程度還有待提高，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對智能控制算法和傳感器技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自主決策和自適應(yīng)控制。本文將針對現(xiàn)有研究的不足，深入研究懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的工作原理和性能特點(diǎn)，通過理論分析、仿真計算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高系統(tǒng)的效率、可靠性和智能化水平，以滿足煤炭行業(yè)對高效、安全開采的需求。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在通過對懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的深入探究，設(shè)計出一套高效、穩(wěn)定且智能化程度高的液壓系統(tǒng)，并對其性能進(jìn)行全面分析，以滿足煤炭行業(yè)日益增長的高效、安全開采需求。具體研究目標(biāo)如下：設(shè)計高效穩(wěn)定的液壓系統(tǒng)：根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部的工作要求和工況特點(diǎn)，運(yùn)用先進(jìn)的液壓技術(shù)和設(shè)計理念，設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)截割頭精確控制、動作平穩(wěn)，且具備良好適應(yīng)性和可靠性的液壓系統(tǒng)。在設(shè)計過程中，充分考慮系統(tǒng)的節(jié)能性，通過優(yōu)化液壓回路和選用高效的液壓元件，降低系統(tǒng)的能量損耗，提高能源利用率。深入分析液壓系統(tǒng)性能：利用理論分析、仿真計算和實(shí)驗(yàn)研究等方法，對設(shè)計的液壓系統(tǒng)性能進(jìn)行全面分析。包括系統(tǒng)的壓力特性、流量特性、速度特性、動態(tài)響應(yīng)特性以及可靠性等方面。通過性能分析，找出系統(tǒng)存在的問題和不足之處，為系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)提供依據(jù)。提高液壓系統(tǒng)智能化水平：引入先進(jìn)的傳感器技術(shù)、控制算法和計算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的智能化控制。使液壓系統(tǒng)能夠根據(jù)截割工況的變化自動調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)截割頭的自動定位、自動截割和自適應(yīng)控制，提高掘進(jìn)機(jī)的智能化水平和自動化程度。建立液壓系統(tǒng)故障診斷模型：研究液壓系統(tǒng)常見故障的發(fā)生機(jī)理和故障特征，運(yùn)用故障診斷技術(shù)和人工智能算法，建立液壓系統(tǒng)故障診斷模型。通過對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，能夠及時準(zhǔn)確地診斷出系統(tǒng)故障，并給出相應(yīng)的故障解決方案，提高系統(tǒng)的維護(hù)性和可用性?；谝陨涎芯磕繕?biāo)，本研究的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)工作原理研究：詳細(xì)分析懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部的結(jié)構(gòu)組成和工作過程，深入研究液壓系統(tǒng)的工作原理和控制方式。了解系統(tǒng)中各個液壓元件的功能和作用，掌握液壓油的流動路徑和壓力、流量的變化規(guī)律，為后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計和分析奠定基礎(chǔ)。截割部液壓系統(tǒng)設(shè)計：根據(jù)截割部的工作要求和性能指標(biāo)，進(jìn)行液壓系統(tǒng)的總體方案設(shè)計。包括液壓泵的選型、液壓閥的配置、液壓缸和液壓馬達(dá)的設(shè)計計算、液壓回路的優(yōu)化設(shè)計等。在設(shè)計過程中，充分考慮系統(tǒng)的安全性、可靠性、節(jié)能性和可維護(hù)性，確保系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際工作的需要。液壓系統(tǒng)性能分析與仿真：運(yùn)用液壓傳動理論和流體力學(xué)知識，對設(shè)計的液壓系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用仿真軟件對系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行仿真研究。通過仿真分析，預(yù)測系統(tǒng)在不同工況下的性能表現(xiàn)，如壓力波動、流量變化、響應(yīng)時間等，評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)提供參考。液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究：搭建液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，對設(shè)計的液壓系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)測試，獲取系統(tǒng)的實(shí)際性能數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計的合理性和仿真模型的準(zhǔn)確性。同時，通過實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步了解系統(tǒng)的工作特性和存在的問題，為系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)。液壓系統(tǒng)智能化控制研究：研究智能化控制技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用，如電液比例控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。設(shè)計并實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的智能化控制系統(tǒng)，通過傳感器實(shí)時采集系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如壓力、流量、位移等，利用控制算法對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時控制和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)截割頭的自動控制和自適應(yīng)調(diào)節(jié)。液壓系統(tǒng)故障診斷研究：分析液壓系統(tǒng)常見故障的類型和原因，研究故障診斷技術(shù)和方法。運(yùn)用信號處理技術(shù)、人工智能算法等，建立液壓系統(tǒng)故障診斷模型。通過對系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)故障的早期預(yù)警和準(zhǔn)確診斷，提高系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。1.4研究方法與技術(shù)路線為確保懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的設(shè)計與分析能夠全面、深入且準(zhǔn)確地進(jìn)行，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法，構(gòu)建科學(xué)合理的技術(shù)路線，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的研究目標(biāo)。在研究方法上，主要采用以下幾種：理論分析：深入研究懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及液壓系統(tǒng)的基本理論。運(yùn)用機(jī)械原理、液壓傳動、流體力學(xué)等相關(guān)知識，對截割部在不同工況下的受力情況進(jìn)行分析，計算液壓系統(tǒng)的壓力、流量、功率等參數(shù)，為系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。例如，根據(jù)截割頭的運(yùn)動軌跡和工作要求，確定液壓缸和液壓馬達(dá)的工作負(fù)載，進(jìn)而計算所需的液壓油壓力和流量。通過理論分析，還可以對液壓系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行研究，探討如何實(shí)現(xiàn)對截割部的精確控制，提高系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性。案例研究：收集和分析國內(nèi)外不同型號懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用案例。研究這些案例中液壓系統(tǒng)的設(shè)計方案、運(yùn)行情況以及存在的問題，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)和不足之處，為本文的研究提供參考。通過對實(shí)際案例的分析，可以了解不同工況下液壓系統(tǒng)的工作性能和可靠性，發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題，并針對性地提出解決方案。例如，分析某型號掘進(jìn)機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的運(yùn)行情況，研究其液壓系統(tǒng)如何適應(yīng)不同的煤巖硬度和截割阻力，以及在應(yīng)對故障時的處理措施。仿真模擬：利用專業(yè)的液壓系統(tǒng)仿真軟件，如AMESim、MATLAB/Simulink等，建立懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的仿真模型。通過仿真模擬，對系統(tǒng)在不同工況下的動態(tài)特性進(jìn)行分析，預(yù)測系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，如壓力波動、流量變化、響應(yīng)時間等。仿真結(jié)果可以為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，改善系統(tǒng)的性能。例如，在仿真模型中改變液壓泵的排量、控制閥的開度等參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能的變化，從而找到最優(yōu)的參數(shù)組合。同時，仿真模擬還可以在實(shí)際系統(tǒng)搭建之前，對不同的設(shè)計方案進(jìn)行評估和比較，節(jié)省研發(fā)成本和時間。實(shí)驗(yàn)研究：搭建懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，對設(shè)計的液壓系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)測試，獲取系統(tǒng)的實(shí)際性能數(shù)據(jù)，如壓力、流量、位移等，并與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計的合理性和仿真模型的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)研究還可以進(jìn)一步了解系統(tǒng)的工作特性和存在的問題，為系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)。例如，在實(shí)驗(yàn)平臺上模擬不同的截割工況，測量液壓系統(tǒng)的各項參數(shù)，觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出系統(tǒng)存在的不足之處，提出改進(jìn)措施。基于上述研究方法，本研究的技術(shù)路線如下：需求分析：對懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部的工作要求和工況特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，包括截割頭的運(yùn)動方式、工作負(fù)載、工作環(huán)境等。收集相關(guān)的技術(shù)資料和數(shù)據(jù)，明確液壓系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)和性能指標(biāo)，如系統(tǒng)壓力、流量、響應(yīng)時間、可靠性等。系統(tǒng)設(shè)計：根據(jù)需求分析的結(jié)果，進(jìn)行液壓系統(tǒng)的總體方案設(shè)計。確定液壓泵、液壓閥、液壓缸、液壓馬達(dá)等液壓元件的選型和配置，設(shè)計液壓回路，繪制液壓系統(tǒng)原理圖。運(yùn)用CAD等繪圖軟件，繪制液壓系統(tǒng)的裝配圖和零件圖，完成系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計。性能分析與仿真：運(yùn)用理論分析方法，對設(shè)計的液壓系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，計算系統(tǒng)的壓力、流量、功率等參數(shù)。利用仿真軟件建立液壓系統(tǒng)的仿真模型，對系統(tǒng)在不同工況下的動態(tài)特性進(jìn)行仿真研究。通過仿真分析，評估系統(tǒng)的性能，找出系統(tǒng)存在的問題和不足之處，提出優(yōu)化改進(jìn)方案。實(shí)驗(yàn)研究：搭建液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，按照實(shí)驗(yàn)方案對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和處理，與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。結(jié)果驗(yàn)證與應(yīng)用：將優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部中，進(jìn)行現(xiàn)場測試和驗(yàn)證。觀察系統(tǒng)在實(shí)際工作中的運(yùn)行情況，收集實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，評估系統(tǒng)的性能和效果。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的反饋，對系統(tǒng)進(jìn)行最終的完善和優(yōu)化，確保系統(tǒng)能夠滿足煤炭開采的實(shí)際需求。二、懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)原理與組成2.1懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作原理與流程懸臂式掘進(jìn)機(jī)是一種集截割、裝載、運(yùn)輸、行走等多種功能于一體的綜合掘進(jìn)設(shè)備，主要用于煤巖硬度≤f7.5的煤巷、半煤巖巷以及軟巖的巷道、隧道快速掘進(jìn)。其整體結(jié)構(gòu)主要由截割部、裝運(yùn)部、行走部、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和噴霧降塵系統(tǒng)等部分組成，各部分相互協(xié)作，共同完成掘進(jìn)作業(yè)。工作時，懸臂式掘進(jìn)機(jī)首先由行走部驅(qū)動移動到工作位置。操作人員啟動截割電機(jī)，通過電氣控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)截割頭的轉(zhuǎn)速。截割頭在高速旋轉(zhuǎn)的同時，截割臂通過升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸的配合，實(shí)現(xiàn)上下、左右擺動，對煤巖進(jìn)行破碎截割。根據(jù)巷道的形狀和尺寸要求，操作人員可靈活控制截割頭的運(yùn)動軌跡，完成巷道的成型截割。在截割過程中，噴霧降塵裝置持續(xù)工作，降低粉塵濃度，改善工作環(huán)境。截割下來的煤巖落在鏟板上，星輪在液壓馬達(dá)的驅(qū)動下，將煤巖耙入刮板輸送機(jī)。刮板輸送機(jī)在刮板鏈的帶動下，將煤巖從機(jī)尾輸送至機(jī)頭，然后卸載到后部的橋式轉(zhuǎn)載機(jī)或其他運(yùn)輸設(shè)備上，完成裝運(yùn)作業(yè)。當(dāng)需要移動掘進(jìn)機(jī)時，操作人員啟動行走電機(jī)，液壓系統(tǒng)將高壓油輸送到行走部的驅(qū)動裝置。液壓馬達(dá)通過減速器帶動驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動輪與履帶相互作用，使掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)、后退或轉(zhuǎn)彎，實(shí)現(xiàn)行走作業(yè)。其中，截割部作為懸臂式掘進(jìn)機(jī)的核心工作部件，在整個掘進(jìn)過程中起著關(guān)鍵作用。截割部主要由截割頭、懸臂和回轉(zhuǎn)座組成。截割頭是直接破碎煤巖的部件，多為圓錐臺形或半球形，其上按一定規(guī)律布置著鎬形或刀形截齒。工作時，電動機(jī)通過減速器驅(qū)動截割頭高速旋轉(zhuǎn)，利用截齒破碎煤巖。懸臂連接截割頭和回轉(zhuǎn)臺，是實(shí)現(xiàn)截割頭升降、左右擺動的關(guān)鍵部件，內(nèi)部布置有液壓管路和冷卻水管路。升降油缸控制懸臂在垂直方向擺動，回轉(zhuǎn)油缸則推動截割部在水平方向回轉(zhuǎn)，通過兩者的協(xié)同作用，截割頭能夠?qū)Σ煌课坏拿簬r進(jìn)行截割，從而掘出所需形狀和尺寸的斷面。部分掘進(jìn)機(jī)的截割臂還具備伸縮功能，可使截割頭在一定范圍內(nèi)深入煤巖，擴(kuò)大截割范圍。2.2截割部液壓系統(tǒng)工作原理懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、多路換向閥、溢流閥、平衡閥、液壓缸、液壓馬達(dá)以及各類輔助元件等組成。液壓泵作為系統(tǒng)的動力源，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，為系統(tǒng)提供具有一定壓力和流量的液壓油。多路換向閥負(fù)責(zé)控制液壓油的流向，實(shí)現(xiàn)各個執(zhí)行元件（液壓缸和液壓馬達(dá)）的不同動作；溢流閥用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，防止系統(tǒng)過載；平衡閥主要用于防止截割部在下降過程中因自重而出現(xiàn)超速下滑的現(xiàn)象，保證截割部運(yùn)動的平穩(wěn)性；液壓缸和液壓馬達(dá)則是將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，分別實(shí)現(xiàn)截割部的直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。工作時，液壓泵從油箱中吸油，通過管路將高壓油輸出。以截割頭升降動作為例，當(dāng)操作人員操作多路換向閥，使控制截割頭升降的換向閥處于相應(yīng)工作位置時，高壓油經(jīng)換向閥進(jìn)入截割頭升降液壓缸的無桿腔。此時，有桿腔回油經(jīng)換向閥流回油箱，在油液壓力的作用下，升降液壓缸的活塞桿伸出或縮回，從而帶動截割頭實(shí)現(xiàn)上升或下降動作。在截割頭下降過程中，平衡閥發(fā)揮重要作用，它通過控制回油流量，使截割頭平穩(wěn)下降，避免因自重造成的速度失控。當(dāng)需要截割頭回轉(zhuǎn)時，操作人員同樣通過操作多路換向閥，改變液壓油的流向。高壓油進(jìn)入截割頭回轉(zhuǎn)液壓缸的相應(yīng)油腔，推動回轉(zhuǎn)液壓缸的活塞桿運(yùn)動，從而帶動截割部繞回轉(zhuǎn)中心左右回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對不同位置煤巖的截割。若截割部具有伸縮功能，當(dāng)操作多路換向閥使高壓油進(jìn)入伸縮液壓缸時，活塞桿的伸縮即可實(shí)現(xiàn)截割部的伸縮運(yùn)動，擴(kuò)大截割范圍。對于驅(qū)動截割頭旋轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)，液壓泵輸出的高壓油經(jīng)多路換向閥進(jìn)入液壓馬達(dá)，推動液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再通過減速器將扭矩傳遞給截割頭，使其高速轉(zhuǎn)動，完成對煤巖的破碎。在整個工作過程中，系統(tǒng)壓力由溢流閥設(shè)定和控制，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過溢流閥的調(diào)定壓力時，溢流閥開啟，多余的油液流回油箱，從而保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，防止系統(tǒng)元件因過載而損壞。此外，系統(tǒng)中的過濾器對油液進(jìn)行過濾，保證油液的清潔度，減少雜質(zhì)對系統(tǒng)元件的磨損，提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。2.3截割部液壓系統(tǒng)組成部分懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)主要由動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件以及工作介質(zhì)五大部分組成。各部分相互協(xié)作，共同保障液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)截割部的各項動作，以滿足掘進(jìn)作業(yè)的需求。2.3.1動力元件動力元件是為液壓系統(tǒng)提供壓力油的裝置，其核心部件為液壓泵。在懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)中，常采用斜盤式軸向變量柱塞泵，它能夠依據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的變化自動調(diào)節(jié)排量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能與高效運(yùn)行。斜盤式軸向變量柱塞泵的工作原理基于柱塞在缸體中的往復(fù)運(yùn)動來改變密封工作腔的容積，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吸油和壓油過程。泵體主要由斜盤、柱塞、缸體、配油盤和傳動軸等部件構(gòu)成。當(dāng)傳動軸帶動缸體旋轉(zhuǎn)時，斜盤保持不動，柱塞在斜盤的作用下在缸體的柱塞孔內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動。在吸油過程中，柱塞向外伸出，柱塞底部的密封工作腔容積逐漸增大，壓力降低，油箱中的油液在大氣壓的作用下，經(jīng)吸油口通過配油盤的吸油窗口進(jìn)入密封工作腔；在壓油過程中，柱塞被斜盤推向缸體中心，密封工作腔容積逐漸減小，油液受到擠壓，壓力升高，油液經(jīng)配油盤的壓油窗口排出，形成具有一定壓力和流量的高壓油，為液壓系統(tǒng)提供動力。在懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)中，斜盤式軸向變量柱塞泵起著至關(guān)重要的動力供應(yīng)作用。在截割不同硬度的煤巖時，負(fù)載會發(fā)生變化。當(dāng)截割較軟的煤時，負(fù)載較小，泵的斜盤角度會自動減小，使柱塞行程縮短，排量降低，從而減少不必要的能量消耗；當(dāng)截割堅硬的巖石時，負(fù)載增大，斜盤角度自動增大，柱塞行程變長，排量增加，確保系統(tǒng)能夠提供足夠的壓力和流量，驅(qū)動截割部高效工作。這種根據(jù)負(fù)載自動調(diào)節(jié)排量的特性，使得斜盤式軸向變量柱塞泵能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的工作條件，提高了液壓系統(tǒng)的效率和能源利用率，同時也延長了泵的使用壽命，保障了截割部液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。2.3.2執(zhí)行元件執(zhí)行元件是將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)截割部各種動作的裝置，主要包括油缸和馬達(dá)。油缸是實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動的執(zhí)行元件，常見的有截割升降油缸、截割回轉(zhuǎn)油缸、鏟板升降油缸等。以截割升降油缸為例，它一般為單作用活塞缸，由缸筒、活塞、活塞桿、端蓋等部件組成。當(dāng)液壓油進(jìn)入油缸的無桿腔時，在油液壓力的作用下，活塞推動活塞桿伸出，從而帶動截割部上升；當(dāng)無桿腔回油，有桿腔進(jìn)油時，活塞桿縮回，截割部下降。截割升降油缸通過精確控制活塞桿的伸縮，實(shí)現(xiàn)截割頭在垂直方向上的位置調(diào)整，以滿足不同高度煤巖的截割需求，確保截割作業(yè)的精準(zhǔn)性。液壓馬達(dá)則是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的執(zhí)行元件，例如行走馬達(dá)、星輪馬達(dá)等。行走馬達(dá)通常采用斜軸式定量馬達(dá)，它將液壓泵輸出的高壓油的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過減速器帶動驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)、后退或轉(zhuǎn)彎。斜軸式定量馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出扭矩大、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)的行走提供可靠的動力支持，使其在復(fù)雜的巷道環(huán)境中靈活移動。星輪馬達(dá)用于驅(qū)動星輪轉(zhuǎn)動，將截割下來的煤巖耙入刮板輸送機(jī)，它一般為低速大扭矩液壓馬達(dá)，能夠在較低的轉(zhuǎn)速下輸出較大的扭矩，滿足星輪在耙取煤巖時對扭矩的要求，確保裝運(yùn)作業(yè)的順利進(jìn)行。2.3.3控制元件控制元件用于控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中油液的壓力、流量和方向，以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的各種動作，主要包括比例多路換向閥、油缸平衡閥等。比例多路換向閥是液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵控制元件之一，它通過控制閥芯的位移，實(shí)現(xiàn)對液壓油流向和流量的精確控制。比例多路換向閥通常由多個換向閥片組合而成，每個閥片對應(yīng)一個執(zhí)行元件。以控制截割頭的運(yùn)動為例，當(dāng)操作人員操縱手柄時，比例多路換向閥的閥芯會根據(jù)手柄的位移量產(chǎn)生相應(yīng)的位移，從而改變閥口的開度，控制進(jìn)入截割升降油缸、截割回轉(zhuǎn)油缸等執(zhí)行元件的液壓油流量和方向。通過精確控制閥芯的位移，可以實(shí)現(xiàn)截割頭的平穩(wěn)、精確運(yùn)動，滿足不同截割工況的需求。比例多路換向閥還具備壓力補(bǔ)償功能，能夠根據(jù)負(fù)載的變化自動調(diào)整閥口壓差，保證系統(tǒng)流量的穩(wěn)定性，提高了液壓系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。油缸平衡閥主要用于防止截割部在下降過程中因自重而出現(xiàn)超速下滑的現(xiàn)象，保證截割部運(yùn)動的平穩(wěn)性。它通常安裝在截割升降油缸的回油路上，由單向閥和順序閥組成。當(dāng)截割部上升時，液壓油通過單向閥自由進(jìn)入油缸的無桿腔，順序閥關(guān)閉；當(dāng)截割部下降時，無桿腔回油，液壓油需要先打開順序閥才能流回油箱。順序閥的開啟壓力根據(jù)截割部的重量和工作要求進(jìn)行設(shè)定，只有當(dāng)回油壓力達(dá)到設(shè)定值時，順序閥才會打開，從而控制回油流量，使截割部平穩(wěn)下降。如果截割部在下降過程中出現(xiàn)超速下滑的情況，回油壓力會瞬間降低，順序閥會自動減小閥口開度，增加回油阻力，使截割部減速，避免因速度失控而造成設(shè)備損壞或安全事故。2.3.4輔助元件輔助元件在液壓系統(tǒng)中起到輔助支持的作用，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，主要包括油箱、油管、冷卻器、過濾器、壓力表等。油箱用于儲存液壓油，為液壓系統(tǒng)提供油液補(bǔ)充，并起到散熱、沉淀雜質(zhì)的作用。油箱內(nèi)部通常設(shè)置有隔板，將吸油區(qū)和回油區(qū)分開，防止回油直接進(jìn)入吸油區(qū)，提高油液的散熱效果和沉淀雜質(zhì)的能力。油箱的容量根據(jù)液壓系統(tǒng)的流量和工作要求進(jìn)行設(shè)計，以確保在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，能夠有足夠的油液供應(yīng)，同時保證油液有足夠的停留時間，使雜質(zhì)充分沉淀。油管是連接液壓系統(tǒng)各個元件的通道，用于傳輸液壓油。油管通常采用鋼管或高壓膠管，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和流量選擇合適的管徑和壁厚。鋼管具有強(qiáng)度高、耐高壓、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于固定部件之間的連接；高壓膠管則具有柔韌性好、安裝方便等特點(diǎn)，適用于有相對運(yùn)動部件之間的連接。在安裝油管時，需要注意避免油管的彎曲半徑過小，防止油管內(nèi)部產(chǎn)生過大的壓力損失和應(yīng)力集中，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。冷卻器用于降低液壓油的溫度，保證液壓系統(tǒng)在正常的工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。在掘進(jìn)機(jī)工作過程中，液壓系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的熱量，如果油溫過高，會導(dǎo)致油液粘度下降，泄漏增加，系統(tǒng)效率降低，甚至?xí)p壞液壓元件。冷卻器一般采用風(fēng)冷式或水冷式，通過空氣或水與液壓油進(jìn)行熱交換，將液壓油中的熱量帶走。風(fēng)冷式冷卻器結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，但冷卻效果相對較差，適用于環(huán)境溫度較低、發(fā)熱量較小的系統(tǒng)；水冷式冷卻器冷卻效果好，但需要配備水源，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，適用于環(huán)境溫度較高、發(fā)熱量較大的系統(tǒng)。過濾器用于過濾液壓油中的雜質(zhì)，保證油液的清潔度，減少雜質(zhì)對液壓元件的磨損，提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。過濾器通常安裝在液壓泵的吸油口、出油口以及系統(tǒng)的回油路上。吸油口過濾器主要用于防止大顆粒雜質(zhì)進(jìn)入液壓泵，保護(hù)泵的正常工作；出油口過濾器和回油過濾器則用于過濾系統(tǒng)中的微小顆粒雜質(zhì)，確保油液的純凈度。根據(jù)過濾精度的不同，過濾器可分為粗過濾器、精過濾器和超精過濾器，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)系統(tǒng)的要求選擇合適過濾精度的過濾器。壓力表用于顯示液壓系統(tǒng)的壓力，方便操作人員了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)。壓力表通常安裝在液壓泵的出油口、多路換向閥的進(jìn)油口以及各執(zhí)行元件的進(jìn)油口等關(guān)鍵部位。通過觀察壓力表的讀數(shù)，操作人員可以判斷系統(tǒng)是否正常工作，如系統(tǒng)壓力是否達(dá)到設(shè)定值、是否存在壓力波動過大等問題，以便及時采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整和維修。2.3.5工作介質(zhì)工作介質(zhì)在液壓系統(tǒng)中起著傳遞能量、潤滑和冷卻的作用，懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)常用的工作介質(zhì)為抗磨液壓油。抗磨液壓油具有良好的潤滑性能，能夠在液壓元件的運(yùn)動部件之間形成一層油膜，減少部件之間的摩擦和磨損，延長液壓元件的使用壽命。在斜盤式軸向柱塞泵中，抗磨液壓油在柱塞與缸體、配油盤等部件之間形成潤滑膜，降低了這些部件在高速往復(fù)運(yùn)動過程中的磨損，保證了泵的高效穩(wěn)定運(yùn)行。抗磨液壓油還具有良好的抗氧化性能和抗泡沫性能，能夠在高溫、高壓的工作環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，防止油液氧化變質(zhì)和產(chǎn)生泡沫，影響系統(tǒng)的正常工作。在傳遞能量方面，抗磨液壓油作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，能夠?qū)⒁簤罕幂敵龅膲毫δ軅鬟f給執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)截割部的各種動作。當(dāng)液壓泵將高壓油輸出到截割升降油缸時，抗磨液壓油在油缸內(nèi)推動活塞運(yùn)動，將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使截割部上升或下降。在這個過程中，抗磨液壓油的粘度和流動性對能量傳遞的效率有著重要影響。合適的粘度能夠保證油液在管路中順利流動，減少壓力損失，提高能量傳遞效率；而良好的流動性則能夠使油液迅速響應(yīng)系統(tǒng)的控制信號，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的快速動作。抗磨液壓油還承擔(dān)著冷卻液壓系統(tǒng)的重要任務(wù)。在液壓系統(tǒng)工作過程中，由于液壓元件的摩擦、油液的流動阻力等原因，會產(chǎn)生大量的熱量?？鼓ヒ簤河屯ㄟ^在系統(tǒng)中循環(huán)流動，將這些熱量帶走，散發(fā)到周圍環(huán)境中，從而降低系統(tǒng)的溫度，保證系統(tǒng)在正常的工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。如果液壓油的冷卻性能不足，會導(dǎo)致系統(tǒng)油溫過高，影響油液的性能和液壓元件的壽命，甚至?xí)l(fā)系統(tǒng)故障。因此，選擇具有良好冷卻性能的抗磨液壓油對于保證懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。三、懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)3.1系統(tǒng)設(shè)計需求分析懸臂式掘進(jìn)機(jī)在煤礦井下作業(yè)時，工作環(huán)境極為復(fù)雜和惡劣，這對截割部液壓系統(tǒng)的性能提出了多方面的嚴(yán)格要求。在壓力方面，由于截割頭需要破碎不同硬度的煤巖，從較軟的煤層到堅硬的巖石，其承受的負(fù)載差異巨大。在遇到堅硬巖石時，截割阻力會顯著增加，這就要求液壓系統(tǒng)能夠提供足夠高的壓力，以驅(qū)動截割頭克服強(qiáng)大的阻力進(jìn)行有效截割。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，截割部液壓系統(tǒng)的工作壓力需達(dá)到30-40MPa，甚至在面對特殊堅硬巖石時，壓力要求更高。流量方面，為了確保截割部能夠快速、平穩(wěn)地完成各種動作，如截割頭的升降、回轉(zhuǎn)和伸縮等，液壓系統(tǒng)需要具備合適的流量輸出。截割頭的升降動作要求在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的行程變化，以適應(yīng)不同高度的煤巖截割需求。這就需要液壓系統(tǒng)能夠提供足夠大的流量，使升降油缸能夠快速推動截割頭上升或下降。以常見的懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例，截割頭升降油缸的流量需求通常在80-120L/min左右。回轉(zhuǎn)動作同樣需要一定的流量保證，以實(shí)現(xiàn)截割頭在水平方向的快速轉(zhuǎn)向，滿足不同位置煤巖的截割要求，其流量需求一般在60-100L/min。對于具有伸縮功能的截割部，伸縮油缸的流量需求則根據(jù)具體的伸縮速度和行程來確定，一般在40-80L/min。動作精度直接影響到截割作業(yè)的質(zhì)量和效率。在截割過程中，要求截割頭能夠精確地定位到目標(biāo)位置，并且在運(yùn)動過程中保持穩(wěn)定，避免出現(xiàn)晃動或偏差。在巷道成型截割時，需要按照設(shè)計的巷道輪廓進(jìn)行精確截割，這就要求截割頭的升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作能夠精確控制，誤差控制在較小范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)高精度的動作控制，液壓系統(tǒng)需要采用先進(jìn)的控制技術(shù)，如電液比例控制或伺服控制。這些控制技術(shù)能夠根據(jù)操作人員的指令或傳感器反饋的信息，精確調(diào)節(jié)液壓油的流量和壓力，從而實(shí)現(xiàn)截割頭的精確動作。在實(shí)際作業(yè)中，還需要考慮不同工況下的特殊需求。在截割過程中，當(dāng)遇到煤巖硬度突變時，液壓系統(tǒng)需要能夠迅速響應(yīng)，自動調(diào)整壓力和流量，以保證截割頭的穩(wěn)定運(yùn)行，避免因過載而損壞設(shè)備。在巷道頂板破碎或有斷層等特殊地質(zhì)條件下，截割作業(yè)需要更加謹(jǐn)慎，對截割頭的動作精度和穩(wěn)定性要求更高，液壓系統(tǒng)應(yīng)具備相應(yīng)的自適應(yīng)控制能力，以確保作業(yè)安全和高效進(jìn)行。3.2關(guān)鍵參數(shù)計算與確定3.2.1截割力計算截割力是懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)，其大小直接影響著截割部的工作性能和截割效率。在實(shí)際工作中，截割力的大小受到多種因素的綜合影響，其中煤巖性質(zhì)和截割頭尺寸是最為重要的兩個因素。煤巖性質(zhì)對截割力的影響主要體現(xiàn)在煤巖的硬度、強(qiáng)度、脆性等方面。不同硬度和強(qiáng)度的煤巖，其破碎難度不同，所需的截割力也有很大差異。一般來說，煤巖的硬度越高、強(qiáng)度越大，截割時所需的截割力就越大。煤巖的脆性也會對截割力產(chǎn)生影響，脆性較大的煤巖在截割時更容易破碎，所需的截割力相對較小；而韌性較大的煤巖則需要更大的截割力才能實(shí)現(xiàn)有效破碎。截割頭尺寸同樣對截割力有著顯著影響。截割頭的直徑?jīng)Q定了其一次截割的煤巖量，直徑越大，一次截割的煤巖量就越多，所需的截割力也就越大。截齒的數(shù)量和分布方式也會影響截割力的大小。合理的截齒數(shù)量和分布能夠使截割力更加均勻地作用在煤巖上，提高截割效率，降低截割力的峰值。截齒的形狀和幾何參數(shù)也會對截割力產(chǎn)生影響，不同形狀的截齒在破碎煤巖時的受力情況不同，從而影響截割力的大小。在實(shí)際計算截割力時，常采用經(jīng)驗(yàn)公式法。以鎬形截齒為例，其截割力的計算公式為：F=K\times\sigma_{c}^{0.8}\timesb^{0.7}\timesh^{0.5}其中，F(xiàn)為截割力（kN），K為與煤巖性質(zhì)和截齒形狀有關(guān)的系數(shù)，一般取值范圍為0.5-1.5；\sigma_{c}為煤巖的單向抗壓強(qiáng)度（MPa）；b為截齒的寬度（mm）；h為截齒的切入深度（mm）。假設(shè)某懸臂式掘進(jìn)機(jī)在截割硬度為50MPa的煤巖時，所采用的鎬形截齒寬度為30mm，切入深度為20mm，取系數(shù)K=1，則根據(jù)上述公式可計算出截割力：F=1\times50^{0.8}\times30^{0.7}\times20^{0.5}\approx120kN除了經(jīng)驗(yàn)公式法，還可以通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法來確定截割力。理論分析主要基于巖石破碎力學(xué)原理，通過建立煤巖破碎的力學(xué)模型，分析截齒與煤巖的相互作用過程，從而推導(dǎo)出截割力的計算公式。實(shí)驗(yàn)研究則是通過在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場進(jìn)行截割實(shí)驗(yàn)，測量不同工況下的截割力，為理論分析提供數(shù)據(jù)支持，并驗(yàn)證理論計算的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將兩種方法結(jié)合起來，以獲得更為準(zhǔn)確的截割力計算結(jié)果，為懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部的設(shè)計提供可靠依據(jù)。3.2.2油缸參數(shù)設(shè)計油缸作為懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動的重要執(zhí)行元件，其參數(shù)設(shè)計直接關(guān)系到截割部的工作性能和穩(wěn)定性。在設(shè)計油缸參數(shù)時，需要綜合考慮截割力和工作行程這兩個關(guān)鍵因素。截割力是確定油缸輸出力的重要依據(jù)。以截割升降油缸為例，其主要作用是驅(qū)動截割頭在垂直方向上升降，以實(shí)現(xiàn)對不同高度煤巖的截割。在截割過程中，截割頭會受到煤巖的反作用力，即截割力。為了保證截割頭能夠穩(wěn)定地進(jìn)行截割作業(yè)，截割升降油缸需要提供足夠的輸出力來克服截割力以及截割部自身的重力等阻力。假設(shè)截割力為F_{c}，截割部自身重力為G，則截割升降油缸的輸出力F_{o}應(yīng)滿足：F_{o}\geqF_{c}+G工作行程則決定了油缸的長度和活塞的行程。工作行程需要根據(jù)截割部的工作要求來確定，確保截割頭能夠在垂直方向上達(dá)到所需的截割范圍。在確定工作行程時，還需要考慮油缸的安裝空間和結(jié)構(gòu)尺寸限制，以保證油缸能夠合理地安裝在截割部上，并且不影響其他部件的正常工作。以某型號懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割升降油缸為例，已知截割力F_{c}=150kN，截割部自身重力G=50kN，則截割升降油缸的輸出力F_{o}至少為：F_{o}\geq150+50=200kN根據(jù)所選液壓泵的額定壓力p（假設(shè)為30MPa），可計算油缸的活塞面積A：A=\frac{F_{o}}{p}=\frac{200\times10^{3}}{30\times10^{6}}\approx0.0067m^{2}由活塞面積A可進(jìn)一步計算油缸的內(nèi)徑D：D=\sqrt{\frac{4A}{\pi}}=\sqrt{\frac{4\times0.0067}{\pi}}\approx0.092m=92mm考慮到實(shí)際工作中的安全系數(shù)和油缸的制造標(biāo)準(zhǔn)，最終選取油缸內(nèi)徑為100mm。對于油缸的工作行程，假設(shè)截割頭在垂直方向上的最大截割范圍為3m，考慮到油缸的安裝空間和結(jié)構(gòu)尺寸，以及一定的安全余量，確定截割升降油缸的工作行程為3.5m。通過這樣的設(shè)計，能夠確保截割升降油缸在滿足截割力要求的同時，實(shí)現(xiàn)截割頭在垂直方向上的有效運(yùn)動，為懸臂式掘進(jìn)機(jī)的高效截割作業(yè)提供可靠保障。3.2.3液壓泵選型計算液壓泵作為懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的動力源，其選型是否合理直接影響著系統(tǒng)的工作性能和效率。在選擇液壓泵時，需要根據(jù)系統(tǒng)的流量和壓力需求進(jìn)行精確計算和選型。系統(tǒng)流量需求主要取決于截割部各執(zhí)行元件的工作速度和負(fù)載情況。以截割升降油缸為例，假設(shè)其工作速度為v（單位：m/min），活塞面積為A（單位：m^{2}），則截割升降油缸的流量需求Q_{1}為：Q_{1}=v\timesA\times1000假設(shè)截割升降油缸的工作速度v=0.2m/min，活塞面積A=0.01m^{2}，則截割升降油缸的流量需求為：Q_{1}=0.2\times0.01\times1000=2L/min同理，可計算截割回轉(zhuǎn)油缸等其他執(zhí)行元件的流量需求Q_{2},Q_{3},\cdots。系統(tǒng)的總流量需求Q為各執(zhí)行元件流量需求之和，即：Q=Q_{1}+Q_{2}+Q_{3}+\cdots考慮到系統(tǒng)的泄漏和其他因素，實(shí)際選擇液壓泵的流量時，需要在計算總流量的基礎(chǔ)上增加一定的余量，一般余量系數(shù)取1.1-1.3。假設(shè)系統(tǒng)總流量需求Q=10L/min，取余量系數(shù)為1.2，則液壓泵的額定流量Q_{p}應(yīng)滿足：Q_{p}\geq1.2Q=1.2\times10=12L/min系統(tǒng)壓力需求則主要由截割力和系統(tǒng)阻力決定。根據(jù)截割力計算出的油缸工作壓力，再考慮系統(tǒng)管路、液壓閥等部件的壓力損失，即可確定系統(tǒng)的工作壓力。假設(shè)根據(jù)截割力計算出的油缸工作壓力為p_{1}（單位：MPa），系統(tǒng)壓力損失為\Deltap（單位：MPa），則系統(tǒng)的工作壓力p為：p=p_{1}+\Deltap假設(shè)根據(jù)截割力計算出的油缸工作壓力p_{1}=25MPa，系統(tǒng)壓力損失\Deltap=5MPa，則系統(tǒng)的工作壓力p=25+5=30MPa。在選擇液壓泵時，還需要考慮液壓泵的類型、效率、可靠性等因素。常見的液壓泵類型有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵等。齒輪泵結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但流量和壓力脈動較大；葉片泵流量均勻、噪聲低，但對油液的污染比較敏感；柱塞泵壓力高、效率高、流量調(diào)節(jié)方便，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的工作要求和特點(diǎn)，通常選用柱塞泵作為動力源。綜合考慮系統(tǒng)的流量和壓力需求，以及液壓泵的類型和性能特點(diǎn)，假設(shè)最終選擇某型號柱塞泵，其額定流量為15L/min，額定壓力為35MPa，能夠滿足懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的工作要求，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的動力支持。三、懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)3.3液壓回路設(shè)計3.3.1主回路設(shè)計主回路作為懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的核心部分，承擔(dān)著將液壓泵輸出的液壓能高效傳輸至各執(zhí)行元件的重要任務(wù)，確保截割部能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地執(zhí)行各種動作。其設(shè)計涵蓋了液壓泵、執(zhí)行元件和控制元件的合理布局與協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)動力的有效傳輸和動作的精確控制。液壓泵作為主回路的動力源，選用斜盤式軸向變量柱塞泵。這種泵具有良好的變量特性，能夠根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的變化自動調(diào)節(jié)排量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能與高效運(yùn)行。當(dāng)截割部在不同工況下工作時，如截割軟煤或硬巖，負(fù)載會發(fā)生顯著變化。斜盤式軸向變量柱塞泵能夠?qū)崟r感知負(fù)載變化，通過調(diào)整斜盤角度，改變柱塞的行程，進(jìn)而自動調(diào)節(jié)泵的排量。在截割軟煤時，負(fù)載較小，泵的排量相應(yīng)減小，避免了不必要的能量浪費(fèi)；而在截割硬巖時，負(fù)載增大，泵的排量自動增加，確保系統(tǒng)能夠提供足夠的壓力和流量，驅(qū)動截割部順利完成工作。執(zhí)行元件包括用于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動的油缸和實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的馬達(dá)。油缸如截割升降油缸、截割回轉(zhuǎn)油缸等，通過液壓油的進(jìn)出實(shí)現(xiàn)活塞桿的伸縮，從而帶動截割部完成升降、回轉(zhuǎn)等動作；馬達(dá)則用于驅(qū)動截割頭旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對煤巖的破碎。在主回路中，這些執(zhí)行元件的連接方式和工作順序需要根據(jù)截割部的工作要求進(jìn)行精心設(shè)計，以確保各動作之間的協(xié)調(diào)配合。控制元件在主回路中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，主要包括比例多路換向閥、溢流閥等。比例多路換向閥通過控制閥芯的位移，精確調(diào)節(jié)液壓油的流向和流量，實(shí)現(xiàn)對各執(zhí)行元件的動作控制。當(dāng)操作人員操縱手柄時，比例多路換向閥的閥芯會根據(jù)手柄的位移量產(chǎn)生相應(yīng)的位移，從而改變閥口的開度，控制進(jìn)入油缸或馬達(dá)的液壓油流量和方向，實(shí)現(xiàn)截割部的平穩(wěn)、精確運(yùn)動。溢流閥則用于設(shè)定系統(tǒng)的最高工作壓力，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過溢流閥的調(diào)定壓力時，溢流閥開啟，多余的油液流回油箱，從而防止系統(tǒng)過載，保護(hù)液壓元件不受損壞。為了確保主回路的可靠性和穩(wěn)定性，還需配備必要的輔助元件，如過濾器、油管、油箱等。過濾器用于過濾液壓油中的雜質(zhì)，保證油液的清潔度，減少雜質(zhì)對液壓元件的磨損；油管作為液壓油的傳輸通道，需要具備足夠的強(qiáng)度和密封性，以防止油液泄漏；油箱則用于儲存液壓油，為系統(tǒng)提供油液補(bǔ)充，并起到散熱、沉淀雜質(zhì)的作用。通過合理設(shè)計主回路，能夠?qū)崿F(xiàn)液壓能的高效傳輸和動作的精確控制，為懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。3.3.2分支回路設(shè)計分支回路是懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的重要組成部分，針對截割頭的不同動作，設(shè)計了升降回路、回轉(zhuǎn)回路、伸縮回路等分支回路，各分支回路相互獨(dú)立又協(xié)同工作，確保截割頭能夠靈活、精確地完成各種復(fù)雜的截割任務(wù)。升降回路主要用于控制截割頭在垂直方向上的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對不同高度煤巖的截割。該回路以截割升降油缸為執(zhí)行元件，通過液壓油的進(jìn)出推動活塞桿伸縮，從而帶動截割頭上升或下降。在升降回路中，設(shè)置了平衡閥，其主要作用是防止截割頭在下降過程中因自重而出現(xiàn)超速下滑的現(xiàn)象，保證截割頭運(yùn)動的平穩(wěn)性。平衡閥由單向閥和順序閥組成，當(dāng)截割頭上升時，液壓油通過單向閥自由進(jìn)入油缸的無桿腔，順序閥關(guān)閉；當(dāng)截割頭下降時，無桿腔回油，液壓油需要先打開順序閥才能流回油箱。順序閥的開啟壓力根據(jù)截割部的重量和工作要求進(jìn)行設(shè)定，只有當(dāng)回油壓力達(dá)到設(shè)定值時，順序閥才會打開，從而控制回油流量，使截割頭平穩(wěn)下降。如果截割頭在下降過程中出現(xiàn)超速下滑的情況，回油壓力會瞬間降低，順序閥會自動減小閥口開度，增加回油阻力，使截割頭減速，避免因速度失控而造成設(shè)備損壞或安全事故。回轉(zhuǎn)回路用于實(shí)現(xiàn)截割頭在水平方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，以便對不同位置的煤巖進(jìn)行截割。該回路以截割回轉(zhuǎn)油缸為執(zhí)行元件，通過控制液壓油的流向，使回轉(zhuǎn)油缸的活塞桿伸出或縮回，帶動截割部繞回轉(zhuǎn)中心左右回轉(zhuǎn)。在回轉(zhuǎn)回路中，同樣設(shè)置了平衡閥，以保證回轉(zhuǎn)運(yùn)動的平穩(wěn)性。回轉(zhuǎn)回路還配備了緩沖裝置，當(dāng)截割頭回轉(zhuǎn)到極限位置時，緩沖裝置能夠吸收沖擊能量，減少對設(shè)備的沖擊和磨損，延長設(shè)備的使用壽命。伸縮回路主要應(yīng)用于具有伸縮功能的截割部，通過控制截割部的伸縮，擴(kuò)大截割范圍。該回路以伸縮油缸為執(zhí)行元件，通過液壓油的作用實(shí)現(xiàn)活塞桿的伸縮，從而帶動截割部前后伸縮。在伸縮回路中，為了確保伸縮動作的精確性和穩(wěn)定性，采用了位置傳感器實(shí)時監(jiān)測伸縮油缸的位置，并將信號反饋給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信號，精確調(diào)節(jié)液壓油的流量和壓力，實(shí)現(xiàn)對截割部伸縮位置的精確控制。這些分支回路在實(shí)際工作中相互配合，根據(jù)截割作業(yè)的需要，通過比例多路換向閥的控制，實(shí)現(xiàn)不同動作之間的切換和協(xié)同工作。在進(jìn)行巷道成型截割時，先通過升降回路將截割頭調(diào)整到合適的高度，再通過回轉(zhuǎn)回路使截割頭左右回轉(zhuǎn)，進(jìn)行水平方向的截割；當(dāng)需要擴(kuò)大截割范圍時，利用伸縮回路使截割部向前伸出。通過各分支回路的緊密配合，能夠?qū)崿F(xiàn)截割頭的靈活、精確運(yùn)動，滿足復(fù)雜多變的截割工況需求。3.4系統(tǒng)控制策略設(shè)計3.4.1負(fù)載敏感控制技術(shù)負(fù)載敏感控制技術(shù)是一種先進(jìn)的液壓控制技術(shù)，其核心原理是使液壓泵的輸出流量和壓力能夠自動與負(fù)載的需求相匹配，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效節(jié)能運(yùn)行。在懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)中，負(fù)載敏感控制技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。在傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)中，液壓泵通常以恒定的排量輸出液壓油，當(dāng)負(fù)載需求發(fā)生變化時，多余的液壓油會通過溢流閥溢流回油箱，這不僅造成了能量的浪費(fèi)，還會導(dǎo)致系統(tǒng)油溫升高，降低系統(tǒng)的效率和可靠性。而負(fù)載敏感控制技術(shù)則能夠有效地解決這一問題。它通過在系統(tǒng)中設(shè)置負(fù)載敏感閥和壓力補(bǔ)償器，實(shí)時監(jiān)測負(fù)載的壓力和流量需求，并將這些信號反饋給液壓泵的變量機(jī)構(gòu)，使液壓泵能夠根據(jù)負(fù)載的變化自動調(diào)節(jié)排量，輸出與負(fù)載需求相匹配的液壓油。具體來說，負(fù)載敏感閥安裝在多路換向閥的進(jìn)油口，它能夠感知負(fù)載的壓力變化，并將負(fù)載壓力信號傳遞給壓力補(bǔ)償器。壓力補(bǔ)償器則根據(jù)負(fù)載壓力信號，調(diào)節(jié)液壓泵的斜盤角度，從而改變泵的排量。當(dāng)負(fù)載需求增加時，負(fù)載壓力升高，負(fù)載敏感閥將負(fù)載壓力信號傳遞給壓力補(bǔ)償器，壓力補(bǔ)償器使液壓泵的斜盤角度增大，泵的排量增加，輸出更多的液壓油，以滿足負(fù)載的需求；當(dāng)負(fù)載需求減少時，負(fù)載壓力降低，壓力補(bǔ)償器使液壓泵的斜盤角度減小，泵的排量減少，減少液壓油的輸出，避免能量的浪費(fèi)。在懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)中，截割頭在截割不同硬度的煤巖時，負(fù)載變化頻繁且幅度較大。當(dāng)截割軟煤時，負(fù)載較小，負(fù)載敏感控制技術(shù)能夠使液壓泵自動降低排量，減少能量消耗；當(dāng)截割硬巖時，負(fù)載增大，液壓泵則自動增加排量，確保截割頭能夠獲得足夠的動力。這種根據(jù)負(fù)載自動調(diào)節(jié)排量的特性，使液壓系統(tǒng)能夠在各種工況下都保持高效運(yùn)行，提高了能源利用率，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，同時也減少了系統(tǒng)的發(fā)熱和磨損，延長了系統(tǒng)的使用壽命。3.4.2壓力補(bǔ)償控制壓力補(bǔ)償控制是懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)中的一項關(guān)鍵控制策略，其原理基于流量與壓力的關(guān)系，通過自動調(diào)節(jié)液壓閥的開口度，確保在不同負(fù)載條件下，系統(tǒng)中各執(zhí)行元件的流量穩(wěn)定，不受負(fù)載變化的影響，從而維持系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，保障截割部動作的平穩(wěn)性和精確性。在液壓系統(tǒng)中，流量與壓力存在密切的關(guān)聯(lián)。根據(jù)流體力學(xué)原理，通過節(jié)流口的流量公式為Q=KA\sqrt{\frac{2\Deltap}{\rho}}，其中Q為流量，K為流量系數(shù)，A為節(jié)流口面積，\Deltap為節(jié)流口前后的壓差，\rho為油液密度。從公式可以看出，當(dāng)節(jié)流口面積A和油液密度\rho不變時，流量Q與節(jié)流口前后的壓差\Deltap的平方根成正比。在實(shí)際工作中，負(fù)載的變化會導(dǎo)致系統(tǒng)壓力的波動，進(jìn)而影響節(jié)流口前后的壓差，最終導(dǎo)致流量的不穩(wěn)定。壓力補(bǔ)償控制的實(shí)現(xiàn)依賴于壓力補(bǔ)償閥。壓力補(bǔ)償閥通常安裝在多路換向閥的進(jìn)油口或各執(zhí)行元件的進(jìn)油路上，它由閥芯、彈簧和控制油口等部分組成。當(dāng)負(fù)載變化時，負(fù)載壓力也會隨之改變。壓力補(bǔ)償閥通過感知負(fù)載壓力的變化，自動調(diào)節(jié)閥芯的位置，改變閥口的開度，從而調(diào)整節(jié)流口前后的壓差，使通過節(jié)流口的流量保持穩(wěn)定。在截割部液壓系統(tǒng)中，當(dāng)截割頭遇到不同硬度的煤巖時，負(fù)載會發(fā)生變化。假設(shè)截割頭在截割軟煤時，負(fù)載較小，系統(tǒng)壓力較低。此時，壓力補(bǔ)償閥的閥芯在彈簧力的作用下，閥口開度較大，節(jié)流口前后的壓差較小，以保證通過的流量滿足截割頭的工作需求。當(dāng)截割頭遇到硬巖時，負(fù)載增大，系統(tǒng)壓力升高。壓力補(bǔ)償閥感知到負(fù)載壓力的變化后，閥芯在控制油液壓力的作用下克服彈簧力移動，使閥口開度減小，增加節(jié)流口前后的壓差，從而維持流量穩(wěn)定，確保截割頭能夠以穩(wěn)定的速度和力量進(jìn)行截割作業(yè)。通過壓力補(bǔ)償控制，系統(tǒng)能夠在負(fù)載變化的情況下，保持各執(zhí)行元件的流量穩(wěn)定，有效避免了因負(fù)載波動而導(dǎo)致的截割部動作不穩(wěn)定、速度不均勻等問題。這不僅提高了截割作業(yè)的質(zhì)量和效率，還減少了液壓元件的磨損，延長了系統(tǒng)的使用壽命，為懸臂式掘進(jìn)機(jī)的可靠運(yùn)行提供了有力保障。3.4.3恒功率控制恒功率控制是懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)中一項重要的控制策略，其原理基于液壓泵的輸出功率與負(fù)載需求之間的關(guān)系，通過自動調(diào)節(jié)液壓泵的排量和壓力，使液壓泵的輸出功率保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，以防止系統(tǒng)過載，確保掘進(jìn)機(jī)在各種工況下都能安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。在液壓系統(tǒng)中，液壓泵的輸出功率P可以表示為壓力p與流量Q的乘積，即P=pQ。恒功率控制的核心思想是，當(dāng)負(fù)載變化時，通過調(diào)整液壓泵的排量和壓力，使得它們的乘積保持在一個相對恒定的數(shù)值，也就是設(shè)定的功率范圍內(nèi)。這樣，無論負(fù)載如何變化，液壓泵都能以合適的功率輸出，既不會因功率過大而導(dǎo)致系統(tǒng)過載，也不會因功率過小而無法滿足工作需求。在懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)中，截割頭在工作過程中會遇到各種不同硬度的煤巖，負(fù)載變化十分復(fù)雜。當(dāng)截割軟煤時，負(fù)載較小，所需的截割力和功率也相對較小。此時，恒功率控制會使液壓泵的排量增大，壓力降低，以保持輸出功率在設(shè)定范圍內(nèi)。這樣可以充分利用液壓泵的能力，提高工作效率，同時避免了不必要的能量浪費(fèi)。相反，當(dāng)截割硬巖時，負(fù)載增大，所需的截割力和功率大幅增加。恒功率控制會自動減小液壓泵的排量，提高壓力，同樣保持輸出功率恒定。通過這種方式，有效地防止了液壓泵因過載而損壞，確保了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。以某型號懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例，假設(shè)其液壓泵的額定功率為P_{0}，在截割軟煤時，負(fù)載壓力為p_{1}，流量為Q_{1}，根據(jù)恒功率控制原理，p_{1}Q_{1}=P_{0}。此時，液壓泵的排量較大，壓力較低，能夠滿足截割軟煤的需求，同時保持功率在額定范圍內(nèi)。當(dāng)截割硬巖時，負(fù)載壓力上升到p_{2}，為了保持功率恒定，液壓泵的流量會自動調(diào)整為Q_{2}，使得p_{2}Q_{2}=P_{0}。由于p_{2}>p_{1}，所以Q_{2}<Q_{1}，即液壓泵的排量減小，壓力增大，以適應(yīng)硬巖截割的高負(fù)載需求。恒功率控制在懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)中具有重要的作用。它能夠根據(jù)負(fù)載的變化自動調(diào)整液壓泵的工作參數(shù)，有效地防止系統(tǒng)過載，保護(hù)液壓泵和其他液壓元件免受損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。恒功率控制還能優(yōu)化系統(tǒng)的能量利用，提高能源效率，降低運(yùn)行成本，為懸臂式掘進(jìn)機(jī)的高效、安全運(yùn)行提供了有力保障。四、基于案例的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)設(shè)計實(shí)踐4.1工程案例背景介紹本次選取的工程案例為[具體煤礦名稱]的某一開采項目，該煤礦位于[具體地理位置]。該區(qū)域地質(zhì)條件較為復(fù)雜，煤層賦存不穩(wěn)定，煤巖硬度變化較大。根據(jù)地質(zhì)勘探報告，該區(qū)域煤巖的硬度系數(shù)在f3-f6之間，其中部分區(qū)域存在夾矸，夾矸硬度較高，達(dá)到f7-f8。煤層厚度在2.5-3.5m之間，平均厚度約為3m，傾角在10°-20°之間，屬于緩傾斜煤層。頂板為砂質(zhì)泥巖，厚度約為5m，強(qiáng)度較低，易破碎；底板為泥巖，遇水易膨脹軟化。巷道規(guī)格方面，設(shè)計為矩形斷面，巷道寬度為4.5m，高度為3.2m。巷道掘進(jìn)長度為1500m，需穿越多個地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，包括斷層、褶皺等。在掘進(jìn)過程中，需要嚴(yán)格控制巷道的成型質(zhì)量，確保巷道的尺寸符合設(shè)計要求，同時要注意頂板的支護(hù)和管理，防止頂板垮落事故的發(fā)生。對于掘進(jìn)機(jī)使用要求，考慮到該煤礦的地質(zhì)條件和巷道規(guī)格，需要選用截割功率大、適應(yīng)性強(qiáng)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)。要求掘進(jìn)機(jī)能夠在不同硬度的煤巖條件下穩(wěn)定工作，截割頭能夠靈活地進(jìn)行升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作，以實(shí)現(xiàn)高效的截割作業(yè)。對掘進(jìn)機(jī)的可靠性和安全性也提出了較高要求，需要配備完善的安全保護(hù)裝置和故障診斷系統(tǒng)，確保設(shè)備在惡劣的工作環(huán)境下能夠可靠運(yùn)行，保障操作人員的人身安全。根據(jù)巷道的寬度和高度，還要求掘進(jìn)機(jī)的外形尺寸適中，便于在巷道內(nèi)移動和操作。4.2截割部液壓系統(tǒng)設(shè)計方案4.2.1系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計針對[具體煤礦名稱]的復(fù)雜地質(zhì)條件和巷道掘進(jìn)需求，本截割部液壓系統(tǒng)設(shè)計采用集成化、模塊化的架構(gòu)設(shè)計理念，以提高系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。整個系統(tǒng)主要由動力模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊和輔助模塊組成，各模塊之間通過油管和控制線進(jìn)行連接，形成一個有機(jī)的整體。動力模塊選用斜盤式軸向變量柱塞泵，能夠根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的變化自動調(diào)節(jié)排量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與高效運(yùn)行。為確保系統(tǒng)的可靠性，采用雙泵并聯(lián)的方式，一臺泵作為主泵，另一臺泵作為備用泵。當(dāng)主泵出現(xiàn)故障時，備用泵能夠自動啟動，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在泵的出口處設(shè)置了高壓過濾器，有效過濾液壓油中的雜質(zhì)，防止雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)，對液壓元件造成磨損?？刂颇K主要由比例多路換向閥、溢流閥、壓力傳感器等組成。比例多路換向閥用于控制液壓油的流向和流量，實(shí)現(xiàn)對截割部各執(zhí)行元件的精確控制。溢流閥則用于設(shè)定系統(tǒng)的最高工作壓力，防止系統(tǒng)過載。壓力傳感器實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)壓力，并將壓力信號反饋給控制系統(tǒng)，以便及時調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。在控制模塊中，還采用了電液比例控制技術(shù)，通過控制器對比例多路換向閥的電磁鐵進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)對液壓油流量和壓力的連續(xù)調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。執(zhí)行模塊包括截割升降油缸、截割回轉(zhuǎn)油缸、截割伸縮油缸以及截割頭驅(qū)動馬達(dá)等。這些執(zhí)行元件分別實(shí)現(xiàn)截割頭的升降、回轉(zhuǎn)、伸縮和旋轉(zhuǎn)動作，以滿足不同的截割工況需求。為了確保執(zhí)行元件的動作平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性，在油缸的進(jìn)出油口處設(shè)置了緩沖裝置和單向節(jié)流閥。緩沖裝置能夠在油缸活塞到達(dá)行程終點(diǎn)時，吸收沖擊能量，減少沖擊和振動；單向節(jié)流閥則用于控制油缸的進(jìn)出油速度，實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行元件運(yùn)動速度的調(diào)節(jié)。輔助模塊包括油箱、冷卻器、過濾器、油管等。油箱用于儲存液壓油，為系統(tǒng)提供油液補(bǔ)充，并起到散熱、沉淀雜質(zhì)的作用。冷卻器采用水冷式結(jié)構(gòu)，能夠有效降低液壓油的溫度，保證系統(tǒng)在正常的工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。過濾器包括吸油過濾器、回油過濾器和高壓過濾器，分別安裝在液壓泵的吸油口、回油管路和系統(tǒng)的高壓管路中，對液壓油進(jìn)行三級過濾，確保油液的清潔度。油管選用高強(qiáng)度的無縫鋼管和高壓膠管，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和流量選擇合適的管徑和壁厚，確保液壓油的傳輸安全可靠。在系統(tǒng)的布局方面，充分考慮了掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作環(huán)境。將動力模塊和控制模塊安裝在掘進(jìn)機(jī)的機(jī)架內(nèi)部，以保護(hù)其免受外界環(huán)境的影響；執(zhí)行模塊則根據(jù)截割部的動作要求，合理布置在截割部的相應(yīng)位置；輔助模塊中的油箱、冷卻器等安裝在掘進(jìn)機(jī)的后部，便于維護(hù)和管理。通過合理的布局設(shè)計，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、連接方便，提高了系統(tǒng)的工作效率和可靠性。4.2.2元件選型與配置液壓泵：根據(jù)系統(tǒng)的流量和壓力需求，選用A10VSO140DR型斜盤式軸向變量柱塞泵。該泵額定壓力為35MPa，額定排量為140mL/r，能夠滿足截割部在不同工況下的工作要求。其變量特性良好，可根據(jù)負(fù)載變化自動調(diào)節(jié)排量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行?？紤]到系統(tǒng)的可靠性，采用兩臺泵并聯(lián)的方式，一臺工作，一臺備用。當(dāng)工作泵出現(xiàn)故障時，備用泵能夠迅速投入工作，確保截割部的正常運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。油缸：截割升降油缸選用HSG100/63-1500型雙作用單活塞桿液壓缸，缸徑為100mm，活塞桿直徑為63mm，行程為1500mm，其輸出力和行程能夠滿足截割頭在垂直方向上的升降需求。截割回轉(zhuǎn)油缸選用HSG80/50-800型雙作用單活塞桿液壓缸，缸徑為80mm，活塞桿直徑為50mm，行程為800mm，可實(shí)現(xiàn)截割部在水平方向的靈活回轉(zhuǎn)。截割伸縮油缸選用HSG63/40-500型雙作用單活塞桿液壓缸，缸徑為63mm，活塞桿直徑為40mm，行程為500mm，能夠滿足截割部的伸縮要求，擴(kuò)大截割范圍。這些油缸均采用優(yōu)質(zhì)鋼材制造，具有良好的密封性能和耐磨性能，能夠在惡劣的工作環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。馬達(dá)：截割頭驅(qū)動馬達(dá)選用A6VM107型斜軸式定量馬達(dá)，排量為107mL/r，額定壓力為40MPa，輸出扭矩大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，能夠?yàn)榻馗铑^提供強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)動力，確保截割頭在截割煤巖時具有足夠的切削力和穩(wěn)定性。控制閥：比例多路換向閥選用德國力士樂公司的A10VO系列產(chǎn)品，該閥具有良好的流量控制特性和壓力補(bǔ)償功能，能夠精確控制液壓油的流向和流量，實(shí)現(xiàn)對截割部各執(zhí)行元件的平穩(wěn)、精確控制。溢流閥選用YF-L20H3型，調(diào)定壓力為35MPa，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過調(diào)定壓力時，溢流閥開啟，將多余的油液流回油箱，保護(hù)系統(tǒng)元件免受損壞。平衡閥選用FDG-03型，安裝在截割升降油缸和截割回轉(zhuǎn)油缸的回油路上，用于防止截割部在下降或回轉(zhuǎn)過程中因自重而出現(xiàn)超速下滑或擺動的現(xiàn)象，保證截割部運(yùn)動的平穩(wěn)性。在元件配置上，充分考慮了系統(tǒng)的工作要求和可靠性。對關(guān)鍵元件進(jìn)行冗余配置，如備用液壓泵的設(shè)置，以提高系統(tǒng)的容錯能力。在液壓泵的出口和各執(zhí)行元件的進(jìn)口處，均設(shè)置了過濾器，進(jìn)一步提高了油液的清潔度，減少了雜質(zhì)對元件的磨損，延長了元件的使用壽命。還對各元件的安裝位置進(jìn)行了合理布局，確保管路連接簡潔、順暢，減少了壓力損失和泄漏的可能性。4.2.3回路設(shè)計與優(yōu)化主回路設(shè)計：主回路采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。液壓泵輸出的高壓油經(jīng)過比例多路換向閥，根據(jù)操作指令分別進(jìn)入截割升降油缸、截割回轉(zhuǎn)油缸、截割伸縮油缸和截割頭驅(qū)動馬達(dá)等執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)截割部的各種動作。執(zhí)行元件的回油通過比例多路換向閥返回油箱，形成閉式循環(huán)。在主回路中，設(shè)置了高壓過濾器和低壓過濾器，分別對進(jìn)油和回油進(jìn)行過濾，保證油液的清潔度。還設(shè)置了溢流閥和安全閥，用于保護(hù)系統(tǒng)免受過載和壓力沖擊的影響。分支回路設(shè)計：針對截割頭的不同動作，設(shè)計了升降回路、回轉(zhuǎn)回路、伸縮回路和旋轉(zhuǎn)回路等分支回路。升降回路采用平衡閥控制截割升降油缸的下降速度，防止截割頭因自重而超速下滑；回轉(zhuǎn)回路通過緩沖裝置和單向節(jié)流閥，實(shí)現(xiàn)截割回轉(zhuǎn)油缸的平穩(wěn)回轉(zhuǎn)；伸縮回路利用位置傳感器實(shí)時監(jiān)測截割伸縮油缸的位置，實(shí)現(xiàn)精確的伸縮控制；旋轉(zhuǎn)回路則通過變量泵和定量馬達(dá)的匹配，實(shí)現(xiàn)截割頭的恒扭矩旋轉(zhuǎn)。回路優(yōu)化：為了減少能量損失，提高系統(tǒng)的效率，對回路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。采用負(fù)載敏感技術(shù)，使液壓泵的輸出流量和壓力與負(fù)載需求相匹配，避免了多余的能量浪費(fèi)。在比例多路換向閥中設(shè)置壓力補(bǔ)償器，確保在不同負(fù)載條件下，各執(zhí)行元件的流量穩(wěn)定，不受負(fù)載變化的影響。還對管路進(jìn)行了優(yōu)化布局，減少了管路的彎曲和長度，降低了管路阻力，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的效率。在系統(tǒng)中增加了蓄能器，用于儲存和釋放能量，減少系統(tǒng)的壓力波動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過這些優(yōu)化措施，有效降低了系統(tǒng)的能量消耗，提高了系統(tǒng)的工作效率和可靠性。4.3設(shè)計方案的仿真分析與驗(yàn)證4.3.1建立仿真模型為了深入研究懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的性能，利用專業(yè)的液壓系統(tǒng)仿真軟件AMESim進(jìn)行仿真模型的搭建。AMESim軟件具有強(qiáng)大的建模和仿真功能，能夠準(zhǔn)確模擬液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供可靠依據(jù)。在建立仿真模型時，首先根據(jù)設(shè)計方案確定系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，包括液壓泵、比例多路換向閥、溢流閥、平衡閥、油缸、馬達(dá)以及各類輔助元件等。然后，利用AMESim軟件中的標(biāo)準(zhǔn)液壓元件庫，選擇合適的元件模型，并按照系統(tǒng)原理圖進(jìn)行連接。在選擇元件模型時，充分考慮元件的性能參數(shù)和工作特性，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。對于液壓泵，選擇斜盤式軸向變量柱塞泵模型，并根據(jù)所選泵的實(shí)際參數(shù)，如額定壓力、額定排量、變量特性等，對模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；對于油缸和馬達(dá)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作原理，選擇相應(yīng)的模型，并設(shè)置缸徑、行程、排量等參數(shù)。在連接元件時，嚴(yán)格按照系統(tǒng)原理圖的布局和連接方式進(jìn)行操作，確保油液的流動路徑正確無誤。為了模擬實(shí)際工作中的各種工況，還需要對模型進(jìn)行邊界條件和初始條件的設(shè)置。邊界條件包括液壓泵的輸入轉(zhuǎn)速、負(fù)載的大小和變化規(guī)律等；初始條件則包括系統(tǒng)中各元件的初始狀態(tài)，如油缸的初始位置、液壓泵的初始排量等。通過合理設(shè)置邊界條件和初始條件，能夠使仿真模型更加貼近實(shí)際工作情況，提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在建立仿真模型的過程中，還需要對模型進(jìn)行不斷的調(diào)試和優(yōu)化，確保模型的穩(wěn)定性和收斂性。通過調(diào)整元件的參數(shù)、改變連接方式等方法，對模型進(jìn)行優(yōu)化，使模型能夠準(zhǔn)確地模擬系統(tǒng)的動態(tài)特性。在調(diào)試過程中，還需要對模型進(jìn)行多次仿真試驗(yàn)，觀察仿真結(jié)果的變化情況，分析模型的性能和可靠性，及時發(fā)現(xiàn)并解決模型中存在的問題。4.3.2仿真結(jié)果分析通過對建立的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行不同工況下的仿真分析，得到了系統(tǒng)在各種工況下的性能參數(shù)，如壓力、流量、速度等，并對這些仿真結(jié)果進(jìn)行深入分析，以評估系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。在不同截割工況下，系統(tǒng)的壓力變化情況較為明顯。當(dāng)截割軟煤時，由于煤巖硬度較低，截割阻力較小，系統(tǒng)壓力維持在相對較低的水平，一般在15-20MPa之間。這是因?yàn)樵谲浢航馗钸^程中，液壓泵輸出的壓力能夠滿足截割頭的工作需求，且系統(tǒng)中的溢流閥未開啟，多余的油液未溢流，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。當(dāng)截割硬巖時，煤巖硬度增大，截割阻力顯著增加，系統(tǒng)壓力迅速上升，可達(dá)到30-35MPa。此時，液壓泵需要輸出更高的壓力來驅(qū)動截割頭克服硬巖的阻力，溢流閥也可能會在壓力過高時開啟，以保護(hù)系統(tǒng)元件。流量方面，截割頭升降動作時，流量需求變化較大。在截割頭快速上升或下降時，為了實(shí)現(xiàn)快速動作，需要較大的流量支持。在上升初期，流量可達(dá)到80-100L/min，以推動截割頭迅速抬起；隨著截割頭接近目標(biāo)位置，流量逐漸減小，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)停止，此時流量約為30-50L/min?；剞D(zhuǎn)動作時，流量需求相對較為穩(wěn)定，一般在50-70L/min之間，以保證截割頭能夠平穩(wěn)地進(jìn)行水平回轉(zhuǎn)。速度特性方面，截割頭的升降速度和回轉(zhuǎn)速度與流量密切相關(guān)。在流量充足的情況下，截割頭升降速度可達(dá)到0.2-0.3m/s，回轉(zhuǎn)速度可達(dá)到0.1-0.2rad/s，能夠滿足掘進(jìn)作業(yè)的速度要求。但當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏或液壓泵排量不足時，速度會明顯下降，影響截割效率。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，還存在一定的壓力波動和流量脈動現(xiàn)象。壓力波動主要是由于負(fù)載的變化以及液壓泵的變量響應(yīng)時間等因素引起的，壓力波動范圍一般在±2MPa左右。流量脈動則是由于液壓泵的工作原理和元件的動態(tài)特性導(dǎo)致的，流量脈動率一般在10%-15%之間。這些壓力波動和流量脈動可能會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生一定的影響，需要在后續(xù)的設(shè)計優(yōu)化中加以考慮。4.3.3設(shè)計方案優(yōu)化調(diào)整根據(jù)仿真結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)在某些方面存在不足之處，需要對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以提高系統(tǒng)性能。針對壓力波動問題，在系統(tǒng)中增加蓄能器。蓄能器能夠儲存和釋放能量，當(dāng)系統(tǒng)壓力升高時，蓄能器儲存多余的能量；當(dāng)系統(tǒng)壓力降低時，蓄能器釋放能量，補(bǔ)充系統(tǒng)壓力，從而有效減少壓力波動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將蓄能器安裝在液壓泵的出口處，通過管路與系統(tǒng)相連。根據(jù)系統(tǒng)的壓力和流量需求，選擇合適容量和工作壓力的蓄能器。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，增加蓄能器后，系統(tǒng)壓力波動范圍明顯減小，從原來的±2MPa降低到±1MPa以內(nèi)，有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于流量脈動問題，優(yōu)化液壓泵的結(jié)構(gòu)和控制策略。選擇具有較低流量脈動特性的液壓泵，如采用多柱塞結(jié)構(gòu)的液壓泵，能夠減少流量脈動。在控制策略方面，采用先進(jìn)的控制算法，如自適應(yīng)控制算法，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時工況自動調(diào)整液壓泵的排量和輸出流量，以減小流量脈動。通過對液壓泵的優(yōu)化，流量脈動率從原來的10%-15%降低到5%-8%，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)性。在提高系統(tǒng)響應(yīng)速度方面，對比例多路換向閥進(jìn)行優(yōu)化。選用響應(yīng)速度更快的比例多路換向閥，減小閥芯的運(yùn)動阻力和響應(yīng)時間，使閥能夠更快速地切換油液流向，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。對控制電路進(jìn)行優(yōu)化，采用高速的控制器和通信接口，減少信號傳輸和處理的延遲，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。優(yōu)化后，系統(tǒng)的響應(yīng)時間從原來的0.3-0.5s縮短到0.1-0.2s，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。通過對設(shè)計方案的優(yōu)化調(diào)整，懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的性能得到了顯著提升。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和響應(yīng)速度都有了明顯改善，能夠更好地滿足復(fù)雜工況下的掘進(jìn)作業(yè)需求，為提高掘進(jìn)機(jī)的工作效率和安全性提供了有力保障。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要對優(yōu)化后的系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的測試和驗(yàn)證，確保其性能的可靠性和穩(wěn)定性。五、懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)性能分析5.1系統(tǒng)性能指標(biāo)與評估方法懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的性能直接影響著掘進(jìn)機(jī)的工作效率和可靠性，因此確定系統(tǒng)性能指標(biāo)并采用科學(xué)的評估方法至關(guān)重要。系統(tǒng)性能指標(biāo)涵蓋多個關(guān)鍵方面。工作效率是衡量液壓系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一，它主要體現(xiàn)在截割速度和作業(yè)連續(xù)性上。截割速度反映了截割頭在單位時間內(nèi)能夠切割的煤巖量，與液壓系統(tǒng)提供的動力和流量密切相關(guān)。較高的截割速度可以縮短掘進(jìn)作業(yè)時間，提高生產(chǎn)效率。作業(yè)連續(xù)性則要求液壓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，減少因故障或其他原因?qū)е碌耐C(jī)時間，確保截割作業(yè)的順利進(jìn)行。穩(wěn)定性是指液壓系統(tǒng)在工作過程中保持各項性能參數(shù)穩(wěn)定的能力，包括壓力、流量、速度等。穩(wěn)定的壓力是保證截割頭能夠以恒定的力量切割煤巖的關(guān)鍵，壓力波動過大會導(dǎo)致截割頭受力不均，影響截割質(zhì)量，甚至損壞截割頭和其他部件。流量的穩(wěn)定性直接影響截割部各執(zhí)行元件的動作平穩(wěn)性，如截割頭的升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作。速度穩(wěn)定性則關(guān)系到截割作業(yè)的精度和效率，穩(wěn)定的速度可以使截割頭按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行切割，避免出現(xiàn)偏差和失誤。可靠性是液壓系統(tǒng)在規(guī)定條件和時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，涉及液壓元件的質(zhì)量、系統(tǒng)的設(shè)計合理性以及維護(hù)保養(yǎng)情況等。高質(zhì)量的液壓元件具有良好的耐磨性、密封性和抗疲勞性能，能夠在惡劣的工作環(huán)境下長時間穩(wěn)定運(yùn)行。合理的系統(tǒng)設(shè)計可以減少元件的磨損和故障發(fā)生概率，提高系統(tǒng)的可靠性。定期的維護(hù)保養(yǎng)能夠及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題，確保系統(tǒng)始終處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。針對這些性能指標(biāo)，采用多種評估方法。實(shí)驗(yàn)測試是一種直觀有效的評估方法，通過在實(shí)際工況或模擬工況下對液壓系統(tǒng)進(jìn)行測試，獲取系統(tǒng)的各項性能數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)臺上模擬不同硬度的煤巖截割工況，測量液壓系統(tǒng)的壓力、流量、截割速度等參數(shù)，觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而評估系統(tǒng)的工作效率、穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)驗(yàn)測試還可以對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行測試，如系統(tǒng)在負(fù)載突變時的壓力和流量變化情況，以及執(zhí)行元件的響應(yīng)速度等。數(shù)值模擬則利用專業(yè)的仿真軟件，如AMESim、MATLAB/Simulink等，建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)測和分析。通過設(shè)置不同的工況和參數(shù)，模擬系統(tǒng)在各種情況下的運(yùn)行情況，得到系統(tǒng)的性能曲線和數(shù)據(jù)。在仿真模型中改變煤巖硬度、截割頭的運(yùn)動速度等參數(shù)，觀察系統(tǒng)壓力、流量的變化情況，評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。數(shù)值模擬可以快速、全面地分析系統(tǒng)性能，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，同時也可以減少實(shí)驗(yàn)成本和時間。理論分析基于液壓傳動原理和相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)性能進(jìn)行計算和推導(dǎo)。通過分析液壓泵的輸出特性、液壓閥的控制特性以及執(zhí)行元件的受力情況等，計算系統(tǒng)的壓力、流量、功率等參數(shù)，評估系統(tǒng)的性能。根據(jù)液壓泵的排量、轉(zhuǎn)速和效率，計算系統(tǒng)的輸出流量和功率；根據(jù)截割力和油缸的參數(shù)，計算系統(tǒng)所需的壓力等。理論分析可以為實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)，幫助深入理解系統(tǒng)的工作原理和性能特點(diǎn)。5.2系統(tǒng)動態(tài)特性分析5.2.1響應(yīng)時間分析響應(yīng)時間是衡量懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)快速性的重要指標(biāo)，它直接影響著截割作業(yè)的效率和質(zhì)量。在不同工況下，液壓系統(tǒng)的響應(yīng)時間存在差異，這主要取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制策略以及負(fù)載特性等因素。在空載工況下，系統(tǒng)的響應(yīng)時間較短。當(dāng)操作人員發(fā)出截割頭升降或回轉(zhuǎn)的指令時，液壓泵能夠迅速輸出相應(yīng)的流量和壓力，驅(qū)動執(zhí)行元件動作。以截割頭升降動作為例，從發(fā)出指令到截割頭開始運(yùn)動的時間通常在0.1-0.2s之間。這是因?yàn)榭蛰d時系統(tǒng)負(fù)載較小，液壓油的流動阻力小，液壓泵能夠快速建立起足夠的壓力，推動油缸活塞運(yùn)動，使截割頭迅速響應(yīng)指令。然而，在滿載工況下，系統(tǒng)的響應(yīng)時間會明顯增加。當(dāng)截割頭遇到堅硬的煤巖時，負(fù)載大幅增加，液壓系統(tǒng)需要克服更大的阻力來驅(qū)動執(zhí)行元件。此時，液壓泵需要輸出更高的壓力和流量，以滿足截割作業(yè)的需求。由于液壓泵的響應(yīng)速度有限，以及系統(tǒng)中管路和液壓元件的壓力損失，從發(fā)出指令到截割頭開始運(yùn)動的時間可能會延長到0.3-0.5s。在截割頭升降過程中，由于負(fù)載的變化，液壓系統(tǒng)需要不斷調(diào)整壓力和流量，這也會導(dǎo)致響應(yīng)時間的波動。在負(fù)載突變工況下，系統(tǒng)的響應(yīng)時間對截割作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性具有重要影響。當(dāng)截割頭突然遇到夾矸或斷層等地質(zhì)構(gòu)造時，負(fù)載會瞬間大幅增加。此時，液壓系統(tǒng)需要迅速做出響應(yīng)，調(diào)整壓力和流量，以保證截割頭的穩(wěn)定運(yùn)行。如果系統(tǒng)的響應(yīng)時間過長，截割頭可能會因受力不均而產(chǎn)生劇烈振動，甚至導(dǎo)致截齒損壞、截割頭變形等問題。在負(fù)載突變工況下，系統(tǒng)的響應(yīng)時間應(yīng)盡可能短，一般要求在0.2s以內(nèi)，以確保截割作業(yè)的安全和穩(wěn)定。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，可采取多種措施。優(yōu)化液壓泵的控制策略，采用先進(jìn)的電液比例控制或伺服控制技術(shù)，提高液壓泵對指令的響應(yīng)速度；減少系統(tǒng)中的管路長度和彎曲度，降低液壓油的流動阻力，提高油液的傳輸速度；合理選擇液壓元件，確保其具有良好的動態(tài)性能和響應(yīng)特性。通過這些措施的綜合應(yīng)用，可以有效縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提高截割部液壓系統(tǒng)的快速性和可靠性。5.2.2壓力波動分析壓力波動是懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)在工作過程中常見的現(xiàn)象，它會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響截割作業(yè)的質(zhì)量和效率。壓力波動主要源于液壓泵的輸出特性、負(fù)載的變化以及系統(tǒng)管路的特性等因素。液壓泵在工作時，由于其工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，輸出的壓力并非完全恒定，而是存在一定的波動。斜盤式軸向變量柱塞泵在柱塞往復(fù)運(yùn)動過程中，會產(chǎn)生流量脈動，從而導(dǎo)致壓力波動。這種壓力波動的頻率與泵的轉(zhuǎn)速和柱塞數(shù)量有關(guān)，一般在幾十赫茲到幾百赫茲之間。在懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)中，當(dāng)液壓泵的輸出壓力波動傳遞到系統(tǒng)中時，會引起系統(tǒng)壓力的不穩(wěn)定，影響截割部各執(zhí)行元件的動作平穩(wěn)性。負(fù)載的變化是導(dǎo)致壓力波動的另一個重要因素。在截割作業(yè)過程中，截割頭所遇到的煤巖硬度和性質(zhì)不斷變化，這使得負(fù)載呈現(xiàn)出復(fù)雜的波動特性。當(dāng)截割頭從軟煤進(jìn)入硬巖時，負(fù)載會突然增大，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力迅速上升；而當(dāng)截割頭通過硬巖區(qū)域進(jìn)入軟煤時，負(fù)載減小，系統(tǒng)壓力又會迅速下降。這種負(fù)載的劇烈變化會引起系統(tǒng)壓力的大幅波動，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。負(fù)載的變化還可