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煤礦用快掘成套設備A11VLO 液壓泵優(yōu)化研究

2023-01-04 08:20:06王紅民
鑿巖機械氣動工具 2022年4期
關鍵詞:斜盤增壓泵吸油

王紅民

(中國鐵建重工集團股份有限公司液壓研究設計院,湖南長沙 410100)

1 引言

煤礦是我國重要能源產(chǎn)業(yè)之一,在國家政策引導下,煤礦機械化水平不斷提高。近年來掘進的效率遠遠低于采煤工作面的效率,加速了快速掘錨機成套設備的應用??焖倬蝈^成套設備均采用液壓系統(tǒng)驅動,而液壓柱塞泵則是整套液壓系統(tǒng)的核心、關鍵部件。

目前國內快速掘錨機成套設備采用的液壓柱塞泵,主要有兩種型號,一種是A4VSO,另外一種是A11VLO。兩種液壓泵均為斜盤柱塞泵,同時均可以通軸驅動、開式系統(tǒng)使用。我公司設計選型時,基于工程機械使用情況,選擇A11VLO 斜盤式柱塞泵作為液壓系統(tǒng)主泵。

在設備實際使用過程中,現(xiàn)場客戶反饋,在某些工況下,液壓泵出現(xiàn)異響、使用壽命無法達到預期設計。此種現(xiàn)象影響了設備實際使用周期和施工效率,客戶迫切需要解決此問題。目前,由于快速掘錨成套設備處于前期應用階段,針對其液壓系統(tǒng)相關研究文獻較少,已有文獻都是針對施工工藝、工法上的研究。針對A11VLO 斜盤式柱塞泵在快速掘錨機成套設備的應用優(yōu)化,值得重視而深入研究。

2 A11VLO 斜盤式柱塞泵結構及工作原理

A11VLO 斜盤式柱塞泵結構見圖1。柱塞置于缸體孔中,其軸線與傳動軸的軸線一致。柱塞的另一端通過滑靴與斜盤滑動配合。斜盤的傾角可以改變。缸體隨著驅動軸一起轉動。由于缸體的軸線與斜盤的軸線成一角度,所以柱塞會在缸體孔中前后移動,外伸時完成吸油過程,內縮時完成排油過程[1]。

圖1 A11VLO 斜盤式柱塞泵結構

柱塞位移通過配流盤完成吸油和排油的過程,改變斜盤的傾角和轉速,可以改變泵的流量;用作馬達時,輸出轉速和轉矩則分別與輸入流量和進出壓力差成正比。

3 A11VLO 斜盤式柱塞泵故障件拆解

針對客戶反饋的情況,對A11VLO 斜盤式柱塞泵故障件進行拆解,其中,故障件配流盤產(chǎn)生氣蝕造成銅層脫落,見圖2。柱塞滑靴潤滑不充分造成異常磨損[2],見圖3。

圖2 A11VLO 斜盤式柱塞泵配流盤氣蝕—銅層剝落

圖3 A11VLO 斜盤式柱塞泵柱塞磨損

根據(jù)拆解可得出,吸油壓力不足所造成的失效模式便是氣蝕。氣蝕會造成零件表面材料的剝落,造成零件功能的喪失。同時剝落的金屬碎屑進入到泵體以及液壓系統(tǒng)油路后,會造成阻尼孔的阻塞,在相對滑動表面形成磨粒磨損,甚至相對運動零件間形成粘著磨損以至直接咬合。進而造成柱塞泵內部泄漏量增大,無法建立更高的壓力。

同時,伴隨以上現(xiàn)象出現(xiàn)的還有異常的噪音。對于正常柱塞泵而言,不會產(chǎn)生很大的噪音。氣蝕產(chǎn)生的噪聲,其幅值和頻率可通過聽覺明顯分辨出來。

異常噪音的產(chǎn)生,可以進一步理解為油液進入柱塞腔的過程中,壓力已經(jīng)低于空氣分離壓力,進而造成空氣析出。通常情況下,絕對壓力低于0.6 bar 時,空氣便開始析出。所以適當提高吸油口壓力,便可提高吸油過程的油液壓力,抑制空氣的析出。

油液中析出的氣泡到達高壓區(qū)后,在外界的高壓下會被壓潰。壓潰過程中產(chǎn)生的巨大噴射力(圖4 中的Micro jet)直接作用在金屬表面,導致金屬表面的變形,以致剝落。一個公式可以簡單地計算氣泡壓潰時內部的壓強大?。?/p>

圖4 空氣在液壓油中狀態(tài)

式中 Pi——氣泡潰滅時氣泡內的壓強

P0——氣泡內的初始壓強

R0——氣泡初始半徑

R——氣泡潰滅時的半徑

γ——氣泡內氣體的絕熱指數(shù)

上式表明,當固體邊界附近的氣泡潰滅時,半徑R 變得很小,氣泡中心靠近氣泡邊界,可認為最大壓強Pmax就在邊界附近,峰值非常大。例如,設P0=0.1 MPa,R0/R=20,γ=1.4,則Pmax=2.91×104MPa。根據(jù)數(shù)據(jù)可知,潰滅產(chǎn)生的巨大壓力,使金屬輕易被啃噬。

4 掘錨一體機液壓柱塞泵吸油壓力測試數(shù)據(jù)分析

針對A11VLO 斜盤式柱塞泵故障問題,在某礦進行實際工況數(shù)據(jù)采集,所用到測試設備是HYDAC 便攜式數(shù)據(jù)采集儀,利用壓力傳感器和傳感器線檢測A11VLO 斜盤式柱塞泵吸油口壓力,完成不同工況下吸油口壓力輸出參數(shù)采集工作,如圖5。綜合數(shù)據(jù)可以得出,吸油口壓力高于設計要求壓力,均大于0.8 bar。

圖5 A11VLO 斜盤式柱塞泵吸油口壓力曲線

5 A11VLO 斜盤式柱塞泵參數(shù)分析

5.1 斜盤柱塞泵內部結構對比

力士樂A11VLO 斜盤式柱塞泵是開式液壓系統(tǒng)傳動,廣泛應用于工程機械。而此種規(guī)格柱塞泵有兩種類型,一種為A11VLO,見圖6;另外一種則為A11VO,見圖7。

圖6 A11VLO 斜盤式柱塞泵內部結構

圖7 A11VO 斜盤式柱塞泵內部結構

經(jīng)比對兩者參數(shù)可知,兩者的主要區(qū)別:A11VLO 泵后面內置一個增壓泵,而A11VO 后面沒有。內置增壓泵是為了提高泵的最高允許轉速,以匹配發(fā)動機。從表1 可以看出,內置增壓泵后A11 泵允許的最高轉速提高了很多。

表1 A11V 斜盤式柱塞泵轉速參數(shù)

(1)A11VLO(帶增壓泵)式柱塞泵吸油口壓力準許最高不超過2 bar(絕對壓力);

(2)A11VLO(帶增壓泵)式柱塞泵不適合于采用置于油箱上部的安裝形式。可以直觀地理解為,泵的吸油口要保持在液位以下。

以上兩點要求完全基于A11VLO 斜盤式柱塞泵結構及工作原理。該增壓泵是一個閉式的離心葉輪(離心泵)。離心泵的工作原理是:離心泵工作時,液體注滿泵殼,葉輪高速旋轉,液體在離心力作用下產(chǎn)生高速度,高速液體經(jīng)過逐漸擴大的泵殼通道,動壓頭轉變?yōu)殪o壓頭。離心泵在工作時,必須先向殼體內注滿液體,不然在起始階段葉輪無法對液體產(chǎn)生足夠的離心力從而使其產(chǎn)生高速運動,也就無法將液體從低處被吸到高處[3]。

通過現(xiàn)場跟班觀察,并對已售出設備進行跟蹤匯總分析,當液壓油箱液位低于A11VLO 斜盤式柱塞泵中線時,液壓泵開始產(chǎn)生異響噪音;當設備屬于下坡時,液壓泵處于高點,液壓油位較低時,在首次啟機及工作中,液壓泵異響噪音更加明顯。

5.2 A11VLO 斜盤柱塞泵使用優(yōu)化

快速掘錨機成套設備會隨著煤層上下起伏,存在下坡工況;同時設備在運轉作業(yè)時,操作人員易忽視液壓油箱油位,經(jīng)常使液壓系統(tǒng)在低液位工作?;谝陨蟽牲c,A11VLO 斜盤式柱塞泵吸油處于不良狀態(tài),造成吸空問題,柱塞泵內部結構損傷[4]。為了解決此問題,做出以下幾點優(yōu)化:

(1)現(xiàn)場施工設備增加副油箱,保證設備無論在上坡還是下坡施工工況,柱塞泵的吸油油位均高于泵體最高點。使A11VLO 斜盤柱塞泵內置離心泵處于最佳工作狀態(tài),工作時吸油順暢。

(2)液壓油箱液位增設液位傳感器,當液位高度低于泵體最高點時,對動力源進行強制停機控制,避免A11VLO 斜盤柱塞泵在吸空狀態(tài)下長時間運轉。待操作人員補充液壓油位至最低點以上后,設備恢復正常運轉。

(3)增加排氣裝置,當設備停止一段時間后首次啟機前,將柱塞泵吸油口排氣裝置打開,對液壓系統(tǒng)排氣。

(4)設備首次啟動運轉后,盡快操作空載執(zhí)行機構動作,將系統(tǒng)內混入氣體,盡快排出液壓系統(tǒng)。

6 結束語

對A11VLO 斜盤式柱塞泵優(yōu)化改進后,工作中柱塞泵異響噪音消失,同時經(jīng)過后期驗證,柱塞泵使用壽命達到預期要求,極大地提高了施工效率。

在液壓元件的選用過程中,需詳細了解元件參數(shù),同時需匹配施工工況。

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