矿用防爆吸污车液压及气动系统的设计与优化

陈永峰 郭培燕

(1.陕西铁路工程职业技术学院 机电工程系， 陕西 渭南 714000;2.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

矿用防爆吸污车是一种煤矿井下无轨辅助运输车辆，主要用于对煤矿井下水仓中沉淀的煤泥、固体颗粒物或其他杂物进行清理，将煤泥等杂物吸到吸污罐并运到适当地点进行排污处理。该类车型的使用解决了我国煤矿井下长期依靠人工利用铁锹等方式清理水仓的问题，减轻了工人的劳动强度，提高了煤矿生产效率[1]。而气动系统和液压系统作为整车的核心系统，其性能的好坏不仅影响到整车的工作效率，更是影响到整车的安全性和可靠性。

1 矿用防爆吸污车的结构特点

矿用防爆吸污车的外形如图1所示，主要由发动机装置、传动装置、液压系统、电气系统、气动吸排污系统及机架等组成。该车的主要特点是不仅配备有煤泥搅拌装置，使吸污作业更快捷有效，同时在逻辑操作上使得整车行走和吸污两套系统相互闭锁，操作安全性高。

2 气动系统的工作原理

矿用防爆吸污车气动系统的主要功能是抽吸煤矿井下水仓中沉淀的煤泥等杂物和排放罐体中的煤泥等杂物。该系统主要由四通阀、真空泵、水气分离器、一级油气分离器、二级油气分离器、防溢装置、吸污罐和管路等组成，其工作原理如图2所示。

图1 矿用防爆吸污车外形图Fig.1 Outline drawing of the explosion- proof suction sewage vehicle in coal mine1—发动机装置；2—传动装置；3—液压系统；4—电气系统；5—气动排污系统；6—机架

在吸污工况时，将四通阀旋转至吸污位置，此时气体流向为吸污罐内。带有一定湿度的空气经四通阀进入水气分离器，在这里水被分离出来，而气体则到达真空泵的吸气口。气体在真空泵内与泵内的润滑油混合，然后从真空泵的排气口排出。油气混合物经一级油气分离器进行初步分离，分离出的润滑油流回油箱，油气混合物再经二级油气分离器进一步进行分离，分离出的气体进入四通阀然后直接排到大气或通过除臭器再排到大气。当吸污罐内的真空度达到一定值时，打开与吸污管连接的球阀，即可向吸污罐内吸进煤泥等杂质。

在排污工况时，为了防止整车向后倾翻和损坏前后机架铰接部位，应先开启排污口上的球阀，排出一定量的煤泥等杂质后再通过罐体油缸和后盖开启油缸使吸污罐举升并打开后盖进行卸载。为了加快向外排污的速度，可向吸污罐内进行加压，此时气体流向为：将四通阀旋转至排污位置，空气从四通阀排气装置口吸入，经水气分离器到真空泵的吸气口。气体在真空泵内与泵内的润滑油混合，然后从真空泵的排气口排出，先后经过一级油气分离器和二级油气分离器再进入四通阀，最后进入吸污罐，向吸污罐内加压使煤泥等杂质快速排出。

图2 矿用防爆吸污车气动原理简图Fig.2 Pneumatic schematic diagram of the explosion-proof suction sewage vehicle in coal mine

3 液压系统的工作原理

液压系统主要由吸污控制回路、制动回路以及转向回路组成，其工作原理如图3所示。

3.1 吸污控制回路

吸污控制回路中的真空泵采用双联齿轮泵—真空泵驱动马达的驱动形式，真空泵与真空泵驱动马达串联连接，通过操纵行走吸污切换阀即可实现行走和吸污两套系统之间的相互闭锁，使得操作安全性更高。为了使吸污作业更有效快捷，整车配备有搅拌装置，该搅拌装置的特点是可手持，受水仓位置限制小，灵活性高，便捷性强。通过操纵多路换向阀可实现搅拌马达的正反转，使得搅拌后的煤泥与污水能够实现均匀抽吸，同时也可通过操纵多路换向阀实现卸污后盖的开启关闭以及罐体的举升下降。

3.2 制动回路

液压制动回路主要由液压泵、溢流阀、双回路充液阀、蓄能器、双回路液压制动阀、手动制动阀、多功能湿式制动器等组成。该套系统的最大特点是使用了双回路液压制动阀和多功能湿式制动器，该制动器将驻车制动器和行车制动器集成在一起，使制动系统结构简单紧凑，制动时温升小、磨损少、寿命长，且不需独立的润滑和冷却系统，安全可靠[2]，其结构如图4所示。而双回路制动阀的使用使得前后驱动桥两套制动回路之间相对独立，当一个回路出现故障时，第二个回路仍然可以正常工作，从而使整车制动更安全可靠。

3.3 转向回路

[3-6]，通过建立双桥驱动铰接式矿用防爆吸污车在空载和满载2种状态下的原地转向运动学和动力学模型，利用虚位移原理计算整车的最大转向阻力矩，以此为依据确定液压油缸、转向器以及液压泵的相关参数，该转向回路采用了由静态信号负荷传感流量放大型转向器、液压泵、溢流阀、优先阀及转向油缸等组成的全液压转向系统。

图3 矿用防爆吸污车液压原理Fig.3 Hydraulic schematic diagram of the explosion-proof suction sewage vehicle in coal mine1—双联齿轮泵；2—行走吸污切换阀；3—真空泵驱动马达；4—单稳阀；5—搅拌马达；6—罐体油缸；7—后盖开启油缸；8—多路换向阀；9—多功能湿式制动器；10—双回路液压制动阀；11—双回路充液阀；12、13—蓄能器；14—驻车制动阀；15—液控换向阀；16—转向器；17—优先阀；18—转向油缸

图4 多功能湿式制动器结构简图Fig.4 Structure diagram of the multi-function wet-type brake1—左压盘；2—半轴；3—钢片；4—粉片；5—弹簧；6—行车制动活塞；7—右压盘；8—桥壳；9—驻车(紧急)制动活塞；10—碟簧；A—行车制动油口；B—驻车(紧急)制动油口

4 制动回路的优化

该型车辆在初期使用过程中存在点刹过于灵敏，制动冲击力大，操纵舒适性差的问题。经分析，主要原因是由于所选用的双回路液压制动阀的压力输出特性与多功能湿式制动器产生的制动力矩匹配不当造成的[7]。该双回路液压制动阀阀芯的动作是通过单弹簧控制的，其输出特性如图5所示，当驾驶员在行走过程中需要减速时，踩下制动踏板后制动力增加的速率较快，经常会出现一脚踩下去车辆立即抱死停车的现象。

图5 优化前制动压力与踏板角位移关系图Fig.5 Relationship between the pre-braking pressure and the pedal angular displacement

图6 优化后制动压力与踏板角位移关系图Fig.6 Relationship between the optimized braking pressure and the pedal angular displacement

为了减少制动冲击力，提高驾驶员操纵舒适性，通过分析采用了双弹簧控制双回路制动阀阀芯动作实现变斜率输出特性的结构[8-9]，其输出特性曲线如图6所示。此时踏板运行的行程包括3个阶段，第一阶段为0～5°，第二阶段为5°～12.5°，第三阶段为12.5°～16°。从图6可以看出，第三阶段直线的斜率要大于第二阶段直线的斜率，制动压力随踏板角位移变化增加的速度非常清楚直观地体现在2条直线上，制动压力在第二阶段增加相对较慢，在第三阶段增加相对较快。之所以出现这种状况，是因为在第二阶段时，阀芯的动作只与其中1根弹簧有关，而在第三阶段时，阀芯的动作与其中2根弹簧都关联，第三阶段弹簧的刚度要大于第二阶段弹簧的刚度。

双回路液压制动阀的这种变斜率输出特性非常适合驾驶员对车辆的制动操纵，有利于提高车辆的制动平稳性。如果车辆在行驶过程中需要减速而不是停车时，驾驶员通过操纵踏板，使踏板处在第二阶段即可满足制动要求，因为此时，制动力增加缓慢，驾驶员更容易控制车辆行驶状态，不至于一脚踩下去车辆立即抱死停车。当车辆在行驶过程中需要制动停车时，驾驶员则需操纵踏板使其经历三个阶段，在第二阶段，可使车辆先减速运行，当车辆速度减小以后，再经历第三阶段的快速减速，最终使车辆停止。可见，双回路液压制动阀的这种输出特性，既能够缓冲制动前冲现象，又能够保证车辆及时制动停车，从而非常理想地满足了车辆制动需求。

5 结 论

(1)液压系统中采用了多功能湿式制动器，实现了行车制动、驻车制动及紧急制动3种功能，不仅减少了制动器的重复布置，使得传动系结构简单，也不易受外界恶劣环境如高粉尘等的影响，性能可靠。

(2)在吸污系统中采用了搅拌装置，使得吸污作业高效快捷。

(3)在整车吸污系统与行走系统之间采用了闭锁功能，使得操作安全性更高。

(4)采用了双弹簧控制双回路制动阀阀芯动作实现变斜率输出特性的结构，减少了制动冲击现象，提高了驾驶员的操作舒适性。

参考文献

[1] 魏永胜，任长乐.煤矿水仓清理用防爆吸污车的研究与应用[J]．煤炭技术，2014，33(11) ：183-185.

Wei Yongsheng,Ren Changle.Research and application of explosion-proof suction sewage truck on mine sump cleaning[J].Coal Technology,2014,33(11):183-185.

[2] 陈永峰，郭培燕.煤矿井下双向驾驶车辆制动系统设计研究[J]．煤炭工程，2017，49(4)：139-141.

Chen Yongfeng,Guo Peiyan.The design and research of the braking system for bidirectional driving vehicle in coal mine[J].Coal Engineering,2017,49(4):139-141.

[3] 陈永峰．铰接式防爆胶轮车转向运动学动力学分析与试验[J]．煤炭科学技术，2012，40(7)：66-68．

Chen Yongfeng.Analysis and experiment on steering kinematics and dynamics of flame proof rubber tyre articulated vehicle[J].Coal Science and Technology,2012,40(7):66-68.

[4] 王建春．铰接式装载机原地转向力学分析[J]．煤矿机械，2009，30(3)：85-87．

Wang Jianchun.Mechanical analysis of insitu steering of articulated loader[J].Coal Mine Machinery,2009,30(3):85-87.

[5] 郭凌汾，黄海东，秦四成，等．铰接式车辆静态转向阻力矩分析[J]．农业机械学报，1995，26(1)：23-27．

Guo Lingfen,Huang Haidong,Qin Sicheng,et.Analysis of static steering resistance torque of articulated vehicle[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,1995,26(1):23-27.

[6] 陈永峰．重型防爆胶轮车液压转向系统的设计研究[J]．液压与气动，2012(8)：92-93.

Chen Yongfeng.Design and research on hydraulic steering system of heavy-duty explosion proof rubber-tyred vehicle[J].Chinese Hydraulics & Pneumatics,2012(8):92-93.

[7] 程玉军.防爆胶轮车制动系统冲击问题的研究[J]．煤矿机械，2012，33(5)：40-41．

Cheng Yujun.Research of explosion-proof rubber tire vehicle brake system impact problems[J].Coal Mine Machinery,2012,33(5):40-41.

[8] 刘 杰.胶轮车全液压双回路制动阀静态特性分析[J]．液压与气动，2014(2) ：56-60．

Liu Jie.Analysis on static characteristics of full hydraulic dual circuit braking value for rubber tire vehicle[J].Chinese Hydraulics & Pneumatics,2014(2):56-60.

[9] 刘 杰.胶轮车全液压制动系统制动压力动态特性研究[J].煤炭工程，2014，46(3)：93-96.

Liu Jie.Study on braking pressure dynamic features of full hydraulic braking system in rubber tire vehicle[J].Coal Engineering,2014,46(3):93-96.