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(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

引言

煤礦井下巷道的支護(hù)方式中如采用錨噴、錨噴網(wǎng)或純噴射混凝土等，都需要對(duì)巷道巖石表面噴射混凝土，混凝土凝結(jié)硬化后起到支護(hù)作用。錨噴網(wǎng)支護(hù)工藝流程中最重要的一步是使用噴漿機(jī)噴射混凝土。混凝土是按一定比例將水泥、沙子、石子攪拌在一起，攪拌均勻后，運(yùn)送到噴漿機(jī)料斗。

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)煤礦巷道錨噴網(wǎng)支護(hù)所使用的混凝土料均采用人工攪拌，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、攪拌不充分不均勻，容易造成漿皮開(kāi)裂、脫落，給施工帶來(lái)安全隱患[1]；同時(shí)，攪拌過(guò)程中粉塵飛揚(yáng)，嚴(yán)重危害工人健康，嚴(yán)重影響混凝土的強(qiáng)度，回彈率較大，直接影響噴漿工藝和巷道支護(hù)的質(zhì)量。由于煤礦井下空間狹小，不適合較大的配料攪拌設(shè)備安裝及常規(guī)的混凝土運(yùn)輸罐車(chē)通行，加之混凝土運(yùn)輸距離長(zhǎng)，用量相對(duì)較小等其他不利條件，混凝土的攪拌運(yùn)輸是制約噴漿技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用的關(guān)鍵[2]。

為了解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種小型機(jī)械化噴漿料攪拌裝置，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，保證噴漿支護(hù)質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)噴漿攪拌過(guò)程的自動(dòng)化。

1 主要結(jié)構(gòu)

噴漿料攪拌裝置主要由攪拌裝置、礦車(chē)牽引裝置和液壓泵站三部分組成。如圖1所示，攪拌裝置是由底板、立柱、水平架、液壓馬達(dá)和螺旋攪拌頭組成。

1.底板 2.外方鋼 3.水平架 4.進(jìn)給油缸 5.油缸固定板6.低速大扭矩馬達(dá) 7.聯(lián)軸器軸承座 8.攪拌螺旋9.內(nèi)方鋼 10.升降油缸圖1 噴漿料攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

立柱由內(nèi)外方鋼構(gòu)成，通過(guò)底板由地腳螺栓固定在水泥地基上，內(nèi)方鋼焊接在底板上，用筋板加強(qiáng)。如圖2立柱剖視圖所示，升降液壓缸安裝在內(nèi)方鋼中，內(nèi)方鋼上留有油管出口，外方鋼上開(kāi)有相應(yīng)小槽，保證油管能上下自由移動(dòng)。連接角鋼與外方鋼焊接在一起，通過(guò)螺栓與水平架相連，便于拆缷。油缸底座通過(guò)法蘭與立柱底板相連，活塞桿耳環(huán)通過(guò)銷(xiāo)釘與外方鋼聯(lián)結(jié)，內(nèi)外方鋼通過(guò)間隙配合連接在一起，保證外方鋼能隨液壓缸的升降而自由移動(dòng)；水平架頂板上安裝有低速大扭矩馬達(dá)，底板與軸承座聯(lián)接，馬達(dá)通過(guò)聯(lián)軸器和螺旋攪拌頭聯(lián)接。攪拌頭采用雙螺旋結(jié)構(gòu)，底部包絡(luò)面按照礦車(chē)內(nèi)底部寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保螺旋運(yùn)動(dòng)到任何位置都不與礦車(chē)發(fā)生干涉；螺旋面上開(kāi)有漏料孔，利于噴漿料充分混合。礦車(chē)牽引裝置，由連接塊、牽引油缸和卡軌組成，連接塊固定在礦車(chē)的碰頭上，礦車(chē)通過(guò)連接塊與鉸接在卡軌裝置上的牽引缸用銷(xiāo)釘聯(lián)接。

1.外方鋼 2.內(nèi)方鋼 3.升降油缸 4.連接銷(xiāo)釘 5.油缸耳環(huán) 6.連接角鋼圖2 立柱剖面圖

2 工作原理

當(dāng)載有水泥、砂子和石子噴漿料的礦車(chē)運(yùn)行到攪拌螺旋下時(shí)，快速連接塊用插銷(xiāo)將礦車(chē)與牽引油缸連接，牽引油缸底部鉸接在卡軌裝置上，卡軌裝置卡在軌道上。圖1中兩立柱中的升降油缸下降，同時(shí)低速大扭矩馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)螺旋旋轉(zhuǎn)，開(kāi)始攪拌。攪拌頭工作路徑如圖3所示，牽引油缸伸縮，推動(dòng)礦車(chē)前后移動(dòng)；進(jìn)給油缸伸縮，實(shí)現(xiàn)攪拌頭左右移動(dòng)，這樣前后左右循環(huán)往復(fù)，使礦車(chē)中的混合料充分?jǐn)嚢琛嚢杞Y(jié)束后，進(jìn)給油缸和牽引油缸縮回，低速大扭矩馬達(dá)反轉(zhuǎn)，同時(shí)升降油缸伸出，螺旋升起，拔出插銷(xiāo)，礦車(chē)移出，噴漿料攪拌完成。

圖3 攪拌頭工作路徑

3 螺旋功率確定

根據(jù)垂直式螺旋輸送機(jī)的工作原理，估算出攪拌螺旋的輸送量[3]，進(jìn)而算出負(fù)載轉(zhuǎn)矩，為驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的選取提供依據(jù)。

(1) 輸送能力的計(jì)算

Q=φvzAρ

(1)

式中：Q—— 輸送量

φ—— 填充系數(shù)，取0.6[3]

ρ—— 混合料密度，由配比計(jì)算ρ=1.382 t/m3

vz—— 物料的平均提升速度，0.32 m/s

A—— 螺旋斷面面積，設(shè)一個(gè)斷面取2個(gè)漏料孔，孔徑為φ60，則：

代入計(jì)算得：

Q=φvzAρ≈219.6 t/h

(2) 軸功率及負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

(2)

式中：P0—— 軸功率

H—— 輸送高度，由螺旋知為600 mm

η—— 螺旋輸送效率，取0.1[3]

根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

(3)

式中，n為螺旋轉(zhuǎn)速，取30 r/min；

計(jì)算得T0=571 N·m。

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與元件選型

4.1 液壓系統(tǒng)

攪拌裝置液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示，設(shè)定系統(tǒng)壓力為10 MPa，該系統(tǒng)由電機(jī)、雙聯(lián)齒輪泵、電磁換向閥、液壓缸和液壓馬達(dá)等構(gòu)成。系統(tǒng)采用雙聯(lián)齒輪泵供油，大排量泵用于低速大扭矩馬達(dá)的供油，小排量泵用于油缸的供油。采用煤礦井下專(zhuān)用隔爆型電機(jī)，滿(mǎn)足防爆要求?？刂崎y采用三位四通電磁換向閥，以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。對(duì)每個(gè)回路均采用雙單向節(jié)流閥進(jìn)行出油節(jié)流調(diào)速，使回油側(cè)產(chǎn)生背壓以抗拒負(fù)載的變化。采用液壓鎖鎖緊同步油缸，防止油缸在靜止后受外力干擾突然竄動(dòng)。

1.油箱 2.溢流閥 3.電動(dòng)機(jī) 4.雙聯(lián)泵 5.壓力表 6.低速大扭矩馬達(dá) 7.電磁換向閥 8. 升降油缸 9.雙單向節(jié)流閥 10.液控單向閥 11.牽引油缸 12.進(jìn)給油缸圖4 攪拌裝置液壓系統(tǒng)原理圖

4.2 主要元件選型

(1) 液壓馬達(dá)的選型

攪拌過(guò)程需要較大的扭矩和較低的轉(zhuǎn)速，所以選用可承受徑向和軸向外力的QJM系列低速大扭矩馬達(dá)。由手冊(cè)[4]知排量qm=0.496 mL/r，取Δpm=10 MPa，機(jī)械效率ηmm=0.97，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩:

(4)

算得：Tm=766 N·m

因?yàn)門(mén)m>T0，即馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，故滿(mǎn)足要求。

(2) 液壓泵的選型

初選雙聯(lián)泵。由樣本知，排量q1=50 mL/r，q2=10 mL/r，泵流量Q=Q1+Q2；

其中，Q1=q1np=73.0 L/min

Q2=q2np=14.6 L/min

故Q=Q1+Q2=87.6 L/min

則馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速：

滿(mǎn)足要求。

(3) 液壓缸的選型

升降缸可根據(jù)攪拌裝置螺旋升降行程需要及立柱方鋼尺寸規(guī)格，初選行程為1000 mm，缸內(nèi)徑為φ63的液壓油缸。

由工作壓力確定速比φ=1.33，活塞桿直徑d=0.5D=31.5 mm，由此求出無(wú)桿腔與有桿腔的面積，通過(guò)面積驗(yàn)算缸的舉升推力。

無(wú)桿腔面積為：

算得:A1=3.116×10-3m2

有桿腔面積為：

算得:A2=2.343×10-3m2

因A1v1=A2v2

式中：ηpv—— 容積效率，取0.95

故最大舉升速度：

算得:v1=0.037 m/s

驗(yàn)算液壓缸推拉力能否滿(mǎn)足需要，可以根據(jù)公式：

F1=(p1A1-p2A2)η

其中，油缸效率η取0.98，考慮到壓力損失，取p1=9 MPa，p2=0.4 MPa。

上升時(shí)推力:F1=26.56 kN

下降時(shí)油缸拉力：

F2=(p2A2-p1A1)η

計(jì)算得:F2=19.44 kN

能滿(mǎn)足負(fù)載要求。

進(jìn)給缸和牽引缸參照升降缸選取，根據(jù)行程要求，均選取行程為500 mm，缸徑為φ63的油缸。

(4) 確定電機(jī)功率

泵的驅(qū)動(dòng)功率P按下式計(jì)算：

(5)

式中:p—— 泵的工作壓力，MPa

q—— 泵的排量，mL/r

n—— 電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

當(dāng)按9 MPa系統(tǒng)壓力時(shí)，

因此，選電機(jī)功率15 kW可滿(mǎn)足要求。

5 疊加閥塊設(shè)計(jì)

閥塊采用疊加閥式集成設(shè)計(jì)，使整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，可以減少管路連接和壓力損失、配置靈活、安裝維護(hù)方便。對(duì)液壓系統(tǒng)原理圖的雙點(diǎn)劃線(xiàn)部分進(jìn)行集成，選用四聯(lián)疊加閥塊，將兩個(gè)獨(dú)立的回路集成到一個(gè)閥塊上，馬達(dá)回路使用一聯(lián)，油缸回路使用三聯(lián)，回路之間不相通。閥在閥塊上的位置關(guān)系如圖5所示。從上至下依次對(duì)電磁換向閥和雙單向節(jié)流閥疊加在閥塊上。其中升降油缸回路還要在電磁換向閥和雙單向節(jié)流閥之間疊加液控?fù)Q向閥。還要將溢流閥和壓力表接在閥塊上集成。閥塊的三維結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖5 疊加閥的位置布置圖

6 液壓泵站

液壓泵站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示，由液壓泵組、油箱組件、過(guò)濾器組件和液壓閥組構(gòu)成。系統(tǒng)壓力初選為10 MPa，考慮到外部空間和散熱，油箱容積取800 L。采用上置立式安裝方式，液壓泵置于油箱內(nèi)，降低吸油高度，便于收集漏油。閥組和濾油器等均安裝在油箱蓋上。油箱內(nèi)設(shè)置隔板，設(shè)有放油塞，底部?jī)A斜坡度為1/20[5]。泵站可以在巷道內(nèi)軌道上移動(dòng)，工作時(shí)置于一側(cè)，通過(guò)膠管與液壓泵組裝置相連接。

圖6 疊加閥塊

圖7 液壓泵站

7 結(jié)論

本研究闡明了噴漿料攪拌裝置主要結(jié)構(gòu)及其工作原理，設(shè)計(jì)該裝置的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)液壓控制回路進(jìn)行疊加閥塊設(shè)計(jì)。該裝置具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，可用于煤礦井下噴漿料攪拌作業(yè)，也適用于地面其它攪拌作業(yè)，具有較大的推廣價(jià)值。

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