李永星

（中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司液壓研究設(shè)計院，湖南 長沙410100）

0 引言

煤礦是我國重要能源產(chǎn)業(yè)之一，在國家政策引導(dǎo)下，煤礦機(jī)械化水平不斷提高。 因此，近些年快速掘錨成套設(shè)備發(fā)展迅速。 快速掘錨成套設(shè)備包括掘錨一體機(jī)和煤礦用錨桿臺車，而機(jī)載液壓破碎機(jī)是煤礦用錨桿鉆車重要組成部分。

常見煤礦破碎機(jī)可分為三類。一是顎式破碎機(jī)；二是輥式破碎機(jī)；三是沖擊式破碎機(jī)。顎式破碎機(jī)通過可動顎板和固定顎板之間的擠壓實(shí)現(xiàn)煤炭破碎作業(yè)；輥式破碎機(jī)通過兩個相對回轉(zhuǎn)輥?zhàn)訉?shí)現(xiàn)煤炭破碎作業(yè)；沖擊式破碎機(jī)通過轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)子上的截齒對煤炭進(jìn)行沖擊而實(shí)現(xiàn)破碎作業(yè)[1]。 錨桿臺車上機(jī)載液壓破碎機(jī)就屬于沖擊式破碎機(jī)。

目前， 針對機(jī)載液壓式破碎機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)較少，已有文獻(xiàn)也都是針對結(jié)構(gòu)上研究。 還未有液壓破碎機(jī)液壓系統(tǒng)和工況數(shù)據(jù)研究。當(dāng)煤的硬度f ≥2 或夾矸時，煤塊不易破碎，對運(yùn)輸系統(tǒng)產(chǎn)生碰、撞、砸等形式的破壞，為井下安全運(yùn)輸帶來困難，所以需要將采下來的煤礦就地破碎；煤礦井下破碎機(jī)都是利用電機(jī)驅(qū)動， 存在安裝空間大、帶載啟動困難和需要煤安認(rèn)證等問題；受安裝空間、帶載啟動和煤安認(rèn)證等因素影響，暫時沒有與掘錨一體機(jī)相匹配的電驅(qū)破碎機(jī)。 因此，在煤礦設(shè)備迅速發(fā)展和日益追求精益的今天，應(yīng)重視機(jī)載液壓破碎機(jī)液壓系統(tǒng)性能參數(shù)而深入研究。

1 液壓破碎機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 是某型號煤礦用錨桿臺車機(jī)載液壓破碎機(jī)三維模型，其結(jié)構(gòu)由接料斗1、液壓馬達(dá)2、減速機(jī)3、支撐裝置4、驅(qū)動軸5 和破碎截齒6 等組成，其中后驅(qū)動軸兩圈截齒正好對應(yīng)前驅(qū)動軸三圈截齒相隔的間隙。當(dāng)掘錨一體機(jī)刮板運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)料至煤礦用錨桿臺車液壓破碎機(jī)接料斗時，液壓馬達(dá)驅(qū)動減速機(jī)帶動驅(qū)動軸相向高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動軸帶動破碎截齒對大塊煤炭進(jìn)行沖擊破碎，實(shí)現(xiàn)破碎作業(yè)。

圖1 機(jī)載液壓破碎機(jī)三維模型

2 液壓破碎機(jī)控制系統(tǒng)組成及工作原理

圖2 是錨桿臺車機(jī)載液壓破碎機(jī)控制系統(tǒng)原理圖，它由油源、多路閥和液壓馬達(dá)組成。

圖2 液壓破碎機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

機(jī)載液壓破碎機(jī)油源是由煤礦用錨桿臺車液壓泵站提供。 其控制系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)多路閥手柄第一聯(lián)接收到控制信號后換向至上位工作，油源高壓油經(jīng)多路閥第一聯(lián)上位到后驅(qū)動軸液壓馬達(dá)A 口， 后驅(qū)動軸馬達(dá)B 口油液經(jīng)多路閥第一聯(lián)上位流回油箱，液壓馬達(dá)經(jīng)減速機(jī)驅(qū)動后軸帶動破碎截齒順時針高速旋轉(zhuǎn)；與此同時多路閥第二聯(lián)也會接收到相同電信號后換向至上位工作，油源高壓油經(jīng)多路第二聯(lián)上位到前驅(qū)動軸液壓馬達(dá)B 口， 馬達(dá)A 口油液經(jīng)多路閥第二聯(lián)上位流回油箱，液壓馬達(dá)經(jīng)減速機(jī)驅(qū)動前軸帶動破碎截齒逆時針高速旋轉(zhuǎn)。

3 液壓破碎機(jī)工況測試數(shù)據(jù)分析

針對我公司自主研制液壓破碎機(jī)液壓馬達(dá)損壞問題，在某礦進(jìn)行實(shí)際工況數(shù)據(jù)采集，所用測試設(shè)備是HYDAC 便攜式數(shù)據(jù)采集儀，利用壓力傳感器和傳感器線將液壓馬達(dá)A、B 口與采集儀連接在一起，完成不同工況下馬達(dá)輸出參數(shù)采集工作。 結(jié)合馬達(dá)輸出參數(shù)曲線，借助壓力梯度大小衡量不同工況下對馬達(dá)使用壽命的影響。

3.1 壓力梯度

所謂壓力梯度是指液壓破碎機(jī)馬達(dá)進(jìn)口壓力曲線瞬態(tài)響應(yīng)過程中單位時間壓力變化量，可記為

T 為瞬態(tài)響應(yīng)的調(diào)整時間。

3.2 正常碎煤工況

正常碎煤工況是指全煤巷，掘錨一體機(jī)截割下來的都是碎煤。 在該工況下，利用數(shù)據(jù)采集儀采集馬達(dá)進(jìn)口和出口壓力曲線，見圖3。

圖3 的正常碎煤工況馬達(dá)進(jìn)出口壓力曲線表明，碎煤作業(yè)啟動階段存在一定程度的壓力波動，隨后進(jìn)入正常碎煤作業(yè)階段。整個作業(yè)過程，馬達(dá)進(jìn)口壓力峰值為54 bar，平均壓力為30 bar。破碎機(jī)馬達(dá)的進(jìn)口壓力較低，這是由于破碎機(jī)在低負(fù)載下進(jìn)行破碎作業(yè)。

圖3 正常碎煤工況馬達(dá)圧力曲線

3.3 正常碎煤、夾帶較大煤塊/煤矸石工況

正常碎煤、 夾帶較大煤礦/煤矸石工況是指巷道工作面是全煤層、煤層較硬/存在煤矸石層。在該工況下，利用數(shù)據(jù)采集儀采集馬達(dá)進(jìn)口和出口壓力曲線，見圖4。

圖4 的正常碎煤、 夾帶較大煤礦/煤矸石工況馬達(dá)進(jìn)出口壓力曲線表明，破碎啟動階段及正常碎煤作業(yè)曲線大致相似，不再贅述。 值得注意的是正常碎煤過程中遇到較大煤塊/煤矸石時，破碎機(jī)振動明顯，同時從曲線可以得出，馬達(dá)進(jìn)口壓力瞬間升高，壓力峰值達(dá)到243 bar。 經(jīng)過一段時間后馬達(dá)進(jìn)口壓力恢復(fù)到正常值50 bar，破碎機(jī)進(jìn)入正常碎煤作業(yè)。

圖4 正常碎煤、夾帶較大煤塊/煤矸石工況馬達(dá)壓力

較大煤礦/煤矸石落入破碎機(jī)后， 取馬達(dá)進(jìn)口壓力局部曲線，見圖5。

圖5 的較大煤塊/煤矸石落入時馬達(dá)進(jìn)口局部曲線表明，較大煤塊/煤矸石落入破碎機(jī)后，馬達(dá)進(jìn)口壓力出現(xiàn)較大波動，經(jīng)過0.218 s，馬達(dá)進(jìn)口壓力從64 bar 增加到243 bar，壓力梯度為821 bar/s。 此工況下產(chǎn)生沖擊壓力較高，且壓力波動劇烈，易對馬達(dá)造成損傷，降低使用壽命。

圖5 較大煤塊/煤矸石落入時馬達(dá)進(jìn)口局部壓力曲線

3.4 馬達(dá)卡滯工況

馬達(dá)卡滯工況是指進(jìn)行破碎作業(yè)時，破碎機(jī)馬達(dá)被較大較硬煤塊/煤矸石卡住憋死。 在該工況下，利用數(shù)據(jù)采集儀采集馬達(dá)進(jìn)口和出口壓力曲線，見圖6。

圖6 的馬達(dá)卡滯工況馬達(dá)進(jìn)出口壓力曲線表明，破碎機(jī)發(fā)生卡滯現(xiàn)象，馬達(dá)進(jìn)口壓力超過傳感器量程，馬達(dá)出口壓力為0，說明馬達(dá)發(fā)生憋壓。 當(dāng)較大較硬煤塊/煤矸石落入破碎機(jī)時，外部負(fù)載突然增加，超出馬達(dá)輸出扭矩，馬達(dá)發(fā)生卡滯。 遇到此工況，在外部沖擊載荷和馬達(dá)激增進(jìn)口壓力的雙重作用下，馬達(dá)很容易損壞。

圖6 馬達(dá)卡滯工況壓力曲線

馬達(dá)發(fā)生卡滯時， 取馬達(dá)進(jìn)口局部壓力曲線，見圖7。

圖7 的馬達(dá)卡滯時局部壓力曲線表明，馬達(dá)發(fā)生卡滯后，經(jīng)過0.074 s，進(jìn)口壓力從初始值增到超過量程。取最大壓力250 bar 進(jìn)行計算，壓力梯度為3378 bar/s。 此工況下，馬達(dá)所受沖擊壓力高、壓力梯度大、外載荷大，馬達(dá)使用壽命受到很大影響。

圖7 馬達(dá)卡滯時的馬達(dá)進(jìn)口局部壓力曲線

綜上所述，可以得出液壓破碎機(jī)驅(qū)動馬達(dá)在夾帶較大煤塊/煤矸石和被較大較硬煤塊/煤矸石卡住工況下，馬達(dá)進(jìn)口壓力梯度較高，特別是卡滯工況，大大降低馬達(dá)使用壽命。 針對這兩種工況馬達(dá)所受的影響因素，對液壓破碎機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在馬達(dá)進(jìn)油口加裝蓄能器。 并對改進(jìn)后的方案進(jìn)行實(shí)際工況數(shù)據(jù)采集。

4 控制系統(tǒng)改進(jìn)方案工況測試數(shù)據(jù)分析

4.1 正常碎煤工況（加蓄能器）

圖8 是馬達(dá)進(jìn)油口增加蓄能器后正常碎煤工況下，利用數(shù)據(jù)采集儀得到的馬達(dá)進(jìn)出口壓力曲線，表明加蓄能器后馬達(dá)進(jìn)出口壓力曲線與圖3 相比差異較小。 在進(jìn)行測試過程中，當(dāng)較大煤塊落入破碎機(jī)后，馬達(dá)進(jìn)口壓力突然升高。 然后在碎煤作業(yè)模式下，按下控制正反轉(zhuǎn)按鈕，馬達(dá)出口壓力瞬間增加，然后再切換為正轉(zhuǎn)，破碎機(jī)進(jìn)入正常碎煤作業(yè)階段。 馬達(dá)進(jìn)口壓力為38 bar，出口壓力為20 bar。

圖8 加蓄能器后正常碎煤馬達(dá)壓力曲線

4.2 正常碎煤、夾帶較大煤塊/煤矸石工況（加蓄能器）

圖9 是加蓄能器后遇到較大煤塊/煤矸石馬達(dá)工況下，利用數(shù)據(jù)采集儀得到馬達(dá)進(jìn)出口壓力曲線，表明遇到大的煤塊和煤矸石時，馬達(dá)的進(jìn)口壓力快速增加至245 bar， 經(jīng)過一段時間后馬達(dá)進(jìn)口壓力恢復(fù)到正常值45 bar，進(jìn)入正常碎煤作業(yè)。

圖9 加蓄能器后大煤塊/煤矸石時馬達(dá)壓力曲線

增加蓄能器后， 當(dāng)較大煤礦/煤矸石落入破碎機(jī)后，取馬達(dá)進(jìn)口局部壓力曲線，見圖10。

圖10， 加入蓄能器后較大煤塊/煤矸石落入時馬達(dá)進(jìn)口局部曲線表明， 較大煤礦/煤矸石落入破碎機(jī)料斗后，經(jīng)過0.599 s，馬達(dá)進(jìn)口壓力由75 bar 增加到245 bar，壓力梯度為283 bar/s。 與圖5 相比，馬達(dá)進(jìn)口壓力響應(yīng)時間增加，壓力梯度減小。

圖10 加蓄能器后較大煤塊時馬達(dá)局部壓力曲線

4.3 馬達(dá)卡滯工況（加蓄能器）

圖11，加蓄能器后馬達(dá)發(fā)生卡滯工況下，利用數(shù)據(jù)采集儀得到馬達(dá)進(jìn)出口壓力曲線，表明在破碎過程中遇到較大的煤塊/煤矸石， 馬達(dá)進(jìn)口壓力快速增加，經(jīng)破碎后，進(jìn)入正常碎煤階段。當(dāng)遇到很大的煤塊/煤矸石時，馬達(dá)發(fā)生卡滯，壓力增加到287 bar。

圖11 加蓄能器后卡滯時馬達(dá)壓力曲線

增加蓄能器后，當(dāng)馬達(dá)發(fā)生卡滯時，取馬達(dá)進(jìn)口局部壓力曲線，見圖12。

圖12， 加蓄能器后馬達(dá)發(fā)生卡滯的局部圧力曲線表明，經(jīng)過0.81 s，馬達(dá)進(jìn)口壓力由32 bar增至287 bar，壓力梯度為315 bar/s。與圖7 相比，馬達(dá)進(jìn)口壓力響應(yīng)時間增加， 壓力梯度明顯減小。

圖12 加蓄能器后馬達(dá)卡滯局部壓力曲線

5 結(jié)束語

通過分析機(jī)載液壓破碎機(jī)實(shí)際工況采集數(shù)據(jù)曲線， 發(fā)現(xiàn)夾帶較大煤塊/煤矸石和馬達(dá)卡滯工況對馬達(dá)使用壽命影響明顯?？紤]到實(shí)際工況的復(fù)雜性，提出壓力梯度的概念，借助壓力梯度值研究不同工況對馬達(dá)壽命的影響，得到如下結(jié)論：

（1） 在夾帶較大煤塊/煤矸石和馬達(dá)卡滯工況下，其馬達(dá)壓力梯度值較大，生產(chǎn)廠家應(yīng)將其作為基本性能參數(shù)指標(biāo)在樣本中加以標(biāo)示，標(biāo)明壓力梯度值對馬達(dá)使用壽命影響趨勢。

（2）增加蓄能器后，在夾帶較大煤塊/煤矸石和馬達(dá)卡滯工況下，馬達(dá)進(jìn)口壓力梯度值明顯降低，說明對馬達(dá)使用壽命有一定的有利作用。 設(shè)計控制系統(tǒng)時應(yīng)綜合考慮增加緩沖元件、組件或補(bǔ)油系統(tǒng)，降低馬達(dá)壓力梯度值和壓力沖擊。

（3）從使用角度看，選用的液壓破碎機(jī)驅(qū)動馬達(dá)應(yīng)著重考慮壓力梯度和壓力沖擊兩個因素對其自身使用壽命的影響。

上述結(jié)論可用于液壓破碎機(jī)液壓系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計和元件選用，對其它類似液壓系統(tǒng)設(shè)計和元件選用研究也具有借鑒意義。