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]。

1 防爆攪拌車料罐系統(tǒng)

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]。

2 存在問(wèn)題及原因分析

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。

3 料罐轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 方案分析

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]。

3.2 理論分析

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]。

4 結(jié) 語(yǔ)

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。