礦用防爆吸污車液壓及氣動系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化

陳永峰 郭培燕

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系， 陜西 渭南 714000;2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

礦用防爆吸污車是一種煤礦井下無軌輔助運輸車輛，主要用于對煤礦井下水倉中沉淀的煤泥、固體顆粒物或其他雜物進行清理，將煤泥等雜物吸到吸污罐并運到適當(dāng)?shù)攸c進行排污處理。該類車型的使用解決了我國煤礦井下長期依靠人工利用鐵鍬等方式清理水倉的問題，減輕了工人的勞動強度，提高了煤礦生產(chǎn)效率[1]。而氣動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)作為整車的核心系統(tǒng)，其性能的好壞不僅影響到整車的工作效率，更是影響到整車的安全性和可靠性。

1 礦用防爆吸污車的結(jié)構(gòu)特點

礦用防爆吸污車的外形如圖1所示，主要由發(fā)動機裝置、傳動裝置、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、氣動吸排污系統(tǒng)及機架等組成。該車的主要特點是不僅配備有煤泥攪拌裝置，使吸污作業(yè)更快捷有效，同時在邏輯操作上使得整車行走和吸污兩套系統(tǒng)相互閉鎖，操作安全性高。

2 氣動系統(tǒng)的工作原理

礦用防爆吸污車氣動系統(tǒng)的主要功能是抽吸煤礦井下水倉中沉淀的煤泥等雜物和排放罐體中的煤泥等雜物。該系統(tǒng)主要由四通閥、真空泵、水氣分離器、一級油氣分離器、二級油氣分離器、防溢裝置、吸污罐和管路等組成，其工作原理如圖2所示。

圖1 礦用防爆吸污車外形圖Fig.1 Outline drawing of the explosion- proof suction sewage vehicle in coal mine1—發(fā)動機裝置；2—傳動裝置；3—液壓系統(tǒng)；4—電氣系統(tǒng)；5—氣動排污系統(tǒng)；6—機架

在吸污工況時，將四通閥旋轉(zhuǎn)至吸污位置，此時氣體流向為吸污罐內(nèi)。帶有一定濕度的空氣經(jīng)四通閥進入水氣分離器，在這里水被分離出來，而氣體則到達真空泵的吸氣口。氣體在真空泵內(nèi)與泵內(nèi)的潤滑油混合，然后從真空泵的排氣口排出。油氣混合物經(jīng)一級油氣分離器進行初步分離，分離出的潤滑油流回油箱，油氣混合物再經(jīng)二級油氣分離器進一步進行分離，分離出的氣體進入四通閥然后直接排到大氣或通過除臭器再排到大氣。當(dāng)吸污罐內(nèi)的真空度達到一定值時，打開與吸污管連接的球閥，即可向吸污罐內(nèi)吸進煤泥等雜質(zhì)。

在排污工況時，為了防止整車向后傾翻和損壞前后機架鉸接部位，應(yīng)先開啟排污口上的球閥，排出一定量的煤泥等雜質(zhì)后再通過罐體油缸和后蓋開啟油缸使吸污罐舉升并打開后蓋進行卸載。為了加快向外排污的速度，可向吸污罐內(nèi)進行加壓，此時氣體流向為：將四通閥旋轉(zhuǎn)至排污位置，空氣從四通閥排氣裝置口吸入，經(jīng)水氣分離器到真空泵的吸氣口。氣體在真空泵內(nèi)與泵內(nèi)的潤滑油混合，然后從真空泵的排氣口排出，先后經(jīng)過一級油氣分離器和二級油氣分離器再進入四通閥，最后進入吸污罐，向吸污罐內(nèi)加壓使煤泥等雜質(zhì)快速排出。

圖2 礦用防爆吸污車氣動原理簡圖Fig.2 Pneumatic schematic diagram of the explosion-proof suction sewage vehicle in coal mine

3 液壓系統(tǒng)的工作原理

液壓系統(tǒng)主要由吸污控制回路、制動回路以及轉(zhuǎn)向回路組成，其工作原理如圖3所示。

3.1 吸污控制回路

吸污控制回路中的真空泵采用雙聯(lián)齒輪泵—真空泵驅(qū)動馬達的驅(qū)動形式，真空泵與真空泵驅(qū)動馬達串聯(lián)連接，通過操縱行走吸污切換閥即可實現(xiàn)行走和吸污兩套系統(tǒng)之間的相互閉鎖，使得操作安全性更高。為了使吸污作業(yè)更有效快捷，整車配備有攪拌裝置，該攪拌裝置的特點是可手持，受水倉位置限制小，靈活性高，便捷性強。通過操縱多路換向閥可實現(xiàn)攪拌馬達的正反轉(zhuǎn)，使得攪拌后的煤泥與污水能夠?qū)崿F(xiàn)均勻抽吸，同時也可通過操縱多路換向閥實現(xiàn)卸污后蓋的開啟關(guān)閉以及罐體的舉升下降。

3.2 制動回路

液壓制動回路主要由液壓泵、溢流閥、雙回路充液閥、蓄能器、雙回路液壓制動閥、手動制動閥、多功能濕式制動器等組成。該套系統(tǒng)的最大特點是使用了雙回路液壓制動閥和多功能濕式制動器，該制動器將駐車制動器和行車制動器集成在一起，使制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，制動時溫升小、磨損少、壽命長，且不需獨立的潤滑和冷卻系統(tǒng)，安全可靠[2]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。而雙回路制動閥的使用使得前后驅(qū)動橋兩套制動回路之間相對獨立，當(dāng)一個回路出現(xiàn)故障時，第二個回路仍然可以正常工作，從而使整車制動更安全可靠。

3.3 轉(zhuǎn)向回路

[3-6]，通過建立雙橋驅(qū)動鉸接式礦用防爆吸污車在空載和滿載2種狀態(tài)下的原地轉(zhuǎn)向運動學(xué)和動力學(xué)模型，利用虛位移原理計算整車的最大轉(zhuǎn)向阻力矩，以此為依據(jù)確定液壓油缸、轉(zhuǎn)向器以及液壓泵的相關(guān)參數(shù)，該轉(zhuǎn)向回路采用了由靜態(tài)信號負荷傳感流量放大型轉(zhuǎn)向器、液壓泵、溢流閥、優(yōu)先閥及轉(zhuǎn)向油缸等組成的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

圖3 礦用防爆吸污車液壓原理Fig.3 Hydraulic schematic diagram of the explosion-proof suction sewage vehicle in coal mine1—雙聯(lián)齒輪泵；2—行走吸污切換閥；3—真空泵驅(qū)動馬達；4—單穩(wěn)閥；5—攪拌馬達；6—罐體油缸；7—后蓋開啟油缸；8—多路換向閥；9—多功能濕式制動器；10—雙回路液壓制動閥；11—雙回路充液閥；12、13—蓄能器；14—駐車制動閥；15—液控換向閥；16—轉(zhuǎn)向器；17—優(yōu)先閥；18—轉(zhuǎn)向油缸

圖4 多功能濕式制動器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure diagram of the multi-function wet-type brake1—左壓盤；2—半軸；3—鋼片；4—粉片；5—彈簧；6—行車制動活塞；7—右壓盤；8—橋殼；9—駐車(緊急)制動活塞；10—碟簧；A—行車制動油口；B—駐車(緊急)制動油口

4 制動回路的優(yōu)化

該型車輛在初期使用過程中存在點剎過于靈敏，制動沖擊力大，操縱舒適性差的問題。經(jīng)分析，主要原因是由于所選用的雙回路液壓制動閥的壓力輸出特性與多功能濕式制動器產(chǎn)生的制動力矩匹配不當(dāng)造成的[7]。該雙回路液壓制動閥閥芯的動作是通過單彈簧控制的，其輸出特性如圖5所示，當(dāng)駕駛員在行走過程中需要減速時，踩下制動踏板后制動力增加的速率較快，經(jīng)常會出現(xiàn)一腳踩下去車輛立即抱死停車的現(xiàn)象。

圖5 優(yōu)化前制動壓力與踏板角位移關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the pre-braking pressure and the pedal angular displacement

圖6 優(yōu)化后制動壓力與踏板角位移關(guān)系圖Fig.6 Relationship between the optimized braking pressure and the pedal angular displacement

為了減少制動沖擊力，提高駕駛員操縱舒適性，通過分析采用了雙彈簧控制雙回路制動閥閥芯動作實現(xiàn)變斜率輸出特性的結(jié)構(gòu)[8-9]，其輸出特性曲線如圖6所示。此時踏板運行的行程包括3個階段，第一階段為0～5°，第二階段為5°～12.5°，第三階段為12.5°～16°。從圖6可以看出，第三階段直線的斜率要大于第二階段直線的斜率，制動壓力隨踏板角位移變化增加的速度非常清楚直觀地體現(xiàn)在2條直線上，制動壓力在第二階段增加相對較慢，在第三階段增加相對較快。之所以出現(xiàn)這種狀況，是因為在第二階段時，閥芯的動作只與其中1根彈簧有關(guān)，而在第三階段時，閥芯的動作與其中2根彈簧都關(guān)聯(lián)，第三階段彈簧的剛度要大于第二階段彈簧的剛度。

雙回路液壓制動閥的這種變斜率輸出特性非常適合駕駛員對車輛的制動操縱，有利于提高車輛的制動平穩(wěn)性。如果車輛在行駛過程中需要減速而不是停車時，駕駛員通過操縱踏板，使踏板處在第二階段即可滿足制動要求，因為此時，制動力增加緩慢，駕駛員更容易控制車輛行駛狀態(tài)，不至于一腳踩下去車輛立即抱死停車。當(dāng)車輛在行駛過程中需要制動停車時，駕駛員則需操縱踏板使其經(jīng)歷三個階段，在第二階段，可使車輛先減速運行，當(dāng)車輛速度減小以后，再經(jīng)歷第三階段的快速減速，最終使車輛停止?？梢?，雙回路液壓制動閥的這種輸出特性，既能夠緩沖制動前沖現(xiàn)象，又能夠保證車輛及時制動停車，從而非常理想地滿足了車輛制動需求。

5 結(jié) 論

(1)液壓系統(tǒng)中采用了多功能濕式制動器，實現(xiàn)了行車制動、駐車制動及緊急制動3種功能，不僅減少了制動器的重復(fù)布置，使得傳動系結(jié)構(gòu)簡單，也不易受外界惡劣環(huán)境如高粉塵等的影響，性能可靠。

(2)在吸污系統(tǒng)中采用了攪拌裝置，使得吸污作業(yè)高效快捷。

(3)在整車吸污系統(tǒng)與行走系統(tǒng)之間采用了閉鎖功能，使得操作安全性更高。

(4)采用了雙彈簧控制雙回路制動閥閥芯動作實現(xiàn)變斜率輸出特性的結(jié)構(gòu)，減少了制動沖擊現(xiàn)象，提高了駕駛員的操作舒適性。

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