煤矿用机载液压破碎机工况测试数据分析

李永星

（中国铁建重工集团股份有限公司液压研究设计院，湖南 长沙410100）

0 引言

煤矿是我国重要能源产业之一，在国家政策引导下，煤矿机械化水平不断提高。 因此，近些年快速掘锚成套设备发展迅速。 快速掘锚成套设备包括掘锚一体机和煤矿用锚杆台车，而机载液压破碎机是煤矿用锚杆钻车重要组成部分。

常见煤矿破碎机可分为三类。一是颚式破碎机；二是辊式破碎机；三是冲击式破碎机。颚式破碎机通过可动颚板和固定颚板之间的挤压实现煤炭破碎作业；辊式破碎机通过两个相对回转辊子实现煤炭破碎作业；冲击式破碎机通过转子高速旋转，带动转子上的截齿对煤炭进行冲击而实现破碎作业[1]。 锚杆台车上机载液压破碎机就属于冲击式破碎机。

目前， 针对机载液压式破碎机相关文献较少，已有文献也都是针对结构上研究。 还未有液压破碎机液压系统和工况数据研究。当煤的硬度f ≥2 或夹矸时，煤块不易破碎，对运输系统产生碰、撞、砸等形式的破坏，为井下安全运输带来困难，所以需要将采下来的煤矿就地破碎；煤矿井下破碎机都是利用电机驱动， 存在安装空间大、带载启动困难和需要煤安认证等问题；受安装空间、带载启动和煤安认证等因素影响，暂时没有与掘锚一体机相匹配的电驱破碎机。 因此，在煤矿设备迅速发展和日益追求精益的今天，应重视机载液压破碎机液压系统性能参数而深入研究。

1 液压破碎机结构及工作原理

图1 是某型号煤矿用锚杆台车机载液压破碎机三维模型，其结构由接料斗1、液压马达2、减速机3、支撑装置4、驱动轴5 和破碎截齿6 等组成，其中后驱动轴两圈截齿正好对应前驱动轴三圈截齿相隔的间隙。当掘锚一体机刮板运输系统运料至煤矿用锚杆台车液压破碎机接料斗时，液压马达驱动减速机带动驱动轴相向高速旋转，驱动轴带动破碎截齿对大块煤炭进行冲击破碎，实现破碎作业。

图1 机载液压破碎机三维模型

2 液压破碎机控制系统组成及工作原理

图2 是锚杆台车机载液压破碎机控制系统原理图，它由油源、多路阀和液压马达组成。

图2 液压破碎机控制系统原理图

机载液压破碎机油源是由煤矿用锚杆台车液压泵站提供。 其控制系统工作原理为：当多路阀手柄第一联接收到控制信号后换向至上位工作，油源高压油经多路阀第一联上位到后驱动轴液压马达A 口， 后驱动轴马达B 口油液经多路阀第一联上位流回油箱，液压马达经减速机驱动后轴带动破碎截齿顺时针高速旋转；与此同时多路阀第二联也会接收到相同电信号后换向至上位工作，油源高压油经多路第二联上位到前驱动轴液压马达B 口， 马达A 口油液经多路阀第二联上位流回油箱，液压马达经减速机驱动前轴带动破碎截齿逆时针高速旋转。

3 液压破碎机工况测试数据分析

针对我公司自主研制液压破碎机液压马达损坏问题，在某矿进行实际工况数据采集，所用测试设备是HYDAC 便携式数据采集仪，利用压力传感器和传感器线将液压马达A、B 口与采集仪连接在一起，完成不同工况下马达输出参数采集工作。 结合马达输出参数曲线，借助压力梯度大小衡量不同工况下对马达使用寿命的影响。

3.1 压力梯度

所谓压力梯度是指液压破碎机马达进口压力曲线瞬态响应过程中单位时间压力变化量，可记为

T 为瞬态响应的调整时间。

3.2 正常碎煤工况

正常碎煤工况是指全煤巷，掘锚一体机截割下来的都是碎煤。 在该工况下，利用数据采集仪采集马达进口和出口压力曲线，见图3。

图3 的正常碎煤工况马达进出口压力曲线表明，碎煤作业启动阶段存在一定程度的压力波动，随后进入正常碎煤作业阶段。整个作业过程，马达进口压力峰值为54 bar，平均压力为30 bar。破碎机马达的进口压力较低，这是由于破碎机在低负载下进行破碎作业。

图3 正常碎煤工况马达圧力曲线

3.3 正常碎煤、夹带较大煤块/煤矸石工况

正常碎煤、 夹带较大煤矿/煤矸石工况是指巷道工作面是全煤层、煤层较硬/存在煤矸石层。在该工况下，利用数据采集仪采集马达进口和出口压力曲线，见图4。

图4 的正常碎煤、 夹带较大煤矿/煤矸石工况马达进出口压力曲线表明，破碎启动阶段及正常碎煤作业曲线大致相似，不再赘述。 值得注意的是正常碎煤过程中遇到较大煤块/煤矸石时，破碎机振动明显，同时从曲线可以得出，马达进口压力瞬间升高，压力峰值达到243 bar。 经过一段时间后马达进口压力恢复到正常值50 bar，破碎机进入正常碎煤作业。

图4 正常碎煤、夹带较大煤块/煤矸石工况马达压力

较大煤矿/煤矸石落入破碎机后， 取马达进口压力局部曲线，见图5。

图5 的较大煤块/煤矸石落入时马达进口局部曲线表明，较大煤块/煤矸石落入破碎机后，马达进口压力出现较大波动，经过0.218 s，马达进口压力从64 bar 增加到243 bar，压力梯度为821 bar/s。 此工况下产生冲击压力较高，且压力波动剧烈，易对马达造成损伤，降低使用寿命。

图5 较大煤块/煤矸石落入时马达进口局部压力曲线

3.4 马达卡滞工况

马达卡滞工况是指进行破碎作业时，破碎机马达被较大较硬煤块/煤矸石卡住憋死。 在该工况下，利用数据采集仪采集马达进口和出口压力曲线，见图6。

图6 的马达卡滞工况马达进出口压力曲线表明，破碎机发生卡滞现象，马达进口压力超过传感器量程，马达出口压力为0，说明马达发生憋压。 当较大较硬煤块/煤矸石落入破碎机时，外部负载突然增加，超出马达输出扭矩，马达发生卡滞。 遇到此工况，在外部冲击载荷和马达激增进口压力的双重作用下，马达很容易损坏。

图6 马达卡滞工况压力曲线

马达发生卡滞时， 取马达进口局部压力曲线，见图7。

图7 的马达卡滞时局部压力曲线表明，马达发生卡滞后，经过0.074 s，进口压力从初始值增到超过量程。取最大压力250 bar 进行计算，压力梯度为3378 bar/s。 此工况下，马达所受冲击压力高、压力梯度大、外载荷大，马达使用寿命受到很大影响。

图7 马达卡滞时的马达进口局部压力曲线

综上所述，可以得出液压破碎机驱动马达在夹带较大煤块/煤矸石和被较大较硬煤块/煤矸石卡住工况下，马达进口压力梯度较高，特别是卡滞工况，大大降低马达使用寿命。 针对这两种工况马达所受的影响因素，对液压破碎机控制系统进行改进，在马达进油口加装蓄能器。 并对改进后的方案进行实际工况数据采集。

4 控制系统改进方案工况测试数据分析

4.1 正常碎煤工况（加蓄能器）

图8 是马达进油口增加蓄能器后正常碎煤工况下，利用数据采集仪得到的马达进出口压力曲线，表明加蓄能器后马达进出口压力曲线与图3 相比差异较小。 在进行测试过程中，当较大煤块落入破碎机后，马达进口压力突然升高。 然后在碎煤作业模式下，按下控制正反转按钮，马达出口压力瞬间增加，然后再切换为正转，破碎机进入正常碎煤作业阶段。 马达进口压力为38 bar，出口压力为20 bar。

图8 加蓄能器后正常碎煤马达压力曲线

4.2 正常碎煤、夹带较大煤块/煤矸石工况（加蓄能器）

图9 是加蓄能器后遇到较大煤块/煤矸石马达工况下，利用数据采集仪得到马达进出口压力曲线，表明遇到大的煤块和煤矸石时，马达的进口压力快速增加至245 bar， 经过一段时间后马达进口压力恢复到正常值45 bar，进入正常碎煤作业。

图9 加蓄能器后大煤块/煤矸石时马达压力曲线

增加蓄能器后， 当较大煤矿/煤矸石落入破碎机后，取马达进口局部压力曲线，见图10。

图10， 加入蓄能器后较大煤块/煤矸石落入时马达进口局部曲线表明， 较大煤矿/煤矸石落入破碎机料斗后，经过0.599 s，马达进口压力由75 bar 增加到245 bar，压力梯度为283 bar/s。 与图5 相比，马达进口压力响应时间增加，压力梯度减小。

图10 加蓄能器后较大煤块时马达局部压力曲线

4.3 马达卡滞工况（加蓄能器）

图11，加蓄能器后马达发生卡滞工况下，利用数据采集仪得到马达进出口压力曲线，表明在破碎过程中遇到较大的煤块/煤矸石， 马达进口压力快速增加，经破碎后，进入正常碎煤阶段。当遇到很大的煤块/煤矸石时，马达发生卡滞，压力增加到287 bar。

图11 加蓄能器后卡滞时马达压力曲线

增加蓄能器后，当马达发生卡滞时，取马达进口局部压力曲线，见图12。

图12， 加蓄能器后马达发生卡滞的局部圧力曲线表明，经过0.81 s，马达进口压力由32 bar增至287 bar，压力梯度为315 bar/s。与图7 相比，马达进口压力响应时间增加， 压力梯度明显减小。

图12 加蓄能器后马达卡滞局部压力曲线

5 结束语

通过分析机载液压破碎机实际工况采集数据曲线， 发现夹带较大煤块/煤矸石和马达卡滞工况对马达使用寿命影响明显。考虑到实际工况的复杂性，提出压力梯度的概念，借助压力梯度值研究不同工况对马达寿命的影响，得到如下结论：

（1） 在夹带较大煤块/煤矸石和马达卡滞工况下，其马达压力梯度值较大，生产厂家应将其作为基本性能参数指标在样本中加以标示，标明压力梯度值对马达使用寿命影响趋势。

（2）增加蓄能器后，在夹带较大煤块/煤矸石和马达卡滞工况下，马达进口压力梯度值明显降低，说明对马达使用寿命有一定的有利作用。 设计控制系统时应综合考虑增加缓冲元件、组件或补油系统，降低马达压力梯度值和压力冲击。

（3）从使用角度看，选用的液压破碎机驱动马达应着重考虑压力梯度和压力冲击两个因素对其自身使用寿命的影响。

上述结论可用于液压破碎机液压系统改进设计和元件选用，对其它类似液压系统设计和元件选用研究也具有借鉴意义。