煤礦用快掘成套設備A11VLO 液壓泵優(yōu)化研究

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，不會產生很大的噪音。氣蝕產生的噪聲，其幅值和頻率可通過聽覺明顯分辨出來。

異常噪音的產生，可以進一步理解為油液進入柱塞腔的過程中，壓力已經低于空氣分離壓力，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

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。根據數據可知，潰滅產生的巨大壓力，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據分析

針對A11VLO 斜盤式柱塞泵故障問題，在某礦進行實際工況數據采集，所用到測試設備是HYDAC 便攜式數據采集儀，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采集工作，如圖5。綜合數據可以得出，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

經比對兩者參數可知，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

（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生高速度，高速液體經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生足夠的離心力從而使其產生高速運動，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，同時需匹配施工工況。