馬艷衛(wèi)
(山西天地煤機(jī)裝備有限公司,山西 太原030006)
近幾年來(lái)隨著煤層的開(kāi)采高度越來(lái)越高,煤礦井下使用的液壓支架的噸位也越來(lái)越大,已知現(xiàn)用的液壓支架重達(dá)100 t,運(yùn)輸支架的車輛自身約重50 t,這種超大噸位的車輛在井下行駛,對(duì)井下混凝土路面的要求更為苛刻。只有通過(guò)煤礦用防爆攪拌車將地面攪拌站生產(chǎn)的高質(zhì)量混凝土在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)運(yùn)送到巷道施工地點(diǎn),在運(yùn)輸過(guò)程中要保證混凝土不能提前凝固或有離析情況。這就要求混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中一直處于攪拌狀態(tài),防爆攪拌車的料罐必須一直按合適的速度做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),然而未凝固的混凝土具有流動(dòng)的特性,在料罐內(nèi)攪拌時(shí),必然會(huì)導(dǎo)致料罐的重心位置一直在變化,對(duì)防爆攪拌車的安全行駛造成了一定的影響[1]。
由于煤礦井下的巷道尺寸在巷道掘進(jìn)時(shí)已經(jīng)固定(要求車輛高度小于3 000 mm),工程上使用的混凝土攪拌車高度一般為3 600 mm 左右,不滿足井下的使用要求。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的要求,對(duì)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了防爆設(shè)計(jì),同時(shí)降低車輛的底盤,減小料罐的斜度,使車輛的整體高度為2600 mm,滿足井下巷道的使用要求。料罐的驅(qū)動(dòng)為靜液壓閉式驅(qū)動(dòng),由于井下對(duì)電氣元件的使用有著嚴(yán)格的防爆要求,在設(shè)計(jì)料罐的控制方式時(shí),無(wú)法使用公路用混凝土攪拌車的電控泵系統(tǒng);而公路用混凝土攪拌車液壓控制料罐的系統(tǒng),多為與定量泵匹配的調(diào)速系統(tǒng),此調(diào)速方式既有能量損失同時(shí)也會(huì)使液壓系統(tǒng)發(fā)熱。根據(jù)閉式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn),采用了液壓先導(dǎo)控制料罐旋轉(zhuǎn)速度[2-4]。料罐驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)原理圖如圖1。
油箱中的油液經(jīng)吸油過(guò)濾器過(guò)濾后,到達(dá)閉式驅(qū)動(dòng)泵的吸油口,高壓油液通過(guò)閉式驅(qū)動(dòng)泵的工作油口W1、W2 到達(dá)馬達(dá)的M1、M2 口,驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。閉式驅(qū)動(dòng)泵內(nèi)置有補(bǔ)油泵,由其提供壓力油源經(jīng)過(guò)控制手柄后,控制閉式驅(qū)動(dòng)泵的斜盤擺角改變,達(dá)到控制料罐正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。
料罐的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)時(shí),參照工程用混凝土攪拌車的標(biāo)準(zhǔn),在運(yùn)輸過(guò)程中料罐以2~3 r/min 的速度進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn),到達(dá)卸料點(diǎn)后,料罐的旋轉(zhuǎn)速度需要提高到14~16 r/min,經(jīng)過(guò)高速攪拌2 min 左右,使混凝土均勻混合后,通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)泵使料罐再以14~16 r/min 的速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),卸出料罐中的混凝土。料罐的旋轉(zhuǎn)速度在高低2 個(gè)速度之間頻繁變換,控制手柄采用了摩擦定位的方式,改變手柄角度就可以控制料罐的旋轉(zhuǎn)速度[4]。
防爆攪拌車在實(shí)際使用中,駕駛員反映車輛的操控性不好,尤其是在井下巷道小角度急彎處,車輛側(cè)傾角增大,導(dǎo)致車輛穩(wěn)定性較差。但在廠區(qū)進(jìn)行測(cè)試時(shí),未出現(xiàn)類似的情況。通過(guò)跟車觀察駕駛?cè)藛T的操作,發(fā)現(xiàn)在車輛的行駛過(guò)程中,控制手柄原為小角度低速控制料罐的旋轉(zhuǎn)速度,但是駕駛員會(huì)在無(wú)意中將控制手柄推到最大位置處,閉式泵斜盤處于最大位置處,原本低速旋轉(zhuǎn)的料罐變?yōu)榱烁咚傩D(zhuǎn)。行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高,攪拌車的料罐旋轉(zhuǎn)速度也相應(yīng)的增加,料罐內(nèi)的混凝土離心力增大,加劇了車輛的不穩(wěn)定性,使駕駛?cè)藛T有車輛側(cè)翻的感覺(jué),這在混凝土運(yùn)輸過(guò)程中是十分危險(xiǎn)的,必須從根源上杜絕這種情況。要求設(shè)計(jì)人員改進(jìn)料罐的液壓控制系統(tǒng),即使在駕駛?cè)藛T誤操作時(shí),也不能出現(xiàn)車輛行駛中,料罐高速旋轉(zhuǎn)的情況。
煤礦用防爆攪拌車驅(qū)動(dòng)料罐的傳動(dòng)路線如下:發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液力變矩器、閉式泵和料罐驅(qū)動(dòng)馬達(dá),經(jīng)減速器減速后驅(qū)動(dòng)料罐。發(fā)動(dòng)機(jī)與料罐之間通過(guò)液力機(jī)械傳動(dòng),閉式泵與料罐馬達(dá)之間是液壓傳動(dòng)。
原車設(shè)計(jì)時(shí),通過(guò)控制手柄的角度變化,控制驅(qū)動(dòng)閉式泵的排量,達(dá)到改變料罐轉(zhuǎn)速的目的。原車選用的REXROTH 廠家的閉式泵工作原理如圖2。
閉式泵的排量變化是由控制壓力和位置反饋共同作用決定的,即控制壓力與變量活塞缸位移產(chǎn)生的力平衡。當(dāng)Y1口有控制油壓信號(hào)時(shí),控制變量比例閥向右移動(dòng),此時(shí)閉式泵G 口的補(bǔ)油泵油液經(jīng)過(guò)控制變量比例閥到達(dá)變量活塞缸的Z1腔,變量活塞缸向右移動(dòng),同時(shí)帶動(dòng)變量斜盤的傾角變大,使位置反饋連接桿繞其支撐點(diǎn)旋轉(zhuǎn),對(duì)變量控制比例閥有向左的作用力。即:
式中:ps為補(bǔ)油泵壓力;A1為變量活塞缸活塞面積;K1、K2為變量活塞缸回位彈簧剛度;S1為變量活塞缸活塞位移;F 為連桿桿支撐力。
位置反饋連接桿通過(guò)支撐點(diǎn)對(duì)控制變量比例閥的閥芯產(chǎn)生向左復(fù)位力,使閥芯克服Y1口油壓力的作用,最終使閥芯復(fù)位,閉式泵G 口的補(bǔ)油泵高壓油被阻斷,變量活塞缸帶動(dòng)閉式泵的變量斜盤行程一定的傾角并保持,閉式泵按所需排量恒定的將油液供給執(zhí)行元件。
式中:pc為控制壓力;A 為變量控制比例控制腔面積;Kv1、Kv2為變量控制比例閥復(fù)位彈簧剛度;S2為變量控制比例閥閥芯位移;θ 為連桿桿傾斜角度。
當(dāng)控制變量比例閥的閥芯復(fù)位后,控制變量比例閥在控制壓力的作用下與位置反饋連接桿繞支撐點(diǎn)產(chǎn)生的力相平衡,上述公式可簡(jiǎn)化為:
通過(guò)計(jì)算可知REXROTH 廠家的閉式泵可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制變量比例閥的Y1、Y2控制壓力,使變量活塞缸運(yùn)動(dòng)到與控制壓力相匹配的位置,由位置反饋連接桿在驅(qū)動(dòng)閉式泵的變量斜盤傾角的同時(shí),將位置反饋連接桿的另一端推動(dòng)控制變量比例閥回位,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)閉式泵的排量隨控制壓力的變化而變化。
根據(jù)防爆攪拌車在實(shí)際運(yùn)行時(shí),料罐的旋轉(zhuǎn)速度基本都在2~3 r/min 和14~16 r/min 這2 個(gè)速度段工作的特點(diǎn),直接采用傳統(tǒng)的節(jié)流控制來(lái)調(diào)整料罐的轉(zhuǎn)速,必然會(huì)引起液壓系統(tǒng)過(guò)熱,必須加大液壓油散熱器。而煤礦井下攪拌車整車尺寸較小,結(jié)構(gòu)緊湊,任何結(jié)構(gòu)的調(diào)整都需要更換機(jī)架,且成本高?;谏鲜鲩]式泵的工作原理,結(jié)合實(shí)際工況,可通過(guò)改變控制壓力,調(diào)整驅(qū)動(dòng)閉式泵斜盤傾角,達(dá)到控制閉式泵排量的目的。由于料罐的旋轉(zhuǎn)速度僅需要2 個(gè)速度,可以在控制手柄的進(jìn)油口之前,將流進(jìn)控制手柄的壓力油控制到設(shè)定的壓力值,改變斜盤的傾角,使驅(qū)動(dòng)閉式泵的流量滿足料罐高低轉(zhuǎn)速的需要[6]。改進(jìn)后的料罐驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)原理圖如圖3。
圖3 改進(jìn)后的料罐驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of the improved drive hydraulic system for material tank
改進(jìn)后的料罐驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)在原有的基礎(chǔ)上增加了換向閥、壓力控制閥、梭閥及單向閥,駕駛員可以操作換向閥選擇料罐的旋轉(zhuǎn)速度。換向閥不操作時(shí),補(bǔ)油泵提供的壓力油經(jīng)換向閥進(jìn)入到壓力設(shè)定值低的壓力控制閥Ⅰ,再經(jīng)過(guò)控制梭閥、控制手柄進(jìn)入到閉式驅(qū)動(dòng)泵的變量油缸內(nèi),使斜盤角度發(fā)生改變,此時(shí)閉式驅(qū)動(dòng)泵的流量剛好驅(qū)動(dòng)料罐在低速狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)。換向閥操作換向時(shí),補(bǔ)油泵提供的壓力油經(jīng)換向閥進(jìn)入到壓力設(shè)定值高的壓力控制閥Ⅱ,再經(jīng)過(guò)控制梭閥、控制手柄進(jìn)入到閉式驅(qū)動(dòng)泵的變量油缸內(nèi),使斜盤角度變?yōu)樽畲?,此時(shí)閉式驅(qū)動(dòng)泵的全流量工作,驅(qū)動(dòng)料罐在高速狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)。
由于在換向閥切換時(shí),壓力控制閥不能將原有的控制油液泄回油箱,導(dǎo)致小壓力的信號(hào)不能及時(shí)的傳遞到閉式驅(qū)動(dòng)泵的變量油缸內(nèi),因此增加了單向閥Ⅰ、單向閥Ⅱ使殘余控制信號(hào)能夠及時(shí)泄壓。
換向閥在選型時(shí)采用了手動(dòng)和液控2 種控制方式,由變速箱的傳動(dòng)壓力油控制液控?fù)Q向,當(dāng)車輛換擋行走時(shí),傳動(dòng)油壓力升高,將換向閥換向,使料罐自動(dòng)處于低速狀態(tài);當(dāng)車輛換為空擋,傳動(dòng)油壓力變?yōu)?,手動(dòng)換向閥操作換向,使料罐處于高速狀態(tài)。避免了人為失誤,造成車輛行駛時(shí),料罐處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài),提高了車輛行駛的安全性[7-8]。
原有液壓元件的參數(shù)如下:①防爆發(fā)動(dòng)機(jī):怠速650 r/min,最高轉(zhuǎn)速2 200 r/min;②變矩器:減速比1.06;③閉式驅(qū)動(dòng)泵:排量55 mL/r,工作壓力21 MPa;④料罐驅(qū)動(dòng)馬達(dá):排量75 mL/r,工作壓力25 MPa;⑤減速器:減速比109。閉式驅(qū)動(dòng)泵控制壓力與排量對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4。
圖4 閉式驅(qū)動(dòng)泵控制壓力與排量對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.4 Relation diagram of control pressure and displacement of closed drive pump
由圖4 可以看出在控制壓力為0.6 MPa 時(shí),斜盤擺角開(kāi)始變化,泵的排量逐漸增大,當(dāng)控制壓力為5 MPa 時(shí),斜盤角度變?yōu)樽畲?,此時(shí)泵全排量輸出。負(fù)坐標(biāo)表示泵變量機(jī)構(gòu)的另一端有控制信號(hào),使泵的輸出口改變,實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。
當(dāng)料罐在低旋轉(zhuǎn)速度,即3 r/min,這時(shí)料罐驅(qū)動(dòng)馬達(dá)需要的流量為:
式中:Qm1為料罐驅(qū)動(dòng)馬達(dá)低轉(zhuǎn)速時(shí)所需流量;n1為料罐低速旋轉(zhuǎn)速度;r1為減速器的減速度比;Vm為料罐驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的排量;ηv為料罐驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的容積效率。
此時(shí)驅(qū)動(dòng)閉式泵的排量為:
式中:qp為閉式驅(qū)動(dòng)泵的排量;ne為防爆發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;r2為變矩器的減速比。
式中:Qp為閉式驅(qū)動(dòng)泵的流量。
將液壓元件的參數(shù)的參數(shù)代入式(4)、式(5),可以計(jì)算出料罐在低轉(zhuǎn)速時(shí),閉式驅(qū)動(dòng)泵的排量為11.2 mL/r,對(duì)應(yīng)泵的控制壓力為1.4 MPa,此壓力為壓力控制閥Ⅰ的設(shè)定值。防爆發(fā)動(dòng)機(jī)全油門時(shí),由式(6)計(jì)算出閉式驅(qū)動(dòng)泵的流量為26.12 L/min。
在防爆發(fā)動(dòng)機(jī)全油門驅(qū)動(dòng),閉式驅(qū)動(dòng)泵最大排量的條件下,校核料罐的轉(zhuǎn)速為:
式中:r3為料罐的最大轉(zhuǎn)速;qmax為閉式驅(qū)動(dòng)泵的最大排量;η 為綜合容積效率。
將相關(guān)參數(shù)代入式(7),計(jì)算出料罐的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為14 r/min,符合混凝土卸料時(shí)14~16 r/min 的轉(zhuǎn)速要求,此時(shí)需要將壓力控制閥Ⅱ的控制壓力設(shè)定為5 MPa,閉式驅(qū)動(dòng)泵的排量達(dá)到100%。由式(6)計(jì)算出閉式驅(qū)動(dòng)泵的流量為128.26 /min[9-10]。
結(jié)合煤礦井下使用的防爆攪拌車的實(shí)際工況,提出了調(diào)節(jié)閉式泵控制壓力實(shí)現(xiàn)控制攪拌車料罐轉(zhuǎn)速的策略,通過(guò)對(duì)閉式泵的工作原理分析和試驗(yàn)測(cè)試可以得出,調(diào)節(jié)閉式泵控制壓力能夠改變閉式驅(qū)動(dòng)泵的排量,并與車輛的換擋機(jī)構(gòu)相互關(guān)聯(lián),確保車輛行駛時(shí),料罐低速旋轉(zhuǎn)。避免了料罐在車輛行駛中旋轉(zhuǎn)速度過(guò)快,造成防爆攪拌車在行駛時(shí)因料罐中的混凝土重心變化,使車輛的穩(wěn)定性下降,易引發(fā)車輛失控或翻車等安全事故。