乳化炸藥裝藥車推管液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉巍

希卓斯貝克瑪液壓系統(tǒng)（上海）有限公司 上海 201306

引言

乳化炸藥是新型含水炸藥的一種，具有安全性高、爆速大、抗水性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。乳化炸藥裝藥車主要應(yīng)用于地下金屬礦如鐵礦、銅礦、金礦等，在鑿巖臺(tái)車完成在礦石巖壁上鑿孔后，裝藥車將藥管推入這些孔中并填充炸藥，為后續(xù)爆破工作做準(zhǔn)備。因此，開(kāi)發(fā)一款使用乳化炸藥的裝藥車不僅可以提高爆破的效率，也為礦下作業(yè)人員帶來(lái)了極高的安全性。裝藥車的機(jī)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分：炸藥合成裝置，推管器，藥管卷筒，底盤，車身，大臂，電纜卷筒等。其中，推管器和藥管卷筒部分的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是重難點(diǎn)。

1 裝藥車推管液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

裝藥車推管機(jī)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成：藥管，推管器和藥管卷筒（如圖1所示）。推管器的作用是將藥管推入到礦孔中并注入炸藥。推管器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成通過(guò)夾緊油缸將四個(gè)棘輪夾緊藥管并依靠摩擦力將藥管推入孔中。藥管卷筒機(jī)構(gòu)用于纏繞藥管，其動(dòng)作需與推管器相輔相成：即藥管卷筒需隨推管器的前推而放管，隨推管器的后拉而收管。以確保藥管既不會(huì)出現(xiàn)松散的狀況，也不會(huì)因?yàn)楸贿^(guò)度拉緊而出現(xiàn)塑性變形。

圖1 推管系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1 藥管推管器部分液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

推管器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。推管器的四個(gè)棘輪設(shè)計(jì)成由擺線馬達(dá)[2]（圖2中2號(hào)件）驅(qū)動(dòng)，并將四個(gè)擺線馬達(dá)兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)。為了使藥管不出現(xiàn)偏磨的現(xiàn)象，對(duì)稱的兩個(gè)棘輪轉(zhuǎn)速同步是關(guān)鍵。因此，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)分流集流閥（圖2中4號(hào)件），理論上可使得兩個(gè)擺線馬達(dá)的同步流量誤差控制在5%以內(nèi)。

此外，藥管經(jīng)常在孔壁內(nèi)摩擦，屬于易損件，需要經(jīng)常更換。把四個(gè)棘輪設(shè)計(jì)成可張開(kāi)的形式更便于藥管的更換，棘輪的張開(kāi)和夾緊可通過(guò)油缸機(jī)構(gòu)來(lái)控制（圖2中1號(hào)件），棘輪夾緊后需要受到油缸穩(wěn)定的夾緊力才能在棘輪和藥管間產(chǎn)生足夠的摩擦力來(lái)完成推管動(dòng)作[3]。因此，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)先導(dǎo)減壓閥（圖2中6號(hào)件），可為夾緊油缸無(wú)桿腔提供一個(gè)恒定的壓力。油缸的夾緊力取決于先導(dǎo)減壓閥壓力設(shè)置的大小。

圖2 藥管推管器液壓系統(tǒng)原理圖

1.2 藥管卷筒部分液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

藥管卷筒通過(guò)液壓馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)，并配置了減速機(jī)來(lái)增大扭矩，其內(nèi)部的濕式離合器可用于藥管卷筒的制動(dòng)。藥管卷筒液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。推管器與藥管卷筒的線速度相匹配是重點(diǎn)：如果藥管卷筒的線速度大于推管器，那么藥管會(huì)出現(xiàn)松散的狀態(tài)；如果藥管卷筒的線速度小于推管器，那么藥管可能會(huì)因?yàn)槭艿降睦^(guò)大而出現(xiàn)塑性變形甚至斷裂。因此，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)恒壓變量柱塞泵（由圖3中1號(hào)件負(fù)載敏感泵和2號(hào)件直動(dòng)溢流閥組成）來(lái)驅(qū)動(dòng)藥管卷筒液壓馬達(dá)（圖3中6號(hào)件）,其是一個(gè)定量柱塞馬達(dá)。對(duì)于一個(gè)定量馬達(dá)來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的扭矩只取決于工作壓力。如果液壓泵能輸出給馬達(dá)提供恒定的工作壓力，那么藥管卷筒馬達(dá)上就能產(chǎn)生一個(gè)恒定的驅(qū)動(dòng)扭矩，即近似恒定的拉力作用在藥管上。

因此，當(dāng)推管器工作時(shí)，同時(shí)控制三個(gè)電磁閥S1、S3、S4動(dòng)作，就可在藥管卷筒上施加一個(gè)向后的恒定的驅(qū)動(dòng)扭矩。由此產(chǎn)生的拉力應(yīng)當(dāng)足以將藥管拉緊，但不能使藥管發(fā)生塑性變形，此拉力取決于直動(dòng)溢流閥壓力設(shè)置的大小。而先導(dǎo)溢流閥（圖3中8號(hào)件）的壓力設(shè)置比直動(dòng)溢流閥（圖3中2號(hào)件）高5bar左右。

圖3 藥管卷筒液壓系統(tǒng)原理圖

當(dāng)藥管有松散的趨勢(shì)時(shí)：馬達(dá)A口進(jìn)油；B口出油，先導(dǎo)溢流閥關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)卷筒迅速將藥管拉緊。當(dāng)推管器推動(dòng)藥管向前時(shí)：需要同時(shí)克服藥管卷筒向后的驅(qū)動(dòng)扭矩，此時(shí)馬達(dá)從A口出油，B口吸油，液壓馬達(dá)變成了液壓泵的功能；同時(shí)先導(dǎo)溢流閥打開(kāi)。這時(shí)，需要給馬達(dá)B口進(jìn)行補(bǔ)油：（馬達(dá)位置比液壓油箱高，因此補(bǔ)油困難）如果補(bǔ)油不充分，液壓馬達(dá)會(huì)出現(xiàn)失速的狀況，從而造成藥管在卷筒上的松散。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)性能滿足要求的補(bǔ)油泵（圖3中5號(hào)件），是本液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。補(bǔ)油泵的機(jī)構(gòu)原理是：將兩個(gè)齒輪機(jī)構(gòu)通過(guò)同軸連接保證工作時(shí)轉(zhuǎn)速完全一致，其一部分功能為齒輪馬達(dá)，另一部分功能為齒輪泵；齒輪泵比齒輪馬達(dá)的排量要大，這樣就可以有效彌補(bǔ)由于卷筒液壓馬達(dá)容積損失造成的吸油不足[4]。補(bǔ)油泵參數(shù)的選型如下：

式中 q1—齒輪馬達(dá)排量（cm3/r）；

q2—齒輪泵排量（cm3/r）；

ηMv—藥管卷筒馬達(dá)容積效率

η1v—齒輪馬達(dá)容積效率；

η2V—齒輪泵容積效率。

1.3 參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

將選定的參數(shù)分別代入公式進(jìn)行計(jì)算，并按照液壓元器件廠商提供的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格進(jìn)行合理匹配，得出裝藥車推管器液壓系統(tǒng)主要參數(shù)結(jié)果如表1所示。

表1 推管器液壓系統(tǒng)主要參數(shù)表

續(xù)表

2 樣機(jī)試驗(yàn)與成果

在裝藥車樣機(jī)完成裝配后，可對(duì)樣機(jī)推管液壓系統(tǒng)部分的參數(shù)依據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)其性能進(jìn)行多次試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。主要有設(shè)置夾緊油缸先導(dǎo)減壓閥的壓力，檢查夾緊力是否過(guò)大導(dǎo)致藥管變形，測(cè)試推管器的工作速度能否滿足設(shè)計(jì)的要求等。

通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：推管器上的夾緊油缸能提供足夠的夾緊力使四個(gè)棘輪同時(shí)夾緊藥管并穩(wěn)定的工作，推管器工作速度可滿足設(shè)計(jì)的要求；夾緊力設(shè)置合理，藥管也沒(méi)有出現(xiàn)變形的異常情況。由于分流集流閥的設(shè)計(jì)選型合理，相對(duì)稱的兩個(gè)棘輪也能獲得較精準(zhǔn)的同步轉(zhuǎn)速，使藥管沒(méi)有出現(xiàn)偏磨的現(xiàn)象。藥管卷筒能配合推管器高效的工作，很好地實(shí)現(xiàn)了兩者線速度的匹配。補(bǔ)油泵參數(shù)選型合理，藥管沒(méi)有出現(xiàn)因卷筒馬達(dá)失速導(dǎo)致的松散現(xiàn)象。