礦用防爆吸污車(chē)液壓及氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

陳永峰 郭培燕

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系， 陜西 渭南 714000;2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

礦用防爆吸污車(chē)是一種煤礦井下無(wú)軌輔助運(yùn)輸車(chē)輛，主要用于對(duì)煤礦井下水倉(cāng)中沉淀的煤泥、固體顆粒物或其他雜物進(jìn)行清理，將煤泥等雜物吸到吸污罐并運(yùn)到適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)進(jìn)行排污處理。該類(lèi)車(chē)型的使用解決了我國(guó)煤礦井下長(zhǎng)期依靠人工利用鐵鍬等方式清理水倉(cāng)的問(wèn)題，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了煤礦生產(chǎn)效率[1]。而氣動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)作為整車(chē)的核心系統(tǒng)，其性能的好壞不僅影響到整車(chē)的工作效率，更是影響到整車(chē)的安全性和可靠性。

1 礦用防爆吸污車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

礦用防爆吸污車(chē)的外形如圖1所示，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)裝置、傳動(dòng)裝置、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、氣動(dòng)吸排污系統(tǒng)及機(jī)架等組成。該車(chē)的主要特點(diǎn)是不僅配備有煤泥攪拌裝置，使吸污作業(yè)更快捷有效，同時(shí)在邏輯操作上使得整車(chē)行走和吸污兩套系統(tǒng)相互閉鎖，操作安全性高。

2 氣動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

礦用防爆吸污車(chē)氣動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是抽吸煤礦井下水倉(cāng)中沉淀的煤泥等雜物和排放罐體中的煤泥等雜物。該系統(tǒng)主要由四通閥、真空泵、水氣分離器、一級(jí)油氣分離器、二級(jí)油氣分離器、防溢裝置、吸污罐和管路等組成，其工作原理如圖2所示。

圖1 礦用防爆吸污車(chē)外形圖Fig.1 Outline drawing of the explosion- proof suction sewage vehicle in coal mine1—發(fā)動(dòng)機(jī)裝置；2—傳動(dòng)裝置；3—液壓系統(tǒng)；4—電氣系統(tǒng)；5—?dú)鈩?dòng)排污系統(tǒng)；6—機(jī)架

在吸污工況時(shí)，將四通閥旋轉(zhuǎn)至吸污位置，此時(shí)氣體流向?yàn)槲酃迌?nèi)。帶有一定濕度的空氣經(jīng)四通閥進(jìn)入水氣分離器，在這里水被分離出來(lái)，而氣體則到達(dá)真空泵的吸氣口。氣體在真空泵內(nèi)與泵內(nèi)的潤(rùn)滑油混合，然后從真空泵的排氣口排出。油氣混合物經(jīng)一級(jí)油氣分離器進(jìn)行初步分離，分離出的潤(rùn)滑油流回油箱，油氣混合物再經(jīng)二級(jí)油氣分離器進(jìn)一步進(jìn)行分離，分離出的氣體進(jìn)入四通閥然后直接排到大氣或通過(guò)除臭器再排到大氣。當(dāng)吸污罐內(nèi)的真空度達(dá)到一定值時(shí)，打開(kāi)與吸污管連接的球閥，即可向吸污罐內(nèi)吸進(jìn)煤泥等雜質(zhì)。

在排污工況時(shí)，為了防止整車(chē)向后傾翻和損壞前后機(jī)架鉸接部位，應(yīng)先開(kāi)啟排污口上的球閥，排出一定量的煤泥等雜質(zhì)后再通過(guò)罐體油缸和后蓋開(kāi)啟油缸使吸污罐舉升并打開(kāi)后蓋進(jìn)行卸載。為了加快向外排污的速度，可向吸污罐內(nèi)進(jìn)行加壓，此時(shí)氣體流向?yàn)椋簩⑺耐ㄩy旋轉(zhuǎn)至排污位置，空氣從四通閥排氣裝置口吸入，經(jīng)水氣分離器到真空泵的吸氣口。氣體在真空泵內(nèi)與泵內(nèi)的潤(rùn)滑油混合，然后從真空泵的排氣口排出，先后經(jīng)過(guò)一級(jí)油氣分離器和二級(jí)油氣分離器再進(jìn)入四通閥，最后進(jìn)入吸污罐，向吸污罐內(nèi)加壓使煤泥等雜質(zhì)快速排出。

圖2 礦用防爆吸污車(chē)氣動(dòng)原理簡(jiǎn)圖Fig.2 Pneumatic schematic diagram of the explosion-proof suction sewage vehicle in coal mine

3 液壓系統(tǒng)的工作原理

液壓系統(tǒng)主要由吸污控制回路、制動(dòng)回路以及轉(zhuǎn)向回路組成，其工作原理如圖3所示。

3.1 吸污控制回路

吸污控制回路中的真空泵采用雙聯(lián)齒輪泵—真空泵驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)形式，真空泵與真空泵驅(qū)動(dòng)馬達(dá)串聯(lián)連接，通過(guò)操縱行走吸污切換閥即可實(shí)現(xiàn)行走和吸污兩套系統(tǒng)之間的相互閉鎖，使得操作安全性更高。為了使吸污作業(yè)更有效快捷，整車(chē)配備有攪拌裝置，該攪拌裝置的特點(diǎn)是可手持，受水倉(cāng)位置限制小，靈活性高，便捷性強(qiáng)。通過(guò)操縱多路換向閥可實(shí)現(xiàn)攪拌馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)，使得攪拌后的煤泥與污水能夠?qū)崿F(xiàn)均勻抽吸，同時(shí)也可通過(guò)操縱多路換向閥實(shí)現(xiàn)卸污后蓋的開(kāi)啟關(guān)閉以及罐體的舉升下降。

3.2 制動(dòng)回路

液壓制動(dòng)回路主要由液壓泵、溢流閥、雙回路充液閥、蓄能器、雙回路液壓制動(dòng)閥、手動(dòng)制動(dòng)閥、多功能濕式制動(dòng)器等組成。該套系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是使用了雙回路液壓制動(dòng)閥和多功能濕式制動(dòng)器，該制動(dòng)器將駐車(chē)制動(dòng)器和行車(chē)制動(dòng)器集成在一起，使制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，制動(dòng)時(shí)溫升小、磨損少、壽命長(zhǎng)，且不需獨(dú)立的潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)，安全可靠[2]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。而雙回路制動(dòng)閥的使用使得前后驅(qū)動(dòng)橋兩套制動(dòng)回路之間相對(duì)獨(dú)立，當(dāng)一個(gè)回路出現(xiàn)故障時(shí)，第二個(gè)回路仍然可以正常工作，從而使整車(chē)制動(dòng)更安全可靠。

3.3 轉(zhuǎn)向回路

[3-6]，通過(guò)建立雙橋驅(qū)動(dòng)鉸接式礦用防爆吸污車(chē)在空載和滿(mǎn)載2種狀態(tài)下的原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，利用虛位移原理計(jì)算整車(chē)的最大轉(zhuǎn)向阻力矩，以此為依據(jù)確定液壓油缸、轉(zhuǎn)向器以及液壓泵的相關(guān)參數(shù)，該轉(zhuǎn)向回路采用了由靜態(tài)信號(hào)負(fù)荷傳感流量放大型轉(zhuǎn)向器、液壓泵、溢流閥、優(yōu)先閥及轉(zhuǎn)向油缸等組成的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

圖3 礦用防爆吸污車(chē)液壓原理Fig.3 Hydraulic schematic diagram of the explosion-proof suction sewage vehicle in coal mine1—雙聯(lián)齒輪泵；2—行走吸污切換閥；3—真空泵驅(qū)動(dòng)馬達(dá)；4—單穩(wěn)閥；5—攪拌馬達(dá)；6—罐體油缸；7—后蓋開(kāi)啟油缸；8—多路換向閥；9—多功能濕式制動(dòng)器；10—雙回路液壓制動(dòng)閥；11—雙回路充液閥；12、13—蓄能器；14—駐車(chē)制動(dòng)閥；15—液控?fù)Q向閥；16—轉(zhuǎn)向器；17—優(yōu)先閥；18—轉(zhuǎn)向油缸

圖4 多功能濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structure diagram of the multi-function wet-type brake1—左壓盤(pán)；2—半軸；3—鋼片；4—粉片；5—彈簧；6—行車(chē)制動(dòng)活塞；7—右壓盤(pán)；8—橋殼；9—駐車(chē)(緊急)制動(dòng)活塞；10—碟簧；A—行車(chē)制動(dòng)油口；B—駐車(chē)(緊急)制動(dòng)油口

4 制動(dòng)回路的優(yōu)化

該型車(chē)輛在初期使用過(guò)程中存在點(diǎn)剎過(guò)于靈敏，制動(dòng)沖擊力大，操縱舒適性差的問(wèn)題。經(jīng)分析，主要原因是由于所選用的雙回路液壓制動(dòng)閥的壓力輸出特性與多功能濕式制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩匹配不當(dāng)造成的[7]。該雙回路液壓制動(dòng)閥閥芯的動(dòng)作是通過(guò)單彈簧控制的，其輸出特性如圖5所示，當(dāng)駕駛員在行走過(guò)程中需要減速時(shí)，踩下制動(dòng)踏板后制動(dòng)力增加的速率較快，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一腳踩下去車(chē)輛立即抱死停車(chē)的現(xiàn)象。

圖5 優(yōu)化前制動(dòng)壓力與踏板角位移關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the pre-braking pressure and the pedal angular displacement

圖6 優(yōu)化后制動(dòng)壓力與踏板角位移關(guān)系圖Fig.6 Relationship between the optimized braking pressure and the pedal angular displacement

為了減少制動(dòng)沖擊力，提高駕駛員操縱舒適性，通過(guò)分析采用了雙彈簧控制雙回路制動(dòng)閥閥芯動(dòng)作實(shí)現(xiàn)變斜率輸出特性的結(jié)構(gòu)[8-9]，其輸出特性曲線(xiàn)如圖6所示。此時(shí)踏板運(yùn)行的行程包括3個(gè)階段，第一階段為0～5°，第二階段為5°～12.5°，第三階段為12.5°～16°。從圖6可以看出，第三階段直線(xiàn)的斜率要大于第二階段直線(xiàn)的斜率，制動(dòng)壓力隨踏板角位移變化增加的速度非常清楚直觀(guān)地體現(xiàn)在2條直線(xiàn)上，制動(dòng)壓力在第二階段增加相對(duì)較慢，在第三階段增加相對(duì)較快。之所以出現(xiàn)這種狀況，是因?yàn)樵诘诙A段時(shí)，閥芯的動(dòng)作只與其中1根彈簧有關(guān)，而在第三階段時(shí)，閥芯的動(dòng)作與其中2根彈簧都關(guān)聯(lián)，第三階段彈簧的剛度要大于第二階段彈簧的剛度。

雙回路液壓制動(dòng)閥的這種變斜率輸出特性非常適合駕駛員對(duì)車(chē)輛的制動(dòng)操縱，有利于提高車(chē)輛的制動(dòng)平穩(wěn)性。如果車(chē)輛在行駛過(guò)程中需要減速而不是停車(chē)時(shí)，駕駛員通過(guò)操縱踏板，使踏板處在第二階段即可滿(mǎn)足制動(dòng)要求，因?yàn)榇藭r(shí)，制動(dòng)力增加緩慢，駕駛員更容易控制車(chē)輛行駛狀態(tài)，不至于一腳踩下去車(chē)輛立即抱死停車(chē)。當(dāng)車(chē)輛在行駛過(guò)程中需要制動(dòng)停車(chē)時(shí)，駕駛員則需操縱踏板使其經(jīng)歷三個(gè)階段，在第二階段，可使車(chē)輛先減速運(yùn)行，當(dāng)車(chē)輛速度減小以后，再經(jīng)歷第三階段的快速減速，最終使車(chē)輛停止?？梢?jiàn)，雙回路液壓制動(dòng)閥的這種輸出特性，既能夠緩沖制動(dòng)前沖現(xiàn)象，又能夠保證車(chē)輛及時(shí)制動(dòng)停車(chē)，從而非常理想地滿(mǎn)足了車(chē)輛制動(dòng)需求。

5 結(jié) 論

(1)液壓系統(tǒng)中采用了多功能濕式制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了行車(chē)制動(dòng)、駐車(chē)制動(dòng)及緊急制動(dòng)3種功能，不僅減少了制動(dòng)器的重復(fù)布置，使得傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也不易受外界惡劣環(huán)境如高粉塵等的影響，性能可靠。

(2)在吸污系統(tǒng)中采用了攪拌裝置，使得吸污作業(yè)高效快捷。

(3)在整車(chē)吸污系統(tǒng)與行走系統(tǒng)之間采用了閉鎖功能，使得操作安全性更高。

(4)采用了雙彈簧控制雙回路制動(dòng)閥閥芯動(dòng)作實(shí)現(xiàn)變斜率輸出特性的結(jié)構(gòu)，減少了制動(dòng)沖擊現(xiàn)象，提高了駕駛員的操作舒適性。

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