煤矿井下搅拌车料罐转速控制系统

马艳卫

（山西天地煤机装备有限公司，山西 太原030006）

近几年来随着煤层的开采高度越来越高，煤矿井下使用的液压支架的吨位也越来越大，已知现用的液压支架重达100 t，运输支架的车辆自身约重50 t，这种超大吨位的车辆在井下行驶，对井下混凝土路面的要求更为苛刻。只有通过煤矿用防爆搅拌车将地面搅拌站生产的高质量混凝土在规定的时间内运送到巷道施工地点，在运输过程中要保证混凝土不能提前凝固或有离析情况。这就要求混凝土在运输过程中一直处于搅拌状态，防爆搅拌车的料罐必须一直按合适的速度做旋转运动，然而未凝固的混凝土具有流动的特性，在料罐内搅拌时，必然会导致料罐的重心位置一直在变化，对防爆搅拌车的安全行驶造成了一定的影响[1]。

1 防爆搅拌车料罐系统

由于煤矿井下的巷道尺寸在巷道掘进时已经固定（要求车辆高度小于3 000 mm），工程上使用的混凝土搅拌车高度一般为3 600 mm 左右，不满足井下的使用要求。根据《煤矿安全规程》的要求，对车辆的发动机进行了防爆设计，同时降低车辆的底盘，减小料罐的斜度，使车辆的整体高度为2600 mm，满足井下巷道的使用要求。料罐的驱动为静液压闭式驱动，由于井下对电气元件的使用有着严格的防爆要求，在设计料罐的控制方式时，无法使用公路用混凝土搅拌车的电控泵系统；而公路用混凝土搅拌车液压控制料罐的系统，多为与定量泵匹配的调速系统，此调速方式既有能量损失同时也会使液压系统发热。根据闭式驱动系统的特点，采用了液压先导控制料罐旋转速度[2-4]。料罐驱动液压系统原理图如图1。

油箱中的油液经吸油过滤器过滤后，到达闭式驱动泵的吸油口，高压油液通过闭式驱动泵的工作油口W1、W2 到达马达的M1、M2 口，驱动马达旋转。闭式驱动泵内置有补油泵，由其提供压力油源经过控制手柄后，控制闭式驱动泵的斜盘摆角改变，达到控制料罐正转或者反转。

料罐的旋转速度设计时，参照工程用混凝土搅拌车的标准，在运输过程中料罐以2～3 r/min 的速度进行顺时针旋转，到达卸料点后,料罐的旋转速度需要提高到14～16 r/min，经过高速搅拌2 min 左右，使混凝土均匀混合后，通过控制驱动泵使料罐再以14～16 r/min 的速度逆时针旋转，卸出料罐中的混凝土。料罐的旋转速度在高低2 个速度之间频繁变换，控制手柄采用了摩擦定位的方式，改变手柄角度就可以控制料罐的旋转速度[4]。

2 存在问题及原因分析

防爆搅拌车在实际使用中，驾驶员反映车辆的操控性不好，尤其是在井下巷道小角度急弯处，车辆侧倾角增大，导致车辆稳定性较差。但在厂区进行测试时，未出现类似的情况。通过跟车观察驾驶人员的操作，发现在车辆的行驶过程中，控制手柄原为小角度低速控制料罐的旋转速度，但是驾驶员会在无意中将控制手柄推到最大位置处，闭式泵斜盘处于最大位置处，原本低速旋转的料罐变为了高速旋转。行驶中发动机转速提高，搅拌车的料罐旋转速度也相应的增加，料罐内的混凝土离心力增大，加剧了车辆的不稳定性，使驾驶人员有车辆侧翻的感觉，这在混凝土运输过程中是十分危险的，必须从根源上杜绝这种情况。要求设计人员改进料罐的液压控制系统，即使在驾驶人员误操作时，也不能出现车辆行驶中，料罐高速旋转的情况。

3 料罐转速控制系统优化

3.1 方案分析

煤矿用防爆搅拌车驱动料罐的传动路线如下：发动机驱动液力变矩器、闭式泵和料罐驱动马达，经减速器减速后驱动料罐。发动机与料罐之间通过液力机械传动，闭式泵与料罐马达之间是液压传动。

原车设计时，通过控制手柄的角度变化，控制驱动闭式泵的排量，达到改变料罐转速的目的。原车选用的REXROTH 厂家的闭式泵工作原理如图2。

闭式泵的排量变化是由控制压力和位置反馈共同作用决定的，即控制压力与变量活塞缸位移产生的力平衡。当Y1口有控制油压信号时，控制变量比例阀向右移动，此时闭式泵G 口的补油泵油液经过控制变量比例阀到达变量活塞缸的Z1腔，变量活塞缸向右移动，同时带动变量斜盘的倾角变大，使位置反馈连接杆绕其支撑点旋转，对变量控制比例阀有向左的作用力。即：

式中：ps为补油泵压力；A1为变量活塞缸活塞面积；K1、K2为变量活塞缸回位弹簧刚度；S1为变量活塞缸活塞位移；F 为连杆杆支撑力。

位置反馈连接杆通过支撑点对控制变量比例阀的阀芯产生向左复位力，使阀芯克服Y1口油压力的作用，最终使阀芯复位，闭式泵G 口的补油泵高压油被阻断，变量活塞缸带动闭式泵的变量斜盘行程一定的倾角并保持，闭式泵按所需排量恒定的将油液供给执行元件。

式中：pc为控制压力；A 为变量控制比例控制腔面积；Kv1、Kv2为变量控制比例阀复位弹簧刚度；S2为变量控制比例阀阀芯位移；θ 为连杆杆倾斜角度。

当控制变量比例阀的阀芯复位后，控制变量比例阀在控制压力的作用下与位置反馈连接杆绕支撑点产生的力相平衡，上述公式可简化为：

通过计算可知REXROTH 厂家的闭式泵可以通过调节控制变量比例阀的Y1、Y2控制压力，使变量活塞缸运动到与控制压力相匹配的位置，由位置反馈连接杆在驱动闭式泵的变量斜盘倾角的同时，将位置反馈连接杆的另一端推动控制变量比例阀回位，最终实现对闭式泵的排量随控制压力的变化而变化。

根据防爆搅拌车在实际运行时，料罐的旋转速度基本都在2～3 r/min 和14～16 r/min 这2 个速度段工作的特点，直接采用传统的节流控制来调整料罐的转速，必然会引起液压系统过热，必须加大液压油散热器。而煤矿井下搅拌车整车尺寸较小，结构紧凑，任何结构的调整都需要更换机架，且成本高。基于上述闭式泵的工作原理，结合实际工况，可通过改变控制压力，调整驱动闭式泵斜盘倾角，达到控制闭式泵排量的目的。由于料罐的旋转速度仅需要2 个速度，可以在控制手柄的进油口之前，将流进控制手柄的压力油控制到设定的压力值，改变斜盘的倾角，使驱动闭式泵的流量满足料罐高低转速的需要[6]。改进后的料罐驱动液压系统原理图如图3。

图3 改进后的料罐驱动液压系统原理图Fig.3 Schematic diagram of the improved drive hydraulic system for material tank

改进后的料罐驱动液压系统在原有的基础上增加了换向阀、压力控制阀、梭阀及单向阀，驾驶员可以操作换向阀选择料罐的旋转速度。换向阀不操作时，补油泵提供的压力油经换向阀进入到压力设定值低的压力控制阀Ⅰ，再经过控制梭阀、控制手柄进入到闭式驱动泵的变量油缸内，使斜盘角度发生改变，此时闭式驱动泵的流量刚好驱动料罐在低速状态下旋转。换向阀操作换向时，补油泵提供的压力油经换向阀进入到压力设定值高的压力控制阀Ⅱ，再经过控制梭阀、控制手柄进入到闭式驱动泵的变量油缸内，使斜盘角度变为最大，此时闭式驱动泵的全流量工作，驱动料罐在高速状态下旋转。

由于在换向阀切换时，压力控制阀不能将原有的控制油液泄回油箱，导致小压力的信号不能及时的传递到闭式驱动泵的变量油缸内，因此增加了单向阀Ⅰ、单向阀Ⅱ使残余控制信号能够及时泄压。

换向阀在选型时采用了手动和液控2 种控制方式，由变速箱的传动压力油控制液控换向，当车辆换挡行走时，传动油压力升高，将换向阀换向，使料罐自动处于低速状态；当车辆换为空挡，传动油压力变为0，手动换向阀操作换向，使料罐处于高速状态。避免了人为失误，造成车辆行驶时，料罐处于高速旋转状态，提高了车辆行驶的安全性[7-8]。

3.2 理论分析

原有液压元件的参数如下：①防爆发动机：怠速650 r/min，最高转速2 200 r/min；②变矩器：减速比1.06；③闭式驱动泵：排量55 mL/r，工作压力21 MPa；④料罐驱动马达：排量75 mL/r，工作压力25 MPa；⑤减速器：减速比109。闭式驱动泵控制压力与排量对应关系如图4。

图4 闭式驱动泵控制压力与排量对应关系图Fig.4 Relation diagram of control pressure and displacement of closed drive pump

由图4 可以看出在控制压力为0.6 MPa 时，斜盘摆角开始变化，泵的排量逐渐增大，当控制压力为5 MPa 时，斜盘角度变为最大，此时泵全排量输出。负坐标表示泵变量机构的另一端有控制信号，使泵的输出口改变，实现马达的正转或反转。

当料罐在低旋转速度，即3 r/min，这时料罐驱动马达需要的流量为：

式中：Qm1为料罐驱动马达低转速时所需流量；n1为料罐低速旋转速度；r1为减速器的减速度比；Vm为料罐驱动马达的排量；ηv为料罐驱动马达的容积效率。

此时驱动闭式泵的排量为：

式中：qp为闭式驱动泵的排量；ne为防爆发动机的转速；r2为变矩器的减速比。

式中：Qp为闭式驱动泵的流量。

将液压元件的参数的参数代入式（4）、式（5），可以计算出料罐在低转速时，闭式驱动泵的排量为11.2 mL/r，对应泵的控制压力为1.4 MPa，此压力为压力控制阀Ⅰ的设定值。防爆发动机全油门时，由式（6）计算出闭式驱动泵的流量为26.12 L/min。

在防爆发动机全油门驱动，闭式驱动泵最大排量的条件下，校核料罐的转速为：

式中：r3为料罐的最大转速；qmax为闭式驱动泵的最大排量；η 为综合容积效率。

将相关参数代入式（7），计算出料罐的转动速度为14 r/min，符合混凝土卸料时14～16 r/min 的转速要求，此时需要将压力控制阀Ⅱ的控制压力设定为5 MPa，闭式驱动泵的排量达到100%。由式（6）计算出闭式驱动泵的流量为128.26 /min[9-10]。

4 结 语

结合煤矿井下使用的防爆搅拌车的实际工况，提出了调节闭式泵控制压力实现控制搅拌车料罐转速的策略，通过对闭式泵的工作原理分析和试验测试可以得出，调节闭式泵控制压力能够改变闭式驱动泵的排量，并与车辆的换挡机构相互关联，确保车辆行驶时，料罐低速旋转。避免了料罐在车辆行驶中旋转速度过快，造成防爆搅拌车在行驶时因料罐中的混凝土重心变化，使车辆的稳定性下降，易引发车辆失控或翻车等安全事故。