詹東陽(yáng)，顏威合，李 博

(河南省煤科院科明機(jī)電設(shè)備有限公司，河南 鄭州 450001)

ZBYS3/10-11型煤礦用液壓注漿泵是利用液壓缸活塞帶動(dòng)漿缸活塞，推動(dòng)漿液產(chǎn)生較高的注射壓力，使一種注漿材料或2種混合注漿材料向巖土地基的裂隙和空腔中進(jìn)行壓力注射，以滿(mǎn)足注漿工藝的要求[1-3]。該泵可適用于有爆炸性氣體混合物存在的環(huán)境中，如煤礦井下采掘面工作面注漿防滲、堵水、加固，巖巷及混凝土井壁注漿防滲、堵水、加固，也可適用于隧道工程的填充以及加固補(bǔ)強(qiáng)、錨桿加固注漿[4-5]，建筑工程的防止地表下沉，鐵路、公路工程滑坡防護(hù)，糾正建筑物偏斜等所進(jìn)行的注漿工程[6-9]。液壓注漿泵采用液壓控制技術(shù)，利用液壓缸活塞與注漿缸活塞面積比，可設(shè)計(jì)出所需的合適壓力和流量的各型號(hào)注漿設(shè)備[10-11]。ZBYS3/10-11型煤礦用液壓注漿泵存在長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性差、長(zhǎng)時(shí)間工作存在換向機(jī)構(gòu)連接片連接孔間隙過(guò)大、甚至斷裂風(fēng)險(xiǎn)、影響設(shè)備正常工作等問(wèn)題，而且裝配要求高，還存在液壓系統(tǒng)工作中油溫過(guò)高。本文對(duì)原有換向機(jī)構(gòu)存在的結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行了闡述，并改進(jìn)了該換向裝置的結(jié)構(gòu)形式，并且優(yōu)化改進(jìn)了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠較好地滿(mǎn)足注漿作業(yè)的需求。

1 主要結(jié)構(gòu)與工作原理

(1)煤礦用液壓注漿泵的結(jié)構(gòu)。主要包括泵送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、吸排漿閥組、混合器、換向機(jī)構(gòu)、機(jī)架等。

(2)工作原理。其工作原理為由電機(jī)驅(qū)動(dòng)恒功率柱塞泵產(chǎn)生的高壓油液，通過(guò)液壓系統(tǒng)推動(dòng)泵送系統(tǒng)的液壓缸內(nèi)的活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，液壓缸活塞桿帶動(dòng)漿液缸的活塞亦同時(shí)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在吸排漿閥組配合的作用下，完成漿液缸的吸、排漿工作，然后通過(guò)混合器，經(jīng)高壓管注入注漿孔內(nèi)。

2 換向機(jī)構(gòu)的作用

換向機(jī)構(gòu)用來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)先導(dǎo)閥的換向，然后先導(dǎo)閥再控制液動(dòng)換向閥換向，實(shí)現(xiàn)液壓缸的換向，從而實(shí)現(xiàn)該泵的正常動(dòng)作，保證設(shè)備注漿作業(yè)的有序進(jìn)行。

2.1 原有換向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式及缺點(diǎn)

原換向機(jī)構(gòu)如圖1所示。原有的換向機(jī)構(gòu)是由底座、推桿、滑動(dòng)支撐座、推桿彈簧、銅套、擋板、撥叉、連接片等組成。

圖1 原換向機(jī)構(gòu)Fig.1 Original reversing gear

原換向結(jié)構(gòu)在換向過(guò)程中存在推桿遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常的運(yùn)行速度，會(huì)對(duì)推桿和閥芯的連接部位造成極大的沖擊。長(zhǎng)時(shí)間工作容易造成連接片連接孔變形甚至開(kāi)裂，該泵便無(wú)法工作。如果加大連接片的厚度，容易造成先導(dǎo)閥閥芯端部連接孔開(kāi)裂；調(diào)試復(fù)雜，要保證活塞桿與推桿的同軸度，才能保證推桿運(yùn)動(dòng)順暢；另外結(jié)構(gòu)復(fù)雜，該換向機(jī)構(gòu)的零部件較多。

2.2 改進(jìn)后的換向機(jī)構(gòu)的裝配形式及優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)方案對(duì)比以及技術(shù)總結(jié)[12-13]，改進(jìn)后的換向機(jī)構(gòu)如圖2所示。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)取消了推桿彈簧，對(duì)裝配精度要求相對(duì)較低，新的結(jié)構(gòu)采用盤(pán)式推動(dòng)撥叉的方式，采用同步的換向速度，由于取消了推桿彈簧，避免了原有的換向沖擊對(duì)換向機(jī)構(gòu)連接件的破壞，從而避免了原有的換向機(jī)構(gòu)存在的缺陷，保證了該泵的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作[14-15]。

圖2 改進(jìn)后的換向機(jī)構(gòu)Fig.2 Improved reversing mechanism

改進(jìn)后換向機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的支架及保護(hù)罩，既保證了撥叉及先導(dǎo)換向閥的固定，又將運(yùn)動(dòng)部件內(nèi)置其中，保護(hù)設(shè)備使用時(shí)人身免受傷害；②原有的通過(guò)彈簧彈力傳遞拉力推動(dòng)先導(dǎo)閥芯沖擊大，改進(jìn)后的換向撥盤(pán)推動(dòng)撥叉的方式，取消了推桿彈簧，可以大大降低換向沖擊，在順利換向的同時(shí)，與先導(dǎo)換向閥連接的撥叉不存在繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，有利于對(duì)換向機(jī)構(gòu)的保護(hù)；③采用新的換向機(jī)構(gòu)后，在換向機(jī)構(gòu)支架強(qiáng)度足夠的條件下，可以將液壓缸和注漿缸布置于換向機(jī)構(gòu)支架的兩側(cè)，使得該泵的結(jié)構(gòu)布置更趨合理；④新的換向機(jī)構(gòu)相對(duì)于原有的換向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完備，優(yōu)勢(shì)較明顯。

3 液壓系統(tǒng)的改進(jìn)

原有液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 原液壓系統(tǒng)原理Fig.3 Original hydraulic system schematic diagram

該系統(tǒng)在執(zhí)行元件液壓缸換向瞬間，系統(tǒng)壓力會(huì)隨之升高，而此時(shí)蓄能器會(huì)工作在沖壓狀態(tài)，流量穩(wěn)定，在完成換向的瞬間，壓力下降，蓄能器會(huì)釋放壓力，蓄能器內(nèi)的液壓油會(huì)釋放，造成系統(tǒng)流量增加，會(huì)反向傳給液壓泵，這樣對(duì)液壓泵影響較大，可能造成液壓泵反轉(zhuǎn)或損壞；采用定量齒輪泵，通過(guò)溢流閥卸壓，既造成能源的浪費(fèi)，同時(shí)又增加了系統(tǒng)的負(fù)載壓力，也增大液壓系統(tǒng)的溫升。

優(yōu)化改進(jìn)后的液壓原理如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)原理Fig.4 Improved hydraulic system schematic diagram

首先，增加了單向閥，安裝在液壓泵的出口，可防止系統(tǒng)壓力突然升高(如蓄能器釋壓等)反向傳給液壓泵，避免泵反轉(zhuǎn)或損壞，起保護(hù)液壓泵的作用；原液壓系統(tǒng)采用定量齒輪油泵，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)大流量低壓、小流量高壓的液壓輸出特性，即在注漿前期，需要充填的裂隙很多、注漿阻力小、注漿量大，可以實(shí)現(xiàn)大流量注漿，注漿后期，需要充填的裂隙逐步被充填掉，相應(yīng)的注漿量減少，注漿阻力增加，注漿壓力的升高，對(duì)應(yīng)液壓系統(tǒng)壓力升高，液壓流量減少，滿(mǎn)足注漿的工藝需求[16]，但是，液壓系統(tǒng)壓力和流量不能自動(dòng)匹配調(diào)節(jié)，即在高壓時(shí)，系統(tǒng)還是維持高壓大流量的輸出，而過(guò)多的液壓流量只能是通過(guò)溢流閥卸壓，既造成能源的浪費(fèi)，同時(shí)又增加了系統(tǒng)的負(fù)載壓力，也增大液壓系統(tǒng)的溫升。采用恒功率變量柱塞泵的液壓系統(tǒng)工作，即當(dāng)系統(tǒng)壓力升高時(shí)，恒功率變量柱塞泵由其自身的壓力控制裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)其內(nèi)部的先導(dǎo)閥裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)柱塞泵的配油盤(pán)的角度，縮短柱塞泵柱塞的吸油行程，從而達(dá)到高壓低流量，當(dāng)壓力降低時(shí)，其內(nèi)部的先導(dǎo)閥裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)，恢復(fù)配油盤(pán)角度，增大吸油行程，以輸出更多的液壓油液，即將壓力和流量的乘積維持在某一恒定的狀態(tài)。這樣就解決了原有液壓系統(tǒng)和的缺陷，一方面降低了液壓系統(tǒng)油溫，保證了液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定。另一方面在溢流閥出現(xiàn)故障的情況下，電機(jī)可能過(guò)載，有效保護(hù)電機(jī)，液壓系統(tǒng)的恒功率變量控制。選用恒功率變量柱塞泵，相比同等級(jí)壓力及流量的其他非恒功率液壓泵，減少能耗 20%以上[17]。

4 試制、型式試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試用

4.1 試制、型式試驗(yàn)

換向機(jī)構(gòu)的各個(gè)零部件經(jīng)過(guò)強(qiáng)度計(jì)算及校核[18]，除先導(dǎo)閥換向閥底板采用調(diào)質(zhì)45號(hào)鋼外，其余均采用Q235A材料就能滿(mǎn)足其受力要求，這樣既經(jīng)濟(jì)，又能保證其整體強(qiáng)度；并對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了液壓?jiǎn)蜗蜷y，采用恒功率變量柱塞泵。經(jīng)車(chē)間加工生產(chǎn)，小批量試制后，對(duì)改進(jìn)后煤礦用液壓注漿泵完成2套成品試制。根據(jù)《機(jī)動(dòng)往復(fù)泵試驗(yàn)方法》(GB/T 7784—2006)中的有關(guān)規(guī)定，在試驗(yàn)車(chē)間進(jìn)行了型式試驗(yàn)。試驗(yàn)介質(zhì)采用清水，在型式試驗(yàn)中對(duì)該泵功能、液壓系統(tǒng)壓力、油溫以及動(dòng)作進(jìn)行了測(cè)試，沒(méi)有異常，該泵運(yùn)行平穩(wěn)?？煽啃栽囼?yàn)是在額定壓力下，泵送清水連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)72 h連續(xù)試機(jī)檢驗(yàn)[19-20]。注漿泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)試驗(yàn)可以對(duì)比出改進(jìn)前連接片連接孔表面接觸應(yīng)力破壞比較明顯，改進(jìn)后撥叉連接孔接觸表面無(wú)明顯變化。滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間工作的需求，且液壓系統(tǒng)油溫顯著下降。

4.1.1 換向結(jié)構(gòu)的理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于原換向機(jī)構(gòu)，從理論上分析，已知條件為，推桿彈簧原長(zhǎng)55 mm，線(xiàn)直徑3 mm，有效圈數(shù)為5圈，注漿壓力10 MPa，而注漿缸直徑和液壓缸一樣同為110 mm，忽略?xún)?nèi)耗的情況下，則液壓系統(tǒng)工作壓力同為10 MPa，液壓泵排量為50 mL/r，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 470 r/min，原換向推桿質(zhì)量為1.3 kg，在推桿工作時(shí)同軸度不夠高的特定情況以及先導(dǎo)換向閥阻力聯(lián)合作用下，此機(jī)構(gòu)有關(guān)參數(shù)計(jì)算如下。根據(jù)彈簧常數(shù)公式：

(1)

式中，G為線(xiàn)材的鋼性模數(shù)；d為線(xiàn)直徑；Dm為中徑；N為總?cè)?shù)；Nc為有效圈數(shù)。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得出，K=0.547 5 kgf/mm。

在換向過(guò)程中，存在極限狀況彈簧壓縮至線(xiàn)徑接觸時(shí)，根據(jù)胡克定律F=-k×x，先導(dǎo)換向閥閥芯所受的總力為：F=219 N。在全流量時(shí)，活塞桿相連的撥叉的運(yùn)動(dòng)速度為：

V=q×1.47/(s/60)

(2)

式中，q為液壓泵流量；r為電機(jī)轉(zhuǎn)速；s為液壓缸缸筒面積。

則VB=0.129 m/s，根據(jù)工程計(jì)算，液壓換向的時(shí)間一般為0.5 s完成，沖量公式與動(dòng)量矢量公式：

(3)

則換向受彈力瞬間時(shí)的速度vL=1.9 m/s。

經(jīng)過(guò)分析可知，在特定條件下，換向速度達(dá)到1.9 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常的運(yùn)行速度0.129 m/s，與原分析吻合。在換向過(guò)程中，沖擊比較大，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，取消彈簧結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比如下。改進(jìn)前原連接片使用后表面狀況如圖5所示，改進(jìn)后換向撥叉使用后表面狀況如圖6所示。原換向連接片連接孔表面已經(jīng)有輕微表面應(yīng)力破壞，而改進(jìn)后的換向撥叉表面無(wú)明顯變化。

圖5 改進(jìn)前原連接片使用后表面狀況Fig.5 Improve the surface condition of the original connecting piece after use

圖6 改進(jìn)后換向撥叉使用后表面狀況Fig.6 Surface condition of the improved shift fork after use

4.1.2 液壓系統(tǒng)溫度測(cè)定情況

液壓系統(tǒng)改進(jìn)前后工作時(shí)間與溫度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 液壓系統(tǒng)改進(jìn)前后工作時(shí)間與溫度關(guān)系Fig.7 Relationship between before and after hydraulic system improvement，working time and temperature rise

由圖7可知，隨著注漿工作的持續(xù)，液壓系統(tǒng)溫度逐漸升高，最后達(dá)到平衡。綜合來(lái)說(shuō)，同等條件下，相比定量泵，采用恒功率變量柱塞泵油溫可以降低16 ℃，減緩了密封件老化變質(zhì)，延長(zhǎng)了使用壽命，保持密封性能，防止系統(tǒng)泄漏，液壓系統(tǒng)良好工作得到保證。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試用

改進(jìn)后的ZBYS3/10-11型煤礦用液壓注漿泵先后在焦煤集團(tuán)、鶴壁煤業(yè)集團(tuán)、永煤集團(tuán)等眾多煤礦企業(yè)中使用，效果良好，得到廣大用戶(hù)的一致好評(píng)。采用改進(jìn)后方案的換向機(jī)構(gòu)能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間的注漿作業(yè)，沒(méi)有出現(xiàn)撥叉連接孔表面應(yīng)力破壞的情況；改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)，其液壓系統(tǒng)最高溫度保持在50 ℃以下，傳動(dòng)電機(jī)至今沒(méi)有出現(xiàn)使用問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

ZBYS3/10-11型煤礦用液壓注漿泵換向機(jī)構(gòu)以及液壓系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了原有換向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，取消了推桿彈簧，極大地降低了換向機(jī)構(gòu)的連接沖擊力，使其換向沖擊顯著降低；改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)，油溫顯著降低，液壓系統(tǒng)最高溫度保持在50 ℃以下，液壓系統(tǒng)節(jié)能在20%以上，整機(jī)工作穩(wěn)定可靠。具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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