煤礦井下大流量泥漿泵車液壓系統(tǒng)設(shè)計與研究

姚亞峰，曹 靜，王 普，杜小山

(1.煤炭科學(xué)研究總院 ，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦井下泥漿泵輸出的泥漿液可作為鉆孔沖洗液，也可為孔底螺桿馬達提供動力，目前廣泛應(yīng)用于煤礦井下鉆孔施工中。由于泥漿泵質(zhì)量和體積較大，在煤礦井下搬遷運輸不方便，因此經(jīng)常把泥漿泵安放在履帶車體上，依靠履帶驅(qū)動行走，并配套液壓系統(tǒng)后形成泥漿泵車。隨著煤礦井下鉆孔施工能力的日趨提升，對泥漿泵車的流量和壓力輸出要求也越來越大。目前常用的煤礦井下泥漿泵車中泥漿泵的輸出流量為390～460L/min，但對于“以孔代巷”的大直徑鉆進、超深孔定向鉆進以及其他特殊鉆孔來說，需要選用超大流量及高壓力的泥漿泵，根據(jù)鉆孔需要，新選型的泥漿泵最大流量達到2000L/min。泥漿泵車性能的提升對液壓系統(tǒng)的要求也大大增加，因此為大流量泥漿泵車設(shè)計出適合的液壓系統(tǒng)非常重要。

1 液壓系統(tǒng)總體方案

液壓系統(tǒng)按照油液循環(huán)方式分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩種[1-3]。開式系統(tǒng)是指泵從油箱吸油進入工作油路，油液完成工作后回到油箱。開式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)散熱性能好，液壓件可選擇性多。目前煤礦井下常用的鉆探設(shè)備如鉆機、泥漿泵車等的液壓傳動系統(tǒng)通常選擇開式系統(tǒng)。但開式系統(tǒng)也有一些缺點，需要的油箱體積較大，油箱有效容積一般為泵流量的3～7倍，對于行走設(shè)備和冷卻效果比較好的設(shè)備，油箱容積可選擇小些，但一般也為泵流量的1.5～2倍以上。另外開式系統(tǒng)中油箱油液常與空氣接觸，空氣易于滲入系統(tǒng)。閉式系統(tǒng)是指泵的吸油口、排油口直接與液壓執(zhí)行元件的進油口、出油口相連。閉式系統(tǒng)需要的油箱體積較小，空氣進入油液的機會少；但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，散熱條件較差，并要求有較高的過濾精度[4-7]。為了補償油液泄露，通常需要一個小的補油泵，為系統(tǒng)提供補油和散熱。目前煤礦井下應(yīng)用閉式系統(tǒng)的主要有無軌膠輪車等行走機械設(shè)備。

對于最大輸出流量為2000L/min的大流量泥漿泵車來說，設(shè)備的元件尺寸較大，受巷道尺寸、井下行走、運輸?shù)鹊臈l件限制，要求泥漿泵車的尺寸不應(yīng)超過配套鉆機的尺寸，因此對大流量泥漿泵車的外形尺寸提出了更高要求。泥漿泵車液壓系統(tǒng)包括泥漿泵馬達回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和履帶行走系統(tǒng)。泥漿泵馬達回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用是輸出所需壓力、流量的沖洗液。煤礦井下大流量泥漿泵車選用大流量泥漿泵，需要的油泵排量大，若按照開式系統(tǒng)設(shè)計，油箱體積太大，會導(dǎo)致泵車整體尺寸很大，因此泥漿泵馬達回轉(zhuǎn)系統(tǒng)可選用閉式系統(tǒng)。履帶行走系統(tǒng)的作用是完成泵車的行走、轉(zhuǎn)向和制動，油泵流量小，因此履帶行走系統(tǒng)適合選用結(jié)構(gòu)簡單的開式系統(tǒng)。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

該泥漿泵車的液壓系統(tǒng)采用三聯(lián)泵驅(qū)動，其液壓系統(tǒng)包括泥漿泵馬達回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和履帶行走系統(tǒng)。

2.1 泥漿泵馬達回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

泥漿泵馬達回轉(zhuǎn)系統(tǒng)為雙泵閉式液壓系統(tǒng)，采用兩個閉式泵并聯(lián)控制，系統(tǒng)中包括了電動機、閉式泵、補油泵、吸油濾油器、油箱、高壓濾油器、功率閥、遠控手柄、沖洗閥、泥漿泵馬達、單向背壓閥、冷卻器、回油濾油器等部件。電動機起動后，閉式泵輸出高壓油，經(jīng)沖洗閥后進入泥漿泵馬達，泥漿泵馬達的出油經(jīng)沖洗閥后再回到閉式泵，形成閉式循環(huán)。泥漿泵遠控手把為兩聯(lián)，分別連接兩個閉式泵，通過操作泥漿泵遠控手把控制泥漿泵馬達的正轉(zhuǎn)、停止。

閉式泵中內(nèi)置變量控制模塊，該模塊是與先導(dǎo)壓力相關(guān)的液壓比例控制模塊。2個閉式泵的變量控制模塊分別有控制油口Y11、Y12和Y21、Y22，泵的輸出流量與施加到兩個控制油口的先導(dǎo)信號壓力差成比例[8]。由于泥漿泵馬達的工作狀態(tài)只有正轉(zhuǎn)和停止，沒有反轉(zhuǎn)，所以系統(tǒng)中泥漿泵遠控手柄的工作油路直接連接變量控制模塊的先導(dǎo)信號油口Y11和Y12口，Y21和Y22口接回油箱，實現(xiàn)了閉式泵正轉(zhuǎn)時的流量控制。閉式系統(tǒng)中不再需要安裝多路換向閥，減少了液壓管路，降低了系統(tǒng)的節(jié)流損失，使系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)。

閉式泵中內(nèi)置補油泵，該泵為小型液壓齒輪泵，和閉式泵同軸連接。補油泵具有三個作用：①用于補償閉式系統(tǒng)的油液損失；②為變量控制模塊提供先導(dǎo)壓力控制油；③可以增加泵的吸油口壓力，使吸油更加順暢。

功率閥的作用是控制閉式泵的功率。功率閥使用前需要進行功率設(shè)定，來自閉式泵工作油液壓力的高低決定功率閥的開啟和關(guān)閉。當(dāng)閉式泵的工作壓力低于功率閥的設(shè)定壓力時，功率閥關(guān)閉，泵以最大排量輸出，此時若需要調(diào)節(jié)排量可通過操作遠控手柄來實現(xiàn)。當(dāng)閉式泵的工作壓力高于功率閥的設(shè)定壓力時，功率閥開啟，來自補油泵的先導(dǎo)控制油一部分通過功率閥回到油箱，使得先導(dǎo)控制壓力降低，從而使泵的排量相應(yīng)減小，保持功率不變，實現(xiàn)功率控制。

沖洗閥安裝在工作回路中，由熱油梭閥、溢流閥等部件組成。沖洗閥中的熱油梭閥為低壓優(yōu)先閥，閉式系統(tǒng)工作回路中的低壓側(cè)油液經(jīng)過沖洗閥后可少量流出回到油箱，提高系統(tǒng)的冷卻效果。泥漿泵馬達回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓原理如圖1所示。

1—電動機；2—閉式泵；3—補油泵；4—吸油濾油器；5—油箱；6—高壓濾油器；7—功率閥；8—遠控手柄；9—沖洗閥；10—泥漿泵馬達；11—單向背壓閥；12—冷卻器；13—回油濾油器 圖1 泥漿泵馬達回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓原理圖

2.2 履帶行走系統(tǒng)

履帶行走系統(tǒng)為單泵開式系統(tǒng)，采用一個開式泵控制，系統(tǒng)中包括了電動機、開式泵、吸油濾油器、油箱、高壓濾油器、多路換向閥、遠控手柄、行走馬達、冷卻器、回油濾油器等部件。電動機起動后，開式泵經(jīng)吸油濾油器吸入低壓油，輸出的高壓油經(jīng)高壓過濾器過濾后進入多路換向閥。多路換向閥由兩聯(lián)組成，左起第一聯(lián)連接履帶左行走馬達，通過左行走遠控手把控制左行走馬達的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止；左起第二聯(lián)連接履帶右行走馬達，通過右行走遠控手把控制右行走馬達的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。開式泵的回油進入回油集合塊后，經(jīng)冷卻器和回油濾油器回到油箱。履帶行走系統(tǒng)液壓原理如圖2所示。

1—電動機；2—開式泵；3—吸油濾油器；4—油箱；5—高壓濾油器；6—多路換向閥；7—遠控手柄；8—行走馬達圖2 履帶行走系統(tǒng)液壓原理圖

3 液壓系統(tǒng)主要元件計算選型

液壓系統(tǒng)中主要參數(shù)為壓力、排量、流量、轉(zhuǎn)速、功率，是選擇電機、液壓泵、馬達等液壓元件的重要依據(jù)[9，10]。

3.1 電機和閉式泵的選型

泵車選用的泥漿泵自帶液壓馬達，已知液壓馬達的最大流量750L/min和建議的驅(qū)動功率280kW。根據(jù)泵車的實際工作情況，可知泥漿泵工作和履帶行走不會同時進行，所以可按照閉式系統(tǒng)的參數(shù)選擇功率280kW、轉(zhuǎn)速1480r/min的電機。閉式泵的排量可根據(jù)泥漿泵馬達的參數(shù)計算：

式中，qb為泵的排量，mL/r；Qm為馬達流量，L/min；nb為泵的轉(zhuǎn)速，r/min；ηb為泵的效率。

代入數(shù)據(jù)計算得閉式泵所需排量為533mL/r，考慮到大流量泵通用性差、性價比較低等因素，因此選擇兩個排量為280mL/r的閉式泵共同驅(qū)動泥漿泵馬達，可滿足需求。

3.2 開式泵的選型

根據(jù)泵車的總重量和行走速度，為泵車選用了相應(yīng)的履帶車體和行走馬達。行走馬達為兩個，分別驅(qū)動左、右履帶。將行走馬達的參數(shù)代入式(1)中，可得單個行走馬達所需的開式泵排量為35mL/r，因此選擇排量為71mL/r的開式泵驅(qū)動兩個行走馬達。

4 液壓系統(tǒng)冷卻

閉式系統(tǒng)的工作油液循環(huán)使用，系統(tǒng)發(fā)熱量大，油箱體積小，散熱性能較差，容易發(fā)生油溫過高的現(xiàn)象。因此解決閉式液壓系統(tǒng)的冷卻問題非常重要[11，12]。為此，該液壓系統(tǒng)設(shè)計了三種方式來增加系統(tǒng)的散熱：一是利用沖洗閥使閉式回路中高溫油液流出后進入回油集合塊后，經(jīng)冷卻器和回油濾油器回到油箱，增加系統(tǒng)的冷卻；二是沖洗閥流出的油液分出一路經(jīng)過單向背壓閥后進入馬達殼體，使馬達殼體中的油液循環(huán)后經(jīng)過冷卻器回到油箱，實現(xiàn)對馬達殼體中的油液冷卻，其中的單向背壓閥可使進入馬達殼體的油液壓力不超過殼體允許的最大壓力值；三是開式系統(tǒng)的多路換向閥選用開心式，可在履帶不行走時，使多路閥進油口和回油口連通，多路閥卸荷，油液經(jīng)冷卻器回油箱，使油箱中的油液循環(huán)冷卻。

液壓系統(tǒng)的散熱最終是通過冷卻器來對油液進行強制冷卻，因此需要計算最大功率情況下冷卻器的散熱效果是否滿足需求，下面通過數(shù)據(jù)計算為冷卻器進行選型。

4.1 系統(tǒng)的發(fā)熱功率

液壓系統(tǒng)工作時，液壓泵、馬達等液壓元件和液壓管路存在泄漏及摩擦損失，因此液壓系統(tǒng)會消耗部分功率轉(zhuǎn)化成熱量。液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率計算：

H=1000Pb(1-η)

(2)

式中，H為液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率，W；Pb為液壓泵的總輸入功率，kW；η為液壓系統(tǒng)總效率。

液壓泵的總輸入功率為電動機的功率280kW，額定工況時的總效率為0.68，代入式(2)可得液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率為89600W。

4.2 冷卻器散熱面積

式中，A為冷卻器的散熱面積，m2；k為冷卻器的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Δtm為油和水之間的平均溫差，K。

冷卻器的傳熱系數(shù)根據(jù)板式冷卻器水冷的性能取值465W/(m2·K)，油和水之間的平均溫差根據(jù)已知的數(shù)據(jù)即進油溫度348.15K、出油溫度323.15K、進水溫度303.15K、出水溫度313.15K計算為27.5K，代入式(3)可得冷卻器所需的散熱面積為7m2，因此選擇傳熱面積為10.26m2的釬焊板式冷卻器對液壓系統(tǒng)進行冷卻，再考慮到油箱的自然散熱，該冷卻器完全可以滿足液壓系統(tǒng)的散熱需求。

5 結(jié) 語

根據(jù)煤礦井下大流量泥漿泵車的特殊工作環(huán)境，設(shè)計了泥漿泵車的馬達回轉(zhuǎn)閉式液壓系統(tǒng)和履帶行走開式液壓系統(tǒng)，將閉式系統(tǒng)應(yīng)用于泥漿泵馬達的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，既大幅度減小了油箱尺寸，使泥漿泵車結(jié)構(gòu)更加緊湊，滿足現(xiàn)場使用，又降低了泥漿泵大流量輸出時液壓系統(tǒng)的節(jié)流損失。針對重要液壓元件進行了計算選型，為泥漿泵車的參數(shù)設(shè)計提供了可靠保證。針對煤礦井下應(yīng)用時，設(shè)備的通風(fēng)、散熱條件較差，閉式系統(tǒng)更容易發(fā)熱問題，通過在液壓系統(tǒng)中設(shè)計了三種散熱方式，并對冷卻器的選型進行了計算分析，能很好解決閉式液壓系統(tǒng)的散熱問題，對其他類似大功率產(chǎn)品的液壓系統(tǒng)設(shè)計具有較好的參考意義。