煤矿井下搅拌车料罐转速控制系统_马艳卫.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 煤矿井下搅拌车料罐转速控制系统 马艳卫 （山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030006） 摘要 结合煤矿井下使用的防爆搅拌车的实际工况， 跳出传统的节流方式控制料罐转速的方 法， 通过分析闭式泵的工作原理， 提出了调节闭式泵控制压力实现控制搅拌车料罐转速的策略， 并与车辆的行驶档位相关联， 确保车辆行驶时料罐为低转速状态； 车辆空挡时， 才能实现料罐高 速旋转拌料和卸料。经过现场试验测试， 结果表明 安装有转速控制系统的料罐， 料罐转速维持 恒速状态， 不会随着油门的变化而变化。 关键词 防爆搅拌车； 转速控制； 互锁设计； 节流方式； 闭式泵 中图分类号 TD562文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0257-04 Rotational Speed Control System for Material Tank of Mixers in Underground Coal Mines MA Yanwei （Shanxi Tiandi Coal Machinery Equipment Co., Ltd., Taiyuan 030006, China） Abstract Combined with the actual working condition of explosion-proof mixers used in underground coal mine, different from the traditional throttling to control the speed of the material tank, by analyzing the working principle of the closed type pump, the strategy of adjusting the control pressure of the closed type pump to control the rotational speed of the material tank of the mixer is proposed, which is associated with the driving gear position of the vehicle so as to ensure that the material tank is in a low rotational speed state when the vehicle is running; only when the vehicle is in a neutral gear position, the high speed rotating mixing and unloading can be realized. Through the field tests, the results show that the rotational speed of the material tank installed with the speed control system can maintain a constant speed state, and will not change with the change of the throttle. Key words explosion-proof mixer; rotational speed control; interlock design; throttling mode; closed type pump 近几年来随着煤层的开采高度越来越高，煤矿 井下使用的液压支架的吨位也越来越大，已知现用 的液压支架重达 100 t，运输支架的车辆自身约重 50 t， 这种超大吨位的车辆在井下行驶， 对井下混凝 土路面的要求更为苛刻。只有通过煤矿用防爆搅拌 车将地面搅拌站生产的高质量混凝土在规定的时间 内运送到巷道施工地点，在运输过程中要保证混凝 土不能提前凝固或有离析情况。这就要求混凝土在 运输过程中一直处于搅拌状态，防爆搅拌车的料罐 必须一直按合适的速度做旋转运动，然而未凝固的 混凝土具有流动的特性，在料罐内搅拌时，必然会 导致料罐的重心位置一直在变化，对防爆搅拌车的 安全行驶造成了一定的影响[1]。 1防爆搅拌车料罐系统 由于煤矿井下的巷道尺寸在巷道掘进时已经固 定 （要求车辆高度小于 3 000 mm） ， 工程上使用的混 凝土搅拌车高度一般为 3 600 mm 左右，不满足井 下的使用要求。根据 煤矿安全规程 的要求， 对车 辆的发动机进行了防爆设计，同时降低车辆的底 盘，减小料罐的斜度，使车辆的整体高度为 2600 mm， 满足井下巷道的使用要求。料罐的驱动为静液 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.042 马艳卫. 煤矿井下搅拌车料罐转速控制系统 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 257-260. MA Yanwei. Rotational Speed Control System for Material Tank of Mixers in Underground Coal Mines ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 257-260. 移动扫码阅读 基金项目 山西省重点研发计划资助项目 （201803D121104） ； 中国 煤炭科工集团二级子企业基金资助项目 （M2019- 06） 257 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 2REXROTH 厂家的闭式泵变量机构工作原理简图 Fig.2Schematic diagram of variable mechanism for the closed type pump of REXROTH 图 1料罐驱动液压系统原理图 Fig.1Schematic diagram of drive hydraulic system for material tank 压闭式驱动，由于井下对电气元件的使用有着严格 的防爆要求，在设计料罐的控制方式时，无法使用 公路用混凝土搅拌车的电控泵系统；而公路用混凝 土搅拌车液压控制料罐的系统，多为与定量泵匹配 的调速系统，此调速方式既有能量损失同时也会使 液压系统发热。根据闭式驱动系统的特点，采用了 液压先导控制料罐旋转速度[2-4]。料罐驱动液压系统 原理图如图 1。 油箱中的油液经吸油过滤器过滤后，到达闭式 驱动泵的吸油口，高压油液通过闭式驱动泵的工作 油口 W1、 W2 到达马达的 M1、 M2 口，驱动马达旋 转。闭式驱动泵内置有补油泵，由其提供压力油源 经过控制手柄后，控制闭式驱动泵的斜盘摆角改 变， 达到控制料罐正转或者反转。 料罐的旋转速度设计时，参照工程用混凝土搅 拌车的标准，在运输过程中料罐以 2～3 r/min 的速 度进行顺时针旋转， 到达卸料点后,料罐的旋转速度 需要提高到 14～16 r/min，经过高速搅拌 2 min 左 右，使混凝土均匀混合后，通过控制驱动泵使料罐 再以 14～16 r/min 的速度逆时针旋转， 卸出料罐中的 混凝土。料罐的旋转速度在高低 2 个速度之间频繁 变换，控制手柄采用了摩擦定位的方式，改变手柄 角度就可以控制料罐的旋转速度[4]。 2存在问题及原因分析 防爆搅拌车在实际使用中，驾驶员反映车辆的 操控性不好，尤其是在井下巷道小角度急弯处， 车 辆侧倾角增大，导致车辆稳定性较差。但在厂区进 行测试时，未出现类似的情况。通过跟车观察驾驶 人员的操作，发现在车辆的行驶过程中，控制手柄 原为小角度低速控制料罐的旋转速度，但是驾驶员 会在无意中将控制手柄推到最大位置处，闭式泵斜 盘处于最大位置处，原本低速旋转的料罐变为了高 速旋转。行驶中发动机转速提高，搅拌车的料罐旋 转速度也相应的增加，料罐内的混凝土离心力增 大， 加剧了车辆的不稳定性， 使驾驶人员有车辆侧翻 的感觉， 这在混凝土运输过程中是十分危险的， 必须 从根源上杜绝这种情况。要求设计人员改进料罐的 液压控制系统， 即使在驾驶人员误操作时， 也不能出 现车辆行驶中， 料罐高速旋转的情况。 3料罐转速控制系统优化 3.1方案分析 煤矿用防爆搅拌车驱动料罐的传动路线如下 发动机驱动液力变矩器、 闭式泵和料罐驱动马达， 经 减速器减速后驱动料罐。发动机与料罐之间通过液 力机械传动， 闭式泵与料罐马达之间是液压传动。 原车设计时， 通过控制手柄的角度变化， 控制驱 动闭式泵的排量，达到改变料罐转速的目的。原车 选用的 REXROTH 厂家的闭式泵工作原理如图 2。 闭式泵的排量变化是由控制压力和位置反馈共 同作用决定的，即控制压力与变量活塞缸位移产生 的力平衡。当 Y1口有控制油压信号时， 控制变量比 例阀向右移动， 此时闭式泵 G 口的补油泵油液经过 控制变量比例阀到达变量活塞缸的 Z1腔， 变量活塞 258 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 缸向右移动，同时带动变量斜盘的倾角变大，使位 置反馈连接杆绕其支撑点旋转，对变量控制比例阀 有向左的作用力。即 psA1-K1S1K2S1F（1） 式中 ps为补油泵压力； A1为变量活塞缸活塞面 积； K1、 K2为变量活塞缸回位弹簧刚度； S1为变量活 塞缸活塞位移； F 为连杆杆支撑力。 位置反馈连接杆通过支撑点对控制变量比例阀 的阀芯产生向左复位力， 使阀芯克服 Y1口油压力的 作用， 最终使阀芯复位， 闭式泵 G 口的补油泵高压 油被阻断，变量活塞缸带动闭式泵的变量斜盘行程 一定的倾角并保持，闭式泵按所需排量恒定的将油 液供给执行元件。 pcA-Kv1S2Kv2S2Fcosθ（2） 式中 pc为控制压力； A 为变量控制比例控制腔 面积； Kv1、 Kv2为变量控制比例阀复位弹簧刚度； S2 为变量控制比例阀阀芯位移； θ 为连杆杆倾斜角度。 当控制变量比例阀的阀芯复位后，控制变量比 例阀在控制压力的作用下与位置反馈连接杆绕支撑 点产生的力相平衡， 上述公式可简化为 pcAFcosθ（3） 通过计算可知 REXROTH 厂家的闭式泵可以通 过调节控制变量比例阀的 Y1、Y2控制压力， 使变量 活塞缸运动到与控制压力相匹配的位置，由位置反 馈连接杆在驱动闭式泵的变量斜盘倾角的同时， 将 位置反馈连接杆的另一端推动控制变量比例阀回 位，最终实现对闭式泵的排量随控制压力的变化而 变化。 根据防爆搅拌车在实际运行时，料罐的旋转速 度基本都在 23 r/min 和 1416 r/min 这 2 个速度 段工作的特点，直接采用传统的节流控制来调整料 罐的转速，必然会引起液压系统过热，必须加大液 压油散热器。而煤矿井下搅拌车整车尺寸较小， 结构 紧凑， 任何结构的调整都需要更换机架， 且成本高。 基于上述闭式泵的工作原理，结合实际工况，可通 过改变控制压力，调整驱动闭式泵斜盘倾角，达到 控制闭式泵排量的目的。由于料罐的旋转速度仅需 要 2 个速度， 可以在控制手柄的进油口之前， 将流进 控制手柄的压力油控制到设定的压力值，改变斜盘 的倾角，使驱动闭式泵的流量满足料罐高低转速的 需要[6]。改进后的料罐驱动液压系统原理图如图 3。 改进后的料罐驱动液压系统在原有的基础上增 加了换向阀、 压力控制阀、 梭阀及单向阀， 驾驶员可 以操作换向阀选择料罐的旋转速度。换向阀不操作 时，补油泵提供的压力油经换向阀进入到压力设定 值低的压力控制阀Ⅰ， 再经过控制梭阀、 控制手柄进 入到闭式驱动泵的变量油缸内，使斜盘角度发生改 变，此时闭式驱动泵的流量刚好驱动料罐在低速状 态下旋转。换向阀操作换向时，补油泵提供的压力 油经换向阀进入到压力设定值高的压力控制阀Ⅱ， 再经过控制梭阀、控制手柄进入到闭式驱动泵的变 量油缸内， 使斜盘角度变为最大， 此时闭式驱动泵的 全流量工作， 驱动料罐在高速状态下旋转。 由于在换向阀切换时，压力控制阀不能将原有 的控制油液泄回油箱，导致小压力的信号不能及时 的传递到闭式驱动泵的变量油缸内，因此增加了单 向阀Ⅰ、 单向阀Ⅱ使残余控制信号能够及时泄压。 换向阀在选型时采用了手动和液控 2 种控制方 式， 由变速箱的传动压力油控制液控换向， 当车辆换 挡行走时， 传动油压力升高， 将换向阀换向， 使料罐 自动处于低速状态； 当车辆换为空挡， 传动油压力变 为 0， 手动换向阀操作换向， 使料罐处于高速状态。 避免了人为失误， 造成车辆行驶时， 料罐处于高速旋 转状态， 提高了车辆行驶的安全性[7-8]。 3.2理论分析 原有液压元件的参数如下 ①防爆发动机 怠速 650 r/min， 最高转速 2 200 r/min； ②变矩器 减速比 1.06；③闭式驱动泵排量 55 mL/r，工作压力 21 图 3改进后的料罐驱动液压系统原理图 Fig.3Schematic diagram of the improved drive hydraulic system for material tank 259 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 MPa； ④料罐驱动马达 排量 75 mL/r， 工作压力 25 MPa； ⑤减速器 减速比 109。 闭式驱动泵控制压力与 排量对应关系如图 4。 由图 4 可以看出在控制压力为 0.6 MPa 时， 斜 盘摆角开始变化，泵的排量逐渐增大，当控制压力 为 5 MPa 时， 斜盘角度变为最大， 此时泵全排量输 出。负坐标表示泵变量机构的另一端有控制信号， 使泵的输出口改变， 实现马达的正转或反转。 当料罐在低旋转速度， 即 3 r/min， 这时料罐驱 动马达需要的流量为 Qm1 n1r1Vm 1 000ηv （4） 式中 Qm1为料罐驱动马达低转速时所需流量； n1为料罐低速旋转速度； r1为减速器的减速度比； Vm为料罐驱动马达的排量； ηv为料罐驱动马达的容 积效率。 此时驱动闭式泵的排量为 qp Qm1 ner2 （5） 式中 qp为闭式驱动泵的排量； ne为防爆发动机 的转速； r2为变矩器的减速比。 Qpqpne（6） 式中 Qp为闭式驱动泵的流量。 将液压元件的参数的参数代入式 （4） 、 式 （5） ， 可以计算出料罐在低转速时，闭式驱动泵的排量为 11.2 mL/r， 对应泵的控制压力为 1.4 MPa， 此压力为 压力控制阀Ⅰ的设定值。防爆发动机全油门时， 由 式 （6） 计算出闭式驱动泵的流量为 26.12 L/min。 在防爆发动机全油门驱动，闭式驱动泵最大排 量的条件下， 校核料罐的转速为 r3 ner2qmax Vmr1 η（7） 式中 r3为料罐的最大转速； qmax为闭式驱动泵 的最大排量； η 为综合容积效率。 将相关参数代入式 （7） ， 计算出料罐的转动速度 为 14 r/min， 符合混凝土卸料时 1416 r/min 的转速 要求，此时需要将压力控制阀Ⅱ的控制压力设定为 5 MPa， 闭式驱动泵的排量达到 100。由式 （6） 计算 出闭式驱动泵的流量为 128.26 /min[9-10]。 4结语 结合煤矿井下使用的防爆搅拌车的实际工况， 提出了调节闭式泵控制压力实现控制搅拌车料罐转 速的策略，通过对闭式泵的工作原理分析和试验测 试可以得出，调节闭式泵控制压力能够改变闭式驱 动泵的排量，并与车辆的换挡机构相互关联，确保 车辆行驶时，料罐低速旋转。避免了料罐在车辆行 驶中旋转速度过快，造成防爆搅拌车在行驶时因料 罐中的混凝土重心变化， 使车辆的稳定性下降， 易引 发车辆失控或翻车等安全事故。 参考文献 ［1］ 周旭.煤矿混凝土搅拌车的开发和应用 ［J］ .煤矿机械， 2018， 39 （7） 121-122. ［2］ 国家安全生产监督管理总局， 国家煤矿安全监察局. 煤矿安全规程 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 2016. ［3］ 王瑞龙.国内外防爆车辆技术标准分析 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （3） 216-218. ［4］ MT/T 9892006 矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技 术条件 ［S］ . ［5］ 刘世亮.小型搅拌车液压系统优化 ［J］ .机床与液压， 2018 （16） 83-84. ［6］ 雷天觉.液压工程手册 ［M］ .北京 机械工业出版社， 1990. ［7］ 路甬祥.液压气动技术手册 ［M］ .北京 机械工业出版 社， 2002. ［8］ 姚怀新.工程车辆液压动力学与控制原理 ［M］ .北京 人民交通出版社， 2006. ［9］ 王庆.防爆混凝土搅拌车液压驱动系统的设计 ［J］ .煤 矿机械， 2017 （9） 5-6. ［10］ 王锋， 张轩， 王晓宁.混凝土搅拌车液压传动系统动 力分析与匹配 ［J］ .汽车实用技术， 2017 （3） 66-68. 图 4闭式驱动泵控制压力与排量对应关系图 Fig.4Relation diagram of control pressure and displacement of closed drive pump 作者简介 马艳卫 （1982） ， 河北石家庄人， 副研究员， 从事煤矿机电产品的开发与管理工作。 （收稿日期 2019-11-29； 责任编辑 李力欣） 260