矿用液压注浆泵换向机构及液压系统的优化设计

詹东阳，颜威合，李 博

(河南省煤科院科明机电设备有限公司，河南 郑州 450001)

ZBYS3/10-11型煤矿用液压注浆泵是利用液压缸活塞带动浆缸活塞，推动浆液产生较高的注射压力，使一种注浆材料或2种混合注浆材料向岩土地基的裂隙和空腔中进行压力注射，以满足注浆工艺的要求[1-3]。该泵可适用于有爆炸性气体混合物存在的环境中，如煤矿井下采掘面工作面注浆防渗、堵水、加固，岩巷及混凝土井壁注浆防渗、堵水、加固，也可适用于隧道工程的填充以及加固补强、锚杆加固注浆[4-5]，建筑工程的防止地表下沉，铁路、公路工程滑坡防护，纠正建筑物偏斜等所进行的注浆工程[6-9]。液压注浆泵采用液压控制技术，利用液压缸活塞与注浆缸活塞面积比，可设计出所需的合适压力和流量的各型号注浆设备[10-11]。ZBYS3/10-11型煤矿用液压注浆泵存在长期工作稳定性差、长时间工作存在换向机构连接片连接孔间隙过大、甚至断裂风险、影响设备正常工作等问题，而且装配要求高，还存在液压系统工作中油温过高。本文对原有换向机构存在的结构缺陷进行了阐述，并改进了该换向装置的结构形式，并且优化改进了液压系统设计，能够较好地满足注浆作业的需求。

1 主要结构与工作原理

(1)煤矿用液压注浆泵的结构。主要包括泵送系统、液压系统、吸排浆阀组、混合器、换向机构、机架等。

(2)工作原理。其工作原理为由电机驱动恒功率柱塞泵产生的高压油液，通过液压系统推动泵送系统的液压缸内的活塞作往复运动，同时，液压缸活塞杆带动浆液缸的活塞亦同时进行往复运动，在吸排浆阀组配合的作用下，完成浆液缸的吸、排浆工作，然后通过混合器，经高压管注入注浆孔内。

2 换向机构的作用

换向机构用来实现液压系统先导阀的换向，然后先导阀再控制液动换向阀换向，实现液压缸的换向，从而实现该泵的正常动作，保证设备注浆作业的有序进行。

2.1 原有换向机构结构形式及缺点

原换向机构如图1所示。原有的换向机构是由底座、推杆、滑动支撑座、推杆弹簧、铜套、挡板、拨叉、连接片等组成。

图1 原换向机构Fig.1 Original reversing gear

原换向结构在换向过程中存在推杆远远大于正常的运行速度，会对推杆和阀芯的连接部位造成极大的冲击。长时间工作容易造成连接片连接孔变形甚至开裂，该泵便无法工作。如果加大连接片的厚度，容易造成先导阀阀芯端部连接孔开裂；调试复杂，要保证活塞杆与推杆的同轴度，才能保证推杆运动顺畅；另外结构复杂，该换向机构的零部件较多。

2.2 改进后的换向机构的装配形式及优点

通过方案对比以及技术总结[12-13]，改进后的换向机构如图2所示。改进后的结构取消了推杆弹簧，对装配精度要求相对较低，新的结构采用盘式推动拨叉的方式，采用同步的换向速度，由于取消了推杆弹簧，避免了原有的换向冲击对换向机构连接件的破坏，从而避免了原有的换向机构存在的缺陷，保证了该泵的长期稳定工作[14-15]。

图2 改进后的换向机构Fig.2 Improved reversing mechanism

改进后换向机构具有以下优点：①专门设计的支架及保护罩，既保证了拨叉及先导换向阀的固定，又将运动部件内置其中，保护设备使用时人身免受伤害；②原有的通过弹簧弹力传递拉力推动先导阀芯冲击大，改进后的换向拨盘推动拨叉的方式，取消了推杆弹簧，可以大大降低换向冲击，在顺利换向的同时，与先导换向阀连接的拨叉不存在继续向前运动的趋势，有利于对换向机构的保护；③采用新的换向机构后，在换向机构支架强度足够的条件下，可以将液压缸和注浆缸布置于换向机构支架的两侧，使得该泵的结构布置更趋合理；④新的换向机构相对于原有的换向机构结构简单、功能完备，优势较明显。

3 液压系统的改进

原有液压系统原理如图3所示。

图3 原液压系统原理Fig.3 Original hydraulic system schematic diagram

该系统在执行元件液压缸换向瞬间，系统压力会随之升高，而此时蓄能器会工作在冲压状态，流量稳定，在完成换向的瞬间，压力下降，蓄能器会释放压力，蓄能器内的液压油会释放，造成系统流量增加，会反向传给液压泵，这样对液压泵影响较大，可能造成液压泵反转或损坏；采用定量齿轮泵，通过溢流阀卸压，既造成能源的浪费，同时又增加了系统的负载压力，也增大液压系统的温升。

优化改进后的液压原理如图4所示。

图4 改进后的液压系统原理Fig.4 Improved hydraulic system schematic diagram

首先，增加了单向阀，安装在液压泵的出口，可防止系统压力突然升高(如蓄能器释压等)反向传给液压泵，避免泵反转或损坏，起保护液压泵的作用；原液压系统采用定量齿轮油泵，虽然能够实现大流量低压、小流量高压的液压输出特性，即在注浆前期，需要充填的裂隙很多、注浆阻力小、注浆量大，可以实现大流量注浆，注浆后期，需要充填的裂隙逐步被充填掉，相应的注浆量减少，注浆阻力增加，注浆压力的升高，对应液压系统压力升高，液压流量减少，满足注浆的工艺需求[16]，但是，液压系统压力和流量不能自动匹配调节，即在高压时，系统还是维持高压大流量的输出，而过多的液压流量只能是通过溢流阀卸压，既造成能源的浪费，同时又增加了系统的负载压力，也增大液压系统的温升。采用恒功率变量柱塞泵的液压系统工作，即当系统压力升高时，恒功率变量柱塞泵由其自身的压力控制装置，通过调节其内部的先导阀装置自动调节柱塞泵的配油盘的角度，缩短柱塞泵柱塞的吸油行程，从而达到高压低流量，当压力降低时，其内部的先导阀装置自动调节，恢复配油盘角度，增大吸油行程，以输出更多的液压油液，即将压力和流量的乘积维持在某一恒定的状态。这样就解决了原有液压系统和的缺陷，一方面降低了液压系统油温，保证了液压系统的稳定。另一方面在溢流阀出现故障的情况下，电机可能过载，有效保护电机，液压系统的恒功率变量控制。选用恒功率变量柱塞泵，相比同等级压力及流量的其他非恒功率液压泵，减少能耗 20%以上[17]。

4 试制、型式试验与现场试用

4.1 试制、型式试验

换向机构的各个零部件经过强度计算及校核[18]，除先导阀换向阀底板采用调质45号钢外，其余均采用Q235A材料就能满足其受力要求，这样既经济，又能保证其整体强度；并对液压系统进行了优化设计，增加了液压单向阀，采用恒功率变量柱塞泵。经车间加工生产，小批量试制后，对改进后煤矿用液压注浆泵完成2套成品试制。根据《机动往复泵试验方法》(GB/T 7784—2006)中的有关规定，在试验车间进行了型式试验。试验介质采用清水，在型式试验中对该泵功能、液压系统压力、油温以及动作进行了测试，没有异常，该泵运行平稳。可靠性试验是在额定压力下，泵送清水连续运转72 h连续试机检验[19-20]。注浆泵正常运转，通过试验可以对比出改进前连接片连接孔表面接触应力破坏比较明显，改进后拨叉连接孔接触表面无明显变化。满足长时间工作的需求，且液压系统油温显著下降。

4.1.1 换向结构的理论分析及实验结果

对于原换向机构，从理论上分析，已知条件为，推杆弹簧原长55 mm，线直径3 mm，有效圈数为5圈，注浆压力10 MPa，而注浆缸直径和液压缸一样同为110 mm，忽略内耗的情况下，则液压系统工作压力同为10 MPa，液压泵排量为50 mL/r，电机转速1 470 r/min，原换向推杆质量为1.3 kg，在推杆工作时同轴度不够高的特定情况以及先导换向阀阻力联合作用下，此机构有关参数计算如下。根据弹簧常数公式：

(1)

式中，G为线材的钢性模数；d为线直径；Dm为中径；N为总圈数；Nc为有效圈数。

代入数据计算得出，K=0.547 5 kgf/mm。

在换向过程中，存在极限状况弹簧压缩至线径接触时，根据胡克定律F=-k×x，先导换向阀阀芯所受的总力为：F=219 N。在全流量时，活塞杆相连的拨叉的运动速度为：

V=q×1.47/(s/60)

(2)

式中，q为液压泵流量；r为电机转速；s为液压缸缸筒面积。

则VB=0.129 m/s，根据工程计算，液压换向的时间一般为0.5 s完成，冲量公式与动量矢量公式：

(3)

则换向受弹力瞬间时的速度vL=1.9 m/s。

经过分析可知，在特定条件下，换向速度达到1.9 m/s，远远大于正常的运行速度0.129 m/s，与原分析吻合。在换向过程中，冲击比较大，经过改进后，取消弹簧结构，通过实验对比如下。改进前原连接片使用后表面状况如图5所示，改进后换向拨叉使用后表面状况如图6所示。原换向连接片连接孔表面已经有轻微表面应力破坏，而改进后的换向拨叉表面无明显变化。

图5 改进前原连接片使用后表面状况Fig.5 Improve the surface condition of the original connecting piece after use

图6 改进后换向拨叉使用后表面状况Fig.6 Surface condition of the improved shift fork after use

4.1.2 液压系统温度测定情况

液压系统改进前后工作时间与温度的关系如图7所示。

图7 液压系统改进前后工作时间与温度关系Fig.7 Relationship between before and after hydraulic system improvement，working time and temperature rise

由图7可知，随着注浆工作的持续，液压系统温度逐渐升高，最后达到平衡。综合来说，同等条件下，相比定量泵，采用恒功率变量柱塞泵油温可以降低16 ℃，减缓了密封件老化变质，延长了使用寿命，保持密封性能，防止系统泄漏，液压系统良好工作得到保证。

4.2 现场试用

改进后的ZBYS3/10-11型煤矿用液压注浆泵先后在焦煤集团、鹤壁煤业集团、永煤集团等众多煤矿企业中使用，效果良好，得到广大用户的一致好评。采用改进后方案的换向机构能适应长时间的注浆作业，没有出现拨叉连接孔表面应力破坏的情况；改进后的液压系统，其液压系统最高温度保持在50 ℃以下，传动电机至今没有出现使用问题。

5 结语

ZBYS3/10-11型煤矿用液压注浆泵换向机构以及液压系统的改进设计，简化了原有换向机构的结构形式，取消了推杆弹簧，极大地降低了换向机构的连接冲击力，使其换向冲击显著降低；改进后的液压系统，油温显著降低，液压系统最高温度保持在50 ℃以下，液压系统节能在20%以上，整机工作稳定可靠。具有显著的经济效益和社会效益，同时具有良好的推广应用前景。

参考文献(References)：

[1] 张艳，尚二考，刘万会.化学注浆材料及其在煤矿安全生产中的应用[J].煤矿开采，2008(5)：52-53，94.

Zhang Yan，Shang Erkao，Liu Wanhui.Chemical grouting material and its application in coal mine safety production[J].Coal Mining Technology，2008(5)：52-53，94.

[2] 郑维春，王生超.星村煤矿副井井筒过断层注浆工艺的研究[J].山东煤炭科技，2006(3)：67，69.

Zheng Weichun，Wang Shengchao.Study on grouting technology of auxiliary shaft through fault in Xingcun Coal Mine[J].Shandong Coal Science and Technology，2006(3)：67，69.

[3] 孙报才.煤矿井下注浆堵水技术探析[J].山东工业技术，2016(12)：83.

Sun Baocai.Analysis of grouting water plugging technology in underground coal mine[J].Shandong Industrial Technology，2016(12)：83.

[4] 张成满，殷永法，王慨慷.国内隧道围岩注浆设备的现状及选型[J].铁道建筑技术，1997(5)：23-27.

Zhang Chengman，Yin Yongfa，Wang Kaikang.Present situation and selection of grouting equipment for tunnel surrounding rock in China[J].Railway Construction Technology，1997(5)：23-27.

[5] 王传永，汪佩，李向阳.新型注浆设备在地质防治水超前探施工中的应用[J].现代矿业，2015(12)：243-244.

Wang Chuanyong，Wang Pei，Li Xiangyang.Application of new grouting equipment in advance water exploration construction of geological control[J].Modern Mining，2015(12)：243-244.

[6] 高岗荣.煤矿注浆技术综述[J].建井技术，2020(10)：1-9，23.

Gao Gangrong.Summary of coal mine grouting technology[J].Mine Construction Technology，2020(10)：1-9，23.

[7] 都建.煤矿井下注浆堵漏防水技术研究[J].山西冶金，2021(1)：123-124，127.

Du Jian.Research on plugging and waterproofing technology of grouting in underground coal mine[J].Shanxi Metallurgy，2021(1)：123-124，127.

[8] 陈涛.采煤工作面底板注浆工作中注浆泵的选用[J].山东煤炭科技，2016(2)：149-150.

Chen Tao.Selection of grouting pump in coal face floor grouting work[J].Shandong Coal Science and Technology，2016(2)：149-150.

[9] 梁国胜.矿井水害防治中定向钻探注浆技术的应用研究[J].当代化工研究，2020(24)：36-37.

Liang Guosheng.Application of directional drilling grouting technology in mine water disaster prevention and control[J].Modern Chemical Research，2020(24)：36-37.

[10] 卢小玲.3ZB15/12-45 型注浆泵的研制与应用[J].机械制造，2010(9)：82-83．

Lu Xiaoling.Development and application of 3ZB15/12-45 injection pump[J].Machinery Manufacturing，2010(9)：82-83.

[11] 梁元濂，陈知一，于峰，等.高压注浆泵研究开发新进展[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，1999(S1)：254-255.

Liang Yuanlian，Chen Zhiyi，Yu Feng，et al.Research and development of high pressure grouting pump[J].Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling)，1999(S1)：254-255.

[12] 杨曦，肖燕波，刘劲苍.Y70/10型压力注浆泵的研制[J].探矿工程，1999(2)：83-84．

Yang Xi，Xiao Yanbo，Liu Jincang.Development of Y70/10 pressure grouting pump[J].West-china Exploration Engineering，1999(2)：83-84.

[13] 郭恭，张涛.煤矿用双液注浆泵受压端面密封结构改进[J].中州煤炭，2013(11)：66-68.

Guo Gong，Zhang Tao.Improvement of sealing structure of pressure end face of double liquid grouting pump in coal mine[J].Zhongzhou Coal，2013(11)：66-68.

[14] 韩淑英.液压注浆泵自动换向系统性能分析[J].矿山机械，1997(11)：41-42．

Han Shuying.Performance analysis of automatic reversing system of hydraulic grouting pump[J].Mining Machinery，1997(11)：41-42．

[15] 穆玉兴，张涛，李峰，等.矿用液压双液注浆泵连接装置的改进[J].中州煤炭，2014(5)：90-91.

Mu Yuxing，Zhang Tao，Li Feng，et al.Improvement of connecting device of mine hydraulic double liquid grouting pump[J].Zhongzhou Coal，2014(5)：90-91.

[16] 陈从平，谭宗柒，黄星德.一种液动注浆泵液压系统设计[J].液压与气动，2010(6)：13-14．

Chen Congping，Tan Zongqi，Huang Xingde.Design of the hydraulic system for a hydraulic grouting pump[J].Chinese Hydraulics and Pneumatics，2010(6)：13-14.

[17] 张志耘.恒功率液压泵用于注浆泵[J].设备管理与维修，2014(1)：28-29.

Zhang Zhiyun.Constant power hydraulic pump is used for grouting pump[J].Equipment Management and Maintenance，2014(1)：28-29.

[18] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2007.

[19] 龚斌，林瑞波，许海龙.煤矿用液压注浆泵特性试验[J].煤矿机械，2016(5)：37-38.

Gong Bin，Lin Ruibo，Xu Hailong.Characteristic test of hydraulic grouting pump for coal mine[J].Coal Mine Machinery，2016(5)：37-38.

[20] 廖湘辉，李力，蒋冰华.注浆泵工作压力测试与结构设计改进[J].三峡大学学报(自然科学版)，2006(2)：28-30.

Liao Xianghui，Li Li，Jiang Binghua.Working pressure testing and structural design improvement for injection pump[J].Journal of China Three Gorges University(Natural Sciences)，2006(2)：28-30.