韓家威

(安百拓(南京)建筑礦山設(shè)備有限公司露天事業(yè)部，江蘇南京 210033)

0 前言

全液壓牙輪鉆機(jī)一般應(yīng)用于大型煤礦、水泥礦、鐵礦、金礦等露天礦山的爆破孔鉆孔作業(yè)。目前，按動力源形式可分為兩大類：(1)由高壓電動機(jī)驅(qū)動的電動全液壓牙輪鉆機(jī)；(2)由大排量柴油機(jī)驅(qū)動的柴動全液壓牙輪鉆機(jī)[1-3]。

出于節(jié)能、減排、降噪等多方面的考慮，電動全液壓牙輪鉆機(jī)在大型露天礦的應(yīng)用越來越廣泛。一般，這種電動鉆機(jī)是由6 kV 以上的高壓電提供電能，由電動機(jī)帶動分動箱和液壓泵組旋轉(zhuǎn)，輸出液壓能實現(xiàn)鉆機(jī)行走或鉆孔作業(yè)。在礦區(qū)現(xiàn)場，為了提供高壓電，沿礦坑周圍各層鉆孔平臺和礦區(qū)道路上鋪設(shè)大量高壓電線桿和高壓電接口。當(dāng)電動鉆機(jī)在鉆孔平臺作業(yè)時，鉆機(jī)電纜與高壓電線桿上的高壓電接口連接。當(dāng)電動鉆機(jī)需要轉(zhuǎn)移作業(yè)平臺或有其他轉(zhuǎn)移需求時，需要遠(yuǎn)距離行走。鉆機(jī)攜帶的電纜長度有限(通常為300 m)，因此電纜用完時需要停機(jī)，等待高壓電作業(yè)人員將高壓電纜從上一個高壓電接口斷開，拖拽到下一個高壓電接口處進(jìn)行連接，然后再次開機(jī)行走。以上過程反反復(fù)復(fù)，直至鉆機(jī)移動至指定位置。

從以上描述可以看出，電動鉆機(jī)在遠(yuǎn)距離行走時效率非常低下。頻繁斷開、連接高壓電接口危險性極高。高壓電纜質(zhì)量大，在轉(zhuǎn)移高壓電接口時，需要人工挪動，費時費力。

此外，若出現(xiàn)發(fā)動機(jī)故障、液壓泵組建立不了壓力等問題時，無論電動鉆機(jī)還是柴動鉆機(jī)，都無法及時轉(zhuǎn)移場地。這在某些地區(qū)特別是極寒地區(qū)，是不允許發(fā)生的。

針對以上兩類問題，行業(yè)內(nèi)并無普適的解決方案。因此，亟須開發(fā)一種可移動液壓動力裝置，既可實現(xiàn)電動鉆機(jī)的遠(yuǎn)距離不間斷行走，也可滿足兩類鉆機(jī)故障時的轉(zhuǎn)移場地需求。本文作者將首次對此進(jìn)行研究。

1 全液壓牙輪鉆機(jī)液壓系統(tǒng)

如圖1所示，全液壓牙輪鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)可分為三大部分：(1)提供動力給鉆孔和行走的主液壓系統(tǒng)，包含兩臺主泵、左主泵控制進(jìn)給油缸和左行走馬達(dá)、右主泵控制動力頭回轉(zhuǎn)馬達(dá)和右行走馬達(dá)；(2)提供動力給輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輔助液壓系統(tǒng)，由一臺輔助泵控制多路閥及與之連接的油缸和液壓馬達(dá)；(3)提供動力給風(fēng)扇的散熱液壓系統(tǒng)，由一臺風(fēng)扇泵驅(qū)動和控制閥組控制風(fēng)扇馬達(dá)。主液壓系統(tǒng)有開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)2種，目前閉式系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛[2-3]。原因主要有兩點：(1)閉式液壓系統(tǒng)的節(jié)能性更好；(2)牙輪鉆機(jī)主液壓系統(tǒng)的最大流量通常在220 L/min 以上，而輔助液壓系統(tǒng)的最小流量通常在 40 L/min左右，兩者流量差異太大，很難設(shè)計一個多路閥實現(xiàn)兩者功能的集成。

圖1 全液壓牙輪鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of hydraulic system of full hydraulic rotary blasthole drill

當(dāng)牙輪鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)時，圖中4個液控?fù)Q向閥的X油口通入控制油，工作在右位。左主泵即可控制進(jìn)給油缸的伸縮、對應(yīng)鉆頭及鉆桿的下壓和上提。右主泵控制動力頭回轉(zhuǎn)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)，對應(yīng)鉆頭及鉆桿的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。輔助泵則配合實現(xiàn)調(diào)整塔架姿態(tài)、吊鉆桿、裝鉆桿、卸鉆桿等輔助動作。

當(dāng)牙輪鉆機(jī)停止鉆孔即轉(zhuǎn)移場地時，需要先用輔助液壓系統(tǒng)將各個輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)位至非工作狀態(tài)，并將鉆機(jī)調(diào)整至行走姿態(tài)。然后，液控?fù)Q向閥的Y油口通入控制油，工作在左位。左主泵即可控制左行走馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)，右主泵則控制右行走馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)，對應(yīng)鉆機(jī)的前進(jìn)和后退。

2 可移動液壓動力裝置系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 總體系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)前述內(nèi)容，為實現(xiàn)鉆機(jī)轉(zhuǎn)移功能，可移動液壓動力裝置至少應(yīng)包含兩大功能：(1)給鉆機(jī)主液壓系統(tǒng)提供動力，實現(xiàn)鉆機(jī)遠(yuǎn)距離行走，稱之為行走模式；(2)給鉆機(jī)輔助液壓系統(tǒng)提供動力，實現(xiàn)鉆機(jī)行走前的姿態(tài)調(diào)整，稱之為救援模式。

除了上述兩大功能，可移動液壓動力裝置還應(yīng)包括給自身液壓系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)提供散熱功能的液壓散熱系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 可移動液壓動力裝置總體系統(tǒng)方案

2.2 行走動力系統(tǒng)設(shè)計

如圖3所示，可移動液壓動力裝置包含2臺主泵，分別代替鉆機(jī)上的2臺主泵，驅(qū)動鉆機(jī)行走馬達(dá)工作。如何將行走動力系統(tǒng)可靠地介入鉆機(jī)液壓系統(tǒng)，而不影響鉆機(jī)自身工作是此處設(shè)計的關(guān)鍵[4-5]。鉆機(jī)上的2臺主泵既作為鉆孔泵又作為行走泵。因此，應(yīng)將行走動力系統(tǒng)的液壓動力接至近行走馬達(dá)端，而不是近鉆機(jī)主泵端，否則將對鉆機(jī)鉆孔功能產(chǎn)生不確定影響。

圖3 行走動力系統(tǒng)方案Fig.3 Scheme of travel mode system

為避免串油或?qū)︺@機(jī)主泵造成損壞，采用性能可靠的液控邏輯閥組，分隔鉆機(jī)主泵油路與可移動液壓動力裝置的主泵油路。

2.3 輔助動力系統(tǒng)設(shè)計

如圖4所示，輔助動力系統(tǒng)由液壓和電氣兩部分組成。液壓部分主要包括1臺輔助泵和2個兩位三通液控?fù)Q向閥。

圖4 輔助動力系統(tǒng)方案Fig.4 Scheme of auxiliary power system

與常規(guī)液壓系統(tǒng)相比，該部分的特殊之處在于輔助泵有2個液壓油箱：1個是可移動液壓動力裝置自帶油箱，另1個是鉆機(jī)油箱。當(dāng)鉆機(jī)可以正常工作時，兩位三通換向閥工作在右位，輔助泵從自帶油箱吸油，排出的液壓油經(jīng)散熱、過濾后回到油箱。當(dāng)鉆機(jī)無法正常工作時，兩位三通換向閥工作在左位，輔助泵從鉆機(jī)油箱吸油，排出的液壓油到達(dá)鉆機(jī)多路閥的進(jìn)油口，驅(qū)動鉆機(jī)輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。

為不影響鉆機(jī)操作感受，可移動動力裝置設(shè)計有供電系統(tǒng)，給鉆機(jī)駕駛室供電，確保在任何情況下都可以使用駕駛室內(nèi)的電控手柄對多路閥進(jìn)行操控[6-7]。

圖5所示為可移動液壓動力裝置較詳細(xì)的液壓系統(tǒng)原理。

圖5 可移動液壓動力裝置液壓系統(tǒng)原理Fig.5 Hydraulic system principle of mobile hydraulic power device

3 快速連接系統(tǒng)

可移動液壓動力裝置作為一種鉆機(jī)輔助工作設(shè)備，需要經(jīng)常與鉆機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行連接或斷開。當(dāng)數(shù)量較多的液壓軟管充滿液壓油時，連接過程難免耗時耗力。

概念設(shè)計時采用圖6所示的快插接頭連接系統(tǒng)?？觳褰宇^避免了使用扳手安裝，大大節(jié)省了連接時間。但最終設(shè)計完成的可移動液壓動力裝置有14路液壓軟管，加上電氣和機(jī)械部分的連接過程，整個連接過程預(yù)計將耗時30 min。

圖6 快插接頭連接系統(tǒng)Fig.6 Quick disconnect coupling system

為進(jìn)一步提高效率，減少人力負(fù)擔(dān)，最終樣機(jī)采用圖7所示的組合板連接系統(tǒng)，整個連接過程不超過10 min。除了省時省力，組合板連接系統(tǒng)還有以下優(yōu)點：(1)可以集成電氣接口，進(jìn)一步簡化了連接過程；(2)具有專門的鎖定結(jié)構(gòu)，更加安全可靠；(3)更容易解決非工作時段如何?？俊⑷绾畏缐m的難點。

圖7 組合板連接系統(tǒng)Fig.7 Quick disconnect coupling plate system

4 仿真分析

針對救援模式液壓系統(tǒng)的特殊性，在Automation Studio中建立圖8所示的仿真模型進(jìn)行分析[8-10]。在軟件中設(shè)置液壓系統(tǒng)各元件的相關(guān)參數(shù)如下：32號低溫液壓油，油箱落差為2 m，軟管內(nèi)徑為31.8 mm，L1/L2/L3軟管長度分別為1、4.5、4 m，輔助泵排量為20 mL/r，快插接頭和換向閥的參數(shù)按照樣本曲線設(shè)置。

仿真結(jié)果如圖9所示，當(dāng)輔助泵轉(zhuǎn)速為2 686 r/min時，吸油壓力變化區(qū)間為-0.102 ～ -0.071 MPa。很明顯，任何液壓泵在這種情況下都無法工作。由于輔助泵排量已經(jīng)很小，油箱高度無法調(diào)整，軟管長度無法縮短，改善吸油壓力只能從以下幾方面著手：(1)增大軟管內(nèi)徑；(2)加大快插接頭尺寸；(3)降低輔助泵轉(zhuǎn)速；(4)增大換向閥規(guī)格。前兩者都會加大安裝難度。

圖8 輔助動力系統(tǒng)仿真模型-1Fig. 8 Simulation model 1 of auxiliary power system

圖9 輔助泵吸油壓力曲線-1Fig. 9 Oil suction pressure curves 1 of auxiliary pump

如圖9所示，當(dāng)輔助泵轉(zhuǎn)速降至1 268 r/min時，吸油壓力變化區(qū)間為-0.102～-0.005 MPa。此轉(zhuǎn)速下，液壓油溫高于15 ℃時可以滿足液壓泵正常吸油壓力。

進(jìn)一步建立采用2個換向閥的模型如圖10所示，仿真結(jié)果見圖11。當(dāng)輔助泵轉(zhuǎn)速為2 686 r/min時，吸油壓力變化區(qū)間為-0.102～-0.021 MPa，液壓油溫高于30 ℃時可以滿足液壓泵正常吸油壓力。當(dāng)輔助泵轉(zhuǎn)速降至1 268 r/min時，吸油壓力變化區(qū)間為-0.102 ～ 0.005 MPa，液壓油溫高于0 ℃即可滿足液壓泵正常吸油壓力[11-12]。

圖10 輔助動力系統(tǒng)仿真模型-2Fig.10 Simulation model 2 of auxiliary power system

圖11 輔助泵吸油壓力曲線-2Fig.11 Oil suction pressure curves 2 of auxiliary pump

考慮仿真分析會有偏差，因此，最終采用的方案是：將輔助泵的工作轉(zhuǎn)速限定在1 000 r/min，采用2個換向閥，并要求油溫高于20 ℃。

5 整機(jī)驗證

實際完成的可移動液壓動力裝置如圖12所示。在功能調(diào)試后進(jìn)行了測試驗證，由于場地限制，測試數(shù)據(jù)在支腿油缸將履帶撐離地面的情況下采集[13-15]。

圖12 可移動液壓動力裝置Fig.12 Mobile hydraulic power device

行走模式的測試曲線如圖13所示。根據(jù)測試曲線，左主泵A油口和右主泵B油口的工作壓力在6 MPa上下波動，波動范圍4.5～7.5 MPa，意味著左側(cè)履帶向前、右側(cè)履帶向后同時旋轉(zhuǎn)。左主泵B油口和右主泵A油口的壓力都在2.5 MPa附近小幅波動，這與閉式泵低壓側(cè)的壓力值相符。

圖13 行走模式測試曲線Fig.13 Travel mode test curves

救援模式的測試曲線如圖14所示。根據(jù)測試曲線，在2:05～2：15 min時間段，輔助泵空載旋轉(zhuǎn)，輔助泵吸油口的壓力在-0.02 MPa附近波動，滿足開式泵的吸油壓力要求。在2:15～2：25 min時間段，輔助泵工作在18 MPa，輔助泵吸油口的壓力穩(wěn)定在-0.02 MPa，滿足開式泵的吸油壓力要求。

圖14 救援模式測試曲線Fig.14 Rescue mode test curves

6 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種可移動液壓動力裝置，徹底解決了電動全液壓牙輪鉆機(jī)遠(yuǎn)距離行走效率低下的行業(yè)頑疾。

(2)設(shè)計了快速連接系統(tǒng)，大大提高了可移動液壓動力裝置的使用效率。

(3)集成了救援模式與行走模式，在解決行走問題的同時兼顧了輔助功能。

(4)解決了全液壓牙輪鉆機(jī)因各類故障而無法及時轉(zhuǎn)移場地的難題。