乳化炸藥裝藥車推管液壓系統的設計與試驗

劉巍

希卓斯貝克瑪液壓系統（上海）有限公司 上海 201306

引言

乳化炸藥是新型含水炸藥的一種，具有安全性高、爆速大、抗水性好等優點[1]。乳化炸藥裝藥車主要應用于地下金屬礦如鐵礦、銅礦、金礦等，在鑿巖臺車完成在礦石巖壁上鑿孔后，裝藥車將藥管推入這些孔中并填充炸藥，為后續爆破工作做準備。因此，開發一款使用乳化炸藥的裝藥車不僅可以提高爆破的效率，也為礦下作業人員帶來了極高的安全性。裝藥車的機構主要包括以下幾個部分：炸藥合成裝置，推管器，藥管卷筒，底盤，車身，大臂，電纜卷筒等。其中，推管器和藥管卷筒部分的液壓系統設計是重難點。

1 裝藥車推管液壓系統的設計

裝藥車推管機構主要由三部分構成：藥管，推管器和藥管卷筒（如圖1所示）。推管器的作用是將藥管推入到礦孔中并注入炸藥。推管器機構設計成通過夾緊油缸將四個棘輪夾緊藥管并依靠摩擦力將藥管推入孔中。藥管卷筒機構用于纏繞藥管，其動作需與推管器相輔相成：即藥管卷筒需隨推管器的前推而放管，隨推管器的后拉而收管。以確保藥管既不會出現松散的狀況，也不會因為被過度拉緊而出現塑性變形。

圖1 推管系統機構簡圖

1.1 藥管推管器部分液壓系統的設計

推管器液壓系統設計原理圖如圖2所示。推管器的四個棘輪設計成由擺線馬達[2]（圖2中2號件）驅動，并將四個擺線馬達兩兩串聯后再并聯。為了使藥管不出現偏磨的現象，對稱的兩個棘輪轉速同步是關鍵。因此，系統中設計了一個分流集流閥（圖2中4號件），理論上可使得兩個擺線馬達的同步流量誤差控制在5%以內。

此外，藥管經常在孔壁內摩擦，屬于易損件，需要經常更換。把四個棘輪設計成可張開的形式更便于藥管的更換，棘輪的張開和夾緊可通過油缸機構來控制（圖2中1號件），棘輪夾緊后需要受到油缸穩定的夾緊力才能在棘輪和藥管間產生足夠的摩擦力來完成推管動作[3]。因此，系統中設計了一個先導減壓閥（圖2中6號件），可為夾緊油缸無桿腔提供一個恒定的壓力。油缸的夾緊力取決于先導減壓閥壓力設置的大小。

圖2 藥管推管器液壓系統原理圖

1.2 藥管卷筒部分液壓系統的設計

藥管卷筒通過液壓馬達來驅動，并配置了減速機來增大扭矩，其內部的濕式離合器可用于藥管卷筒的制動。藥管卷筒液壓系統設計原理圖如圖3所示。推管器與藥管卷筒的線速度相匹配是重點：如果藥管卷筒的線速度大于推管器，那么藥管會出現松散的狀態；如果藥管卷筒的線速度小于推管器，那么藥管可能會因為受到的拉力過大而出現塑性變形甚至斷裂。因此，系統中設計了一個恒壓變量柱塞泵（由圖3中1號件負載敏感泵和2號件直動溢流閥組成）來驅動藥管卷筒液壓馬達（圖3中6號件）,其是一個定量柱塞馬達。對于一個定量馬達來說，驅動馬達的扭矩只取決于工作壓力。如果液壓泵能輸出給馬達提供恒定的工作壓力，那么藥管卷筒馬達上就能產生一個恒定的驅動扭矩，即近似恒定的拉力作用在藥管上。

因此，當推管器工作時，同時控制三個電磁閥S1、S3、S4動作，就可在藥管卷筒上施加一個向后的恒定的驅動扭矩。由此產生的拉力應當足以將藥管拉緊，但不能使藥管發生塑性變形，此拉力取決于直動溢流閥壓力設置的大小。而先導溢流閥（圖3中8號件）的壓力設置比直動溢流閥（圖3中2號件）高5bar左右。

圖3 藥管卷筒液壓系統原理圖

當藥管有松散的趨勢時：馬達A口進油；B口出油，先導溢流閥關閉，驅動卷筒迅速將藥管拉緊。當推管器推動藥管向前時：需要同時克服藥管卷筒向后的驅動扭矩，此時馬達從A口出油，B口吸油，液壓馬達變成了液壓泵的功能；同時先導溢流閥打開。這時，需要給馬達B口進行補油：（馬達位置比液壓油箱高，因此補油困難）如果補油不充分，液壓馬達會出現失速的狀況，從而造成藥管在卷筒上的松散。因此，設計一個性能滿足要求的補油泵（圖3中5號件），是本液壓系統設計的關鍵點。補油泵的機構原理是：將兩個齒輪機構通過同軸連接保證工作時轉速完全一致，其一部分功能為齒輪馬達，另一部分功能為齒輪泵；齒輪泵比齒輪馬達的排量要大，這樣就可以有效彌補由于卷筒液壓馬達容積損失造成的吸油不足[4]。補油泵參數的選型如下：

式中 q1—齒輪馬達排量（cm3/r）；

q2—齒輪泵排量（cm3/r）；

ηMv—藥管卷筒馬達容積效率

η1v—齒輪馬達容積效率；

η2V—齒輪泵容積效率。

1.3 參數及計算結果

將選定的參數分別代入公式進行計算，并按照液壓元器件廠商提供的產品技術規格進行合理匹配，得出裝藥車推管器液壓系統主要參數結果如表1所示。

表1 推管器液壓系統主要參數表

續表

2 樣機試驗與成果

在裝藥車樣機完成裝配后，可對樣機推管液壓系統部分的參數依據計算結果進行設置，并對其性能進行多次試驗，以驗證設計的合理性。主要有設置夾緊油缸先導減壓閥的壓力，檢查夾緊力是否過大導致藥管變形，測試推管器的工作速度能否滿足設計的要求等。

通過樣機試驗，可以得出如下結論：推管器上的夾緊油缸能提供足夠的夾緊力使四個棘輪同時夾緊藥管并穩定的工作，推管器工作速度可滿足設計的要求；夾緊力設置合理，藥管也沒有出現變形的異常情況。由于分流集流閥的設計選型合理，相對稱的兩個棘輪也能獲得較精準的同步轉速，使藥管沒有出現偏磨的現象。藥管卷筒能配合推管器高效的工作，很好地實現了兩者線速度的匹配。補油泵參數選型合理，藥管沒有出現因卷筒馬達失速導致的松散現象。