乳化炸药地下装药车液压系统过热问题的研究.pdf

第3 2 卷第3 期 2 0 1 2 年0 6 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V o I ．3 2 №3 J u n e2 0 1 2 乳化炸药地下装药车液压系统过热问题的研究① 刘林林，成志强，吴晓梦 湖南金能科技股份有限公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要为解决乳化炸药地下装药车液压系统的高温问题，对地下装药车液压系统和油液温升进行了分析，并对散热系统进行了 改进，在油箱中增设温度传感器，采用闭式控制系统，在传统的液压冷却系统中引人变频技术，成功地解决了长期以来乳化炸药地 下装药车液压系统过热问题。 关键词地下装药车；乳化炸药；液压系统；过热 中图分类号T D 2 3 5 文献标识码A 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 2 0 3 0 0 2 6 - 0 4 R e s e a r c ho nH y d r a u l i cS y s t e mO v e r - h e a t i n gP r o b l e m si n U n d e r g r o u n dE x p l o s i v eC h a r g i n gV e h i c l e L I UL i n l i n ，C H E N GZ h i q i a n g ，W UX i a o m e n g H u n a nK e n o nS c i e n c e ＆T e c h n o l o g yC oL t d ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t I nv i e wo ft h eo v e r h e a t i n gp r o b l e m si nt h eh y d r a u l i cs y s t e mo fu n d e r g r o u n de x p l o s i v ec h a r g i n gv e h i c l e ，s o m e m e a s u r e sw e r et a k e nt oi m p r o v et h er a d i a t o rs y s t e mb a s e dO i lt h ea n a l y s i so fh y d r a u l i cs y s t e ma n do i lt e m p e r a t u r er i s e ， i n c l u d i n gi n s t a l l i n ga d d i t i o n a lt e m p e r a t u r es e n s o ri n o i l t a n k ，a d o p t i n gc l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e ma n di n t r o d u c i n g v a r i a b l ef r e q u e n c yt e c h n o l o g yi nt r a d i t i o n a lh y d r a u l i cc o o l i n gs y s t e m ．P r a c t i c es h o w e dt h a tl o n g e x i s t e do v e r h e a t i n g p r o b l e mw a ss u c c e s s f u l l ys o l v e d ． K e yw o r d s u n d e r g r o u n dc h a r g i n gv e h i c l e ；e m u l s i o ne x p l o s i v e ；h y d r a u l i cs y s t e m ；o v e r h e a t i n g 乳化炸药地下装药车主要用于地下矿山爆破过程 中连续化机械化装药。工作时起动动力系统和输送系 统，通过自动对孔技术，运用泵送方式将散装炸药送入 地下矿山的炮孔中，联接起爆网络即可爆破，从而实现 地下矿山装药爆破机械化和自动化。地下装药车在欧 美国家推广使用非常普遍，已成为主要装药手段和装 备。国内外大部分采用人工半自动装药方式，在装药 过程中存在劳动强度过大、向上炮孔装药出现返料现 象等。本乳化炸药地下装药车采用全自动液压装药方 式，并且在送管机构末端添加气囊式防返料机构，很好 地解决了返料问题⋯。与以往的商品炸药相比，采用 地下装药车的混装设备有以下特点嵋1 ①可实现炮孔 耦合装药，大幅度提高炸药能量和炮孔利用率。爆后 岩石块度小，可提高铲运效率。②装药效率高、操作 简单、大幅降低操作工人劳动强度。③安全性好，乳 胶基质可以在常温存储、运输及使用，减少了炸药流通 环节中的不安全因素，而且各关键部位均设置超温、超 压、断料等保护装置，可全方位确保整个系统安全运 行。④具有较好的社会经济效益。装药车使用散装 乳胶基质，可省去商品炸药的人工费用如包装费、运输 成本费。且爆破后有毒气体和烟雾少，有利于环保。 地下装药车绝大部分工序通过液压传动完成，而 且地下装药车行驶环境恶劣，作业时间连续，故对液压 系统要求较高，在调试过程中，出现了液压油温度骤 升，达到8 0 ℃甚至更高，以至全车停机，影响作业。为 解决地下装药车液压系统的高温问题，本文对地下装 药车液压系统和油液温升进行了分析，并提出了相应 解决措施。 1 液压油液温度升高原因及对液压系 统的主要影响 正常工作情况下，工程机械液压系统中的油液温 度一般都应控制在4 0 8 0 ℃范围内，在此温度范围 内，设备的工作状况和液压油的寿命都较为理想，但由 于各种原因，实际液压系统油液温度超出了正常值。 一般温度升高的主要原因有①油箱容积太小，散热 ①收稿1 3 期2 0 1 1 ．1 2 ．1 6 作者简介刘林林 1 9 8 6 一 ，男。江西莲花人，硕士研究生．主要从事乳化炸药生产线和乳化炸药现场混装技术的研发工作。 万方数据 第3 期刘林林等乳化炸药地下装药车液压系统过热问题的研究 面积不够，冷却装置容量过小；②系统中卸荷回路出 现故障或因未设置卸荷回路，停止工作时油泵不能卸 荷，泵的全部流量在高压下溢流，产生溢流损失而发 热，导致温升；③元件精度不够及装配质量差，相对运 动件问的摩擦损失大；配合件的配合间隙太小，或使用 磨损后导致间隙过大，内、外泄漏量大，造成容积损失 大，温升快；④液压系统工作压力调整得比实际需求 高很多，导致温升过快；⑤选择油液的粘度不当，粘度 大则粘性阻力大，粘度太小则容易泄露增大，两种情况 均能造成油液发热温升。 当油液温度超出正常范围，油液温度的升高对液 压系统直接带来诸多不利影响p 1 ，如①油液粘度降 低，元件及系统内泄量增加，泵的容积效率明显降低； ②液压元件相对运动表面的润滑油膜变薄，润滑性能 变差，使液压件磨损加剧；③油液温度过高使机械产 生热变形，引起液压元件受热膨胀，使不同材料的运动 副之间的间隙发生变化，造成动作不灵或“卡死”，工 作性能降低；④油液流经节流小孔或缝隙式阀口时的 流量增大，使原来调定的特性发生变化，特别是液压随 动系统，活塞运动速度不稳定，系统的作业精度降低； ⑤油液氧化加快，导致油液氧化变质，降低油液的使 用寿命；橡胶密封件迅速变化变质，失去密封性能。 2 液压系统油温变化分析 2 ．1 液压系统功率损失造成油温上升 乳化炸药地下装药车工作时，液压泵和液压缸的 容积损失和机械损失都需消耗一定能量，同时在能量 转化过程中，液压系统的阻力必然消耗一部分能量，功 率损失转化成热量，使油液温度升高。另外压力损失 引起的功率损失也会使油液温度升高，压力损失是指 因液压油的粘性阻力和流经内部障碍时产生的压力 降，前者被称为沿程压力损失，是由液压油流动时的内 摩擦引起的；后者称为局部压力损失，由油液流向方向 或流速等的突然变化，在局部区域形成漩涡使质点相 互碰撞摩擦而引起一。。 2 ．2 发热量及热平衡计算 2 ．2 ．1 发热量计算乳化炸药地下装药车液压系统 主要包括底盘液压转向系统、车体液压制动系统、装药 液压系统。系统由泵、多路阀、液压油缸、摆动油缸、液 压马达等组成。根据液压系统的特征计算如下 1 液压泵能量损失产生的热量凰o H l 8 6 0 p 6 l Q 1 一叩 A ／6 0 1 其中P 鲥为油泵的使用压力，M P a ；Q 圳为油泵的额定流 量，L ／r a i n ；田为油泵的总效率；A 为油泵的功率利 用率。 2 液压马达、液压缸能量损失产生的热量H 2 H 2 8 6 0 N o 1 一刀把 2 其中Ⅳo 为输出功率；1 7 娩为马达、液压缸总效率。 3 溢流阀产生的热量H 3 H 3 8 6 0 P 船q 昭 3 其中P 毋为溢流阀溢流压力；％为溢流量，n 1 3 ／s 。 4 其他阀产生的热量风 皿 8 6 0 △P 柚△g H 4 其中△P 姐为经过该阀时油液产生的压降，M P a ；△g “为 经过该阀的流量，i n 3 ／s 。 5 背压产生的热量皿 风 8 6 0 k b p 砧Q 6 5 ／6 0 5 其中k 。为复合动作系数，一般取0 ．7 ；p 格为背压值， M P a ；Q 格为回油流量，一般按额定流量7 0 ％计算。 其他油液在液压油管内流动或卸荷回路中，发热 量与其散热量大致相等，故不予考虑。根据乳化炸药 地下装药车的工作特性，计算乳化炸药地下装药车在 装药过程的液压系统发热量为7 ．6 7X1 0 6J ／h 。 2 ．2 ．2 热平衡计算液压油箱的散热量胃 H k A t l t 2 6 其中k 为油箱表面散热系数，蠡 2 0k c a l ／ m 2 ℃h ； A 为油箱散热面积，m 2 ；l 。为液压系统液压油温度，℃； t 为油箱周围空气温度，℃。 根据式 6 ，取t 2 为4 0o C ，t l 暂定5 5 ℃，带入相 关参数，可得到油液散热量为5 ．6 9X1 0 6J ／h 。 通过上述热平衡计算，初步可以确定液压系统的 散热系统不能保证系统油液温度在5 5 ℃作业，即散热 系统不能满足要求。液压系统的散热系统设计之前没 有进行详细的热平衡计算，靠经验设计，在乳化炸药地 下装药车样车最初调试时，由于时值冬季，液压系统发 热问题没有暴露，但一到夏季，由于环境温度较高，液 压系统油液的高温问题逐步暴露。 2 ．3 散热系统缺陷引起温度上升 液压系统油温过高由两方面引起，即系统产生的 热量过多和系统的散热能力不足。系统产生的热量可 以通过油箱及元件向四周散发或通过热交换器强制冷 却，但如果液压系统中的散热面积不足则会破坏热平 衡，使系统的热量散不出去，致使油液温度升高；泵的 吸油滤油网器如果堵塞，会使吸油阻力变大，以致吸油 管路中压力过低，油泵的吸油腔中油液不能全部充满 空间，出现空穴现象，从而使温度急剧升高。53 ；如果散 热器跟油箱的散热面被粉尘或油泥等覆盖形成保温 层，则因传热系数降低而影响整个系统的散热；如果风 扇和冷却水泵的发动机转速过低，或是电机跟系统散 热需要风扇转速的匹配性不良，或是转速正常但是因 皮带松弛使速度降低，或实际环境温度与原设计的使 用环境温度相差太大等因素都会造成系统的散热能力 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 不足。当系统的散热能力达不到系统产生的热能时， 系统的温度就一直处于上升状态，从而导致液压系统 油液的温度升高。 3 存在的问题与改进措施 散热系统在维持传动系统正常工作方面发挥着极 其重要的作用，散热状况的正常与否，直接影响到水温 和油温的高低，从而对整车的工作产生重要影响。在 调试过程中，发现液压系统的散热系统远不能满足需 要，开机运行2 0m i n 后系统油温高达8 0 ℃，导致全车 停机。究其原因，认为在液压系统设计之初没充分考 虑到装药车的全液压驱动特性，只配了一套普通冷却 系统，如图1 所示，该系统包括冷却水箱、冷却水泵、冷 却风扇及其驱动电机。由冷却水箱中的水和液压油液 中油液管路在冷却器中实现冷热交换，以达到冷却油 液的目的。 圈l 原液压系统冷却系统示意 3 ．1 原冷却系统的缺陷 1 风扇效率低功率损失大。冷却风扇由发动机 直接驱动，装有风扇的发动机与装有风罩的散热器必 须分别用弹性支座固定在车架上，为避免风扇和风罩 在振动过程中相碰，两者间的间隙至少保证在1 5 2 0 m r n ，这极大的降低了风扇的容积效率，加上风扇机械 效率损失较大及液力效率不高，使得风扇总效率在 3 0 ％左右”j 。受空间的限制，散热器迎风面积不能做 得过大，故只能增加散热器散热管排数以弥补通风面 积的不足，但是这样就增加了散热器厚度，使空气流动 阻力变大，风速下降，风速是决定散热器散热能力的主 要因素。 2 冷却系统的开式控制系统不利于实现自适应 优化控制。冷却系统中的电动机转速都是依据经验选 取，在工作过程中不能实现自适应优化。在工作中随 着油液的温度升高或降低，冷却系统的电机始终以恒 定的转速转动，这样的冷却系统即使能满足使用要求， 也未必能满足节能指标。 另外地下装药车结构特点决定了其发热源大而 多，该车采用德国D E T U Z 公司B F 4 L 2 0 1 l 发动机，功 率为1 6 0k W ，工作时产生大量的热；3 2 作中的大臂、横 臂及送退管装置等因阻尼、压力等方面原因，也产生很 多热量。而且地下装药车工作场所为通风条件差的井 下矿山，靠自然风的冷却因素非常有限。 3 ．2 冷却系统的改进 通过上述分析，确定了冷却系统存在不足，但第一 点缺陷是结构性的不足，在尽量不改动整车结构的前 提下做了如下改动即把冷却系统的开式控制改成闭 式控制，在原有控制系统中多添加一个温度的控制信 号。其工作原理见图2 。相比原有的散热系统，改进 后的散热系统加入了变频调速技术，液压系统通过温 度信号采集、信号处理，通过电信号为媒介，实时改变 冷却泵和电风扇驱动电机转速，用数字反馈闭式控制代 替了原有的开式控制方式。工作时可根据油液的最佳 范围，设定P L C 程序中的设定温度值，当油液温度增大 时，油箱中的温度传感器采集变化的温度信号，反馈到 P L C 温度测控器，反馈信号通过A ／D 转换后于设定温 度最佳范围进行相关数学运算，运算结果通过D ／A 转 换成调节变频器的频率值，使电机增大转速或降低转 速，以保证油液的温度在最近工作范围内工作。就这样 温度传感器不断给测控器发送温度信号，并通过P L C 不 断进行比较，返回变频的频率信号，增加或降低转速，直 至液压油液在最佳工作范围，调节短暂结束。 图2 改进后的冷却系统示意 3 ．3 工业应用效果 在调试中，进行了模拟装药实验，在环境温度为 3 5 ℃的室外，炮孔直径为5 0m m ，炮孔深为4 0m ，每 个炮孑L 装药量约为9 0k g ，每个炮孔装药跟对孔时间 基本都保持在4m i n ，装药速度为1 5k r , ／r a i n 。在原有 液压冷却系统和改进冷却系统后的液压系统两种条件 下分别装满1 0 个炮孔的模拟基质，通过多次试验，测 得液压油液温度随装药时间之间的关系，经数据处理 后得出了装药时间与液压油液温度曲线见图3 和 图4 。 万方数据 第3 期 刘林林等乳化炸药地下装药车液压系统过热问题的研究 ， ．／ ．／ ．／ ／ 。一／ 图3 原液压系统温度装药量曲线 一／■1 ．／ ．／ y 。 一‘ 装药时问／m i n 图4 改进后液压系统温度- 装药量曲线 试验对比发现，改进后的液压系统油温得到改善。 经过大量试验表明，改善冷却系统后，该地下装药车的 液压性能比之前稳定得多，连续工作2h 后未出现因 油温过高而导致整车停机的现象。试验表明，通过引 入变频散热系统后，液压系统油液温度能保持在P L C 设定的范围内运行，从而很好的解决了因油液温度过 高而带来的一系列不利影响。 4 结语 通过在油箱中增设温度传感器，采用闭式控制系 统，在传统的液压冷却系统中引入变频技术，成功解决 了长期以来液压系统存在的高温问题。在结构上不作 大的调整的前提下，仅对冷却系统的控制方式进行局 部改进就可达到良好效果，且改进后的系统可以根据 现场油液温度进行自适应调整，达到了实时控制和节 能要求。全自动地下装药车的研究在我国目前还处于 初级阶段，虽然液压系统高温问题得到了很好解决，但 为了尽早把全自动化地下装药车投入矿山使用，还需 要在以下几个方面进一步改进①提高底盘、装药系 统和对孔装置三者的匹配性；②提高装药效率装药精 度；③改善控制形式；④解决乳胶基质敏化后在小直 径软管内的长距离输送；⑤快速准确实现炮孔自动定 位；⑥控制返药。 参考文献 [ 1 ] 张东升．伟博．治明，等．井下装药车及其应用前景[ J ] ．机 械管理开发．2 0 0 6 ，1 2 6 5 7 ． 【2 ] 汪旭光．乳化炸药 第二版 【M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 8 ． [ 3 ] 王文深．液压与气压传动技术[ M ] ．长春吉林科学技术出版社， 1 9 9 0 ． [ 4 ]宋庆松，陈燕．液压系统油温过高分析与控制研究[ J 】．现代 机械．2 0 1 0 2 l t 一1 5 ． [ 5 ]陈欠根，蒋丛华，郝鹏，等．挖掘机冷却系统的结构布置对改善 热平衡的影响fJ 1 ．工程机械，2 0 0 7 1 0 3 3 3 5 ． 上接第2 5 页 型是其核心的环节，而在三维地质体建模中，算法又是 核心环节中的核心。不断的改进三维地质体建模算法 和方法，有助于提高相关建模平台的易用性，加快矿山 信息化进程。地质构造的复杂性、地质勘探数据的稀 疏性及不确定性使得三维地质体建模有其特殊的难 题，就目前的算法水平来看还离不开交互式的建模方 法，对算法和方法的改进应该更多的降低人工参与的 工作量，提供界面更加友好、操作更加简单的交互建模 过程，这是本文建议的关于交互式三维地质体建模问 题的研究方向。 参考文献 [ 1 ] S i m o nW ．H o u l d i n g ．3 DG e o S c i e n e eM o d e l i n g [ M ] ．H o n gK o n g S p r i n g e r ，1 9 9 4 ． [ 2 ]侯恩科，吴立新．面向地质建模的三维体元拓扑数据模型研究 [ J ] ．武汉大学学报 信息科学版 ．2 0 0 2 ，2 7 5 4 6 7 4 7 2 ． [ ，]程朋根，龚健雅，史文中，等．基于似三棱柱体的地质体三维建 模与应用研究[ J ] ．武汉大学学报 信息科学版 。2 0 0 4 ，2 9 7 6 0 2 6 0 7 ． [ 4 ] O l i v aJM ，P e r r i nM 。c o q I | i l l 蚰s ．3 Dr e c o n s t n _ l c t i a no fc o m p l e xP 0 l - y h e d r a ls h a p e sf r o mc o n t m L r 面。唔as i m p l i f i e dg e n e r a l i z e dV o m o o i d i a g r a m [ J ] ．C o m p u t e r G r a p h i c s f o r u m ，1 9 9 6 ，1 5 3 3 9 7 一硼． 5 ] B a j a jcL ．A r b i t r a r y , o v a r ys h a p er e c o n s t r u c t i o nf r o mp l a n a rc r o s s s ∞t l o n f l [ J ] ．G r a p h i c a lm o d e l sa n di m a g ep r o c e s s i n g ，1 9 9 6 ．5 8 6 5 2 4 5 4 3 ． [ 6 ] 李梅．毛善君．马蔼乃．平行轮廓线三维矿体重建算法研究[ C ] ∥第十五届全国遥感技术学术交流会论文擒要集．贵阳，2 0 0 5 ． [ 7 】孟耀伟，王山东．基于实体模型的三维地学建模研究与实现 [ J 】．矿业快报，2 0 0 7 9 8 1 0 ． [ 8 ] G i l lB a r e a u e t 0 1 1 ．P i e e e w i s e L i n e a rI m e r p o l a t i o nb e t w e e nP o l y g o n a l S l i c e s [ J ] ．C o m p u t e rV i s i o na n dl Ⅻ铲U n d e r s t a n d i n g ．1 9 9 6 ．6 3 2 2 5 1 - 2 7 2 ． [ 9 ]w o l b e r gG ．D i 舀t a lI m a g ew a r p i n g [ M ] ．I E E EC o m p u t e rS o c i e t y P r e s s ．1 9 9 0 ． [ 1 0 】B e S e t T ，N e e l yS ．F e a l u r e b a s e d i m 舭m e t a m o r p h i n g [ J ] ．C o m p u t - e rG r a p h i c s ．1 9 9 2 ，2 6 2 3 5 4 2 ． [ 1 1 ] 王章野，鲍虎军，彭群生．交互三维形状过渡技术[ J ] ．软件学 报，1 9 9 8 ，9 9 6 6 5 6 7 0 ． 万方数据