煤礦井下攪拌車料罐轉速控制系統

馬艷衛

（山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原030006）

近幾年來隨著煤層的開采高度越來越高，煤礦井下使用的液壓支架的噸位也越來越大，已知現用的液壓支架重達100 t，運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，對井下混凝土路面的要求更為苛刻。只有通過煤礦用防爆攪拌車將地面攪拌站生產的高質量混凝土在規定的時間內運送到巷道施工地點，在運輸過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輸過程中一直處于攪拌狀態，防爆攪拌車的料罐必須一直按合適的速度做旋轉運動，然而未凝固的混凝土具有流動的特性，在料罐內攪拌時，必然會導致料罐的重心位置一直在變化，對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

由于煤礦井下的巷道尺寸在巷道掘進時已經固定（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《煤礦安全規程》的要求，對車輛的發動機進行了防爆設計，同時降低車輛的底盤，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。料罐的驅動為靜液壓閉式驅動，由于井下對電氣元件的使用有著嚴格的防爆要求，在設計料罐的控制方式時，無法使用公路用混凝土攪拌車的電控泵系統；而公路用混凝土攪拌車液壓控制料罐的系統，多為與定量泵匹配的調速系統，此調速方式既有能量損失同時也會使液壓系統發熱。根據閉式驅動系統的特點，采用了液壓先導控制料罐旋轉速度[2-4]。料罐驅動液壓系統原理圖如圖1。

油箱中的油液經吸油過濾器過濾后，到達閉式驅動泵的吸油口，高壓油液通過閉式驅動泵的工作油口W1、W2 到達馬達的M1、M2 口，驅動馬達旋轉。閉式驅動泵內置有補油泵，由其提供壓力油源經過控制手柄后，控制閉式驅動泵的斜盤擺角改變，達到控制料罐正轉或者反轉。

料罐的旋轉速度設計時，參照工程用混凝土攪拌車的標準，在運輸過程中料罐以2～3 r/min 的速度進行順時針旋轉，到達卸料點后,料罐的旋轉速度需要提高到14～16 r/min，經過高速攪拌2 min 左右，使混凝土均勻混合后，通過控制驅動泵使料罐再以14～16 r/min 的速度逆時針旋轉，卸出料罐中的混凝土。料罐的旋轉速度在高低2 個速度之間頻繁變換，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速度[4]。

2 存在問題及原因分析

防爆攪拌車在實際使用中，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，車輛側傾角增大，導致車輛穩定性較差。但在廠區進行測試時，未出現類似的情況。通過跟車觀察駕駛人員的操作，發現在車輛的行駛過程中，控制手柄原為小角度低速控制料罐的旋轉速度，但是駕駛員會在無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，原本低速旋轉的料罐變為了高速旋轉。行駛中發動機轉速提高，攪拌車的料罐旋轉速度也相應的增加，料罐內的混凝土離心力增大，加劇了車輛的不穩定性，使駕駛人員有車輛側翻的感覺，這在混凝土運輸過程中是十分危險的，必須從根源上杜絕這種情況。要求設計人員改進料罐的液壓控制系統，即使在駕駛人員誤操作時，也不能出現車輛行駛中，料罐高速旋轉的情況。

3 料罐轉速控制系統優化

3.1 方案分析

煤礦用防爆攪拌車驅動料罐的傳動路線如下：發動機驅動液力變矩器、閉式泵和料罐驅動馬達，經減速器減速后驅動料罐。發動機與料罐之間通過液力機械傳動，閉式泵與料罐馬達之間是液壓傳動。

原車設計時，通過控制手柄的角度變化，控制驅動閉式泵的排量，達到改變料罐轉速的目的。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生的力平衡。當Y1口有控制油壓信號時，控制變量比例閥向右移動，此時閉式泵G 口的補油泵油液經過控制變量比例閥到達變量活塞缸的Z1腔，變量活塞缸向右移動，同時帶動變量斜盤的傾角變大，使位置反饋連接桿繞其支撐點旋轉，對變量控制比例閥有向左的作用力。即：

式中：ps為補油泵壓力；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支撐點對控制變量比例閥的閥芯產生向左復位力，使閥芯克服Y1口油壓力的作用，最終使閥芯復位，閉式泵G 口的補油泵高壓油被阻斷，變量活塞缸帶動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。

當控制變量比例閥的閥芯復位后，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產生的力相平衡，上述公式可簡化為：

通過計算可知REXROTH 廠家的閉式泵可以通過調節控制變量比例閥的Y1、Y2控制壓力，使變量活塞缸運動到與控制壓力相匹配的位置，由位置反饋連接桿在驅動閉式泵的變量斜盤傾角的同時，將位置反饋連接桿的另一端推動控制變量比例閥回位，最終實現對閉式泵的排量隨控制壓力的變化而變化。

根據防爆攪拌車在實際運行時，料罐的旋轉速度基本都在2～3 r/min 和14～16 r/min 這2 個速度段工作的特點，直接采用傳統的節流控制來調整料罐的轉速，必然會引起液壓系統過熱，必須加大液壓油散熱器。而煤礦井下攪拌車整車尺寸較小，結構緊湊，任何結構的調整都需要更換機架，且成本高。基于上述閉式泵的工作原理，結合實際工況，可通過改變控制壓力，調整驅動閉式泵斜盤傾角，達到控制閉式泵排量的目的。由于料罐的旋轉速度僅需要2 個速度，可以在控制手柄的進油口之前，將流進控制手柄的壓力油控制到設定的壓力值，改變斜盤的傾角，使驅動閉式泵的流量滿足料罐高低轉速的需要[6]。改進后的料罐驅動液壓系統原理圖如圖3。

圖3 改進后的料罐驅動液壓系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of the improved drive hydraulic system for material tank

改進后的料罐驅動液壓系統在原有的基礎上增加了換向閥、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速度。換向閥不操作時，補油泵提供的壓力油經換向閥進入到壓力設定值低的壓力控制閥Ⅰ，再經過控制梭閥、控制手柄進入到閉式驅動泵的變量油缸內，使斜盤角度發生改變，此時閉式驅動泵的流量剛好驅動料罐在低速狀態下旋轉。換向閥操作換向時，補油泵提供的壓力油經換向閥進入到壓力設定值高的壓力控制閥Ⅱ，再經過控制梭閥、控制手柄進入到閉式驅動泵的變量油缸內，使斜盤角度變為最大，此時閉式驅動泵的全流量工作，驅動料罐在高速狀態下旋轉。

由于在換向閥切換時，壓力控制閥不能將原有的控制油液泄回油箱，導致小壓力的信號不能及時的傳遞到閉式驅動泵的變量油缸內，因此增加了單向閥Ⅰ、單向閥Ⅱ使殘余控制信號能夠及時泄壓。

換向閥在選型時采用了手動和液控2 種控制方式，由變速箱的傳動壓力油控制液控換向，當車輛換擋行走時，傳動油壓力升高，將換向閥換向，使料罐自動處于低速狀態；當車輛換為空擋，傳動油壓力變為0，手動換向閥操作換向，使料罐處于高速狀態。避免了人為失誤，造成車輛行駛時，料罐處于高速旋轉狀態，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如下：①防爆發動機：怠速650 r/min，最高轉速2 200 r/min；②變矩器：減速比1.06；③閉式驅動泵：排量55 mL/r，工作壓力21 MPa；④料罐驅動馬達：排量75 mL/r，工作壓力25 MPa；⑤減速器：減速比109。閉式驅動泵控制壓力與排量對應關系如圖4。

圖4 閉式驅動泵控制壓力與排量對應關系圖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，斜盤擺角開始變化，泵的排量逐漸增大，當控制壓力為5 MPa 時，斜盤角度變為最大，此時泵全排量輸出。負坐標表示泵變量機構的另一端有控制信號，使泵的輸出口改變，實現馬達的正轉或反轉。

當料罐在低旋轉速度，即3 r/min，這時料罐驅動馬達需要的流量為：

式中：Qm1為料罐驅動馬達低轉速時所需流量；n1為料罐低速旋轉速度；r1為減速器的減速度比；Vm為料罐驅動馬達的排量；ηv為料罐驅動馬達的容積效率。

此時驅動閉式泵的排量為：

式中：qp為閉式驅動泵的排量；ne為防爆發動機的轉速；r2為變矩器的減速比。

式中：Qp為閉式驅動泵的流量。

將液壓元件的參數的參數代入式（4）、式（5），可以計算出料罐在低轉速時，閉式驅動泵的排量為11.2 mL/r，對應泵的控制壓力為1.4 MPa，此壓力為壓力控制閥Ⅰ的設定值。防爆發動機全油門時，由式（6）計算出閉式驅動泵的流量為26.12 L/min。

在防爆發動機全油門驅動，閉式驅動泵最大排量的條件下，校核料罐的轉速為：

式中：r3為料罐的最大轉速；qmax為閉式驅動泵的最大排量；η 為綜合容積效率。

將相關參數代入式（7），計算出料罐的轉動速度為14 r/min，符合混凝土卸料時14～16 r/min 的轉速要求，此時需要將壓力控制閥Ⅱ的控制壓力設定為5 MPa，閉式驅動泵的排量達到100%。由式（6）計算出閉式驅動泵的流量為128.26 /min[9-10]。

4 結 語

結合煤礦井下使用的防爆攪拌車的實際工況，提出了調節閉式泵控制壓力實現控制攪拌車料罐轉速的策略，通過對閉式泵的工作原理分析和試驗測試可以得出，調節閉式泵控制壓力能夠改變閉式驅動泵的排量，并與車輛的換擋機構相互關聯，確保車輛行駛時，料罐低速旋轉。避免了料罐在車輛行駛中旋轉速度過快，造成防爆攪拌車在行駛時因料罐中的混凝土重心變化，使車輛的穩定性下降，易引發車輛失控或翻車等安全事故。