煤礦井下噴漿料攪拌裝置結構及液壓系統設計

， ， ， ，

(安徽理工大學 機械工程學院， 安徽 淮南 232001)

引言

煤礦井下巷道的支護方式中如采用錨噴、錨噴網或純噴射混凝土等，都需要對巷道巖石表面噴射混凝土，混凝土凝結硬化后起到支護作用。錨噴網支護工藝流程中最重要的一步是使用噴漿機噴射混凝土。混凝土是按一定比例將水泥、沙子、石子攪拌在一起，攪拌均勻后，運送到噴漿機料斗。

目前國內大多數煤礦巷道錨噴網支護所使用的混凝土料均采用人工攪拌，勞動強度大、工作效率低、攪拌不充分不均勻，容易造成漿皮開裂、脫落，給施工帶來安全隱患[1]；同時，攪拌過程中粉塵飛揚，嚴重危害工人健康，嚴重影響混凝土的強度，回彈率較大，直接影響噴漿工藝和巷道支護的質量。由于煤礦井下空間狹小，不適合較大的配料攪拌設備安裝及常規的混凝土運輸罐車通行，加之混凝土運輸距離長，用量相對較小等其他不利條件，混凝土的攪拌運輸是制約噴漿技術在煤礦井下應用的關鍵[2]。

為了解決以上問題，設計一種小型機械化噴漿料攪拌裝置，以降低勞動強度，提高生產效率，保證噴漿支護質量和實現噴漿攪拌過程的自動化。

1 主要結構

噴漿料攪拌裝置主要由攪拌裝置、礦車牽引裝置和液壓泵站三部分組成。如圖1所示，攪拌裝置是由底板、立柱、水平架、液壓馬達和螺旋攪拌頭組成。

1.底板 2.外方鋼 3.水平架 4.進給油缸 5.油缸固定板6.低速大扭矩馬達 7.聯軸器軸承座 8.攪拌螺旋9.內方鋼 10.升降油缸圖1 噴漿料攪拌裝置結構簡圖

立柱由內外方鋼構成，通過底板由地腳螺栓固定在水泥地基上，內方鋼焊接在底板上，用筋板加強。如圖2立柱剖視圖所示，升降液壓缸安裝在內方鋼中，內方鋼上留有油管出口，外方鋼上開有相應小槽，保證油管能上下自由移動。連接角鋼與外方鋼焊接在一起，通過螺栓與水平架相連，便于拆缷。油缸底座通過法蘭與立柱底板相連，活塞桿耳環通過銷釘與外方鋼聯結，內外方鋼通過間隙配合連接在一起，保證外方鋼能隨液壓缸的升降而自由移動；水平架頂板上安裝有低速大扭矩馬達，底板與軸承座聯接，馬達通過聯軸器和螺旋攪拌頭聯接。攪拌頭采用雙螺旋結構，底部包絡面按照礦車內底部寬度進行設計，確保螺旋運動到任何位置都不與礦車發生干涉；螺旋面上開有漏料孔，利于噴漿料充分混合。礦車牽引裝置，由連接塊、牽引油缸和卡軌組成，連接塊固定在礦車的碰頭上，礦車通過連接塊與鉸接在卡軌裝置上的牽引缸用銷釘聯接。

1.外方鋼 2.內方鋼 3.升降油缸 4.連接銷釘 5.油缸耳環 6.連接角鋼圖2 立柱剖面圖

2 工作原理

當載有水泥、砂子和石子噴漿料的礦車運行到攪拌螺旋下時，快速連接塊用插銷將礦車與牽引油缸連接，牽引油缸底部鉸接在卡軌裝置上，卡軌裝置卡在軌道上。圖1中兩立柱中的升降油缸下降，同時低速大扭矩馬達轉動，帶動螺旋旋轉，開始攪拌。攪拌頭工作路徑如圖3所示，牽引油缸伸縮，推動礦車前后移動；進給油缸伸縮，實現攪拌頭左右移動，這樣前后左右循環往復，使礦車中的混合料充分攪拌。攪拌結束后，進給油缸和牽引油缸縮回，低速大扭矩馬達反轉，同時升降油缸伸出，螺旋升起，拔出插銷，礦車移出，噴漿料攪拌完成。

圖3 攪拌頭工作路徑

3 螺旋功率確定

根據垂直式螺旋輸送機的工作原理，估算出攪拌螺旋的輸送量[3]，進而算出負載轉矩，為驅動馬達的選取提供依據。

(1) 輸送能力的計算

Q=φvzAρ

(1)

式中：Q—— 輸送量

φ—— 填充系數，取0.6[3]

ρ—— 混合料密度，由配比計算ρ=1.382 t/m3

vz—— 物料的平均提升速度，0.32 m/s

A—— 螺旋斷面面積，設一個斷面取2個漏料孔，孔徑為φ60，則：

代入計算得：

Q=φvzAρ≈219.6 t/h

(2) 軸功率及負載轉矩的計算

(2)

式中：P0—— 軸功率

H—— 輸送高度，由螺旋知為600 mm

η—— 螺旋輸送效率，取0.1[3]

根據負載轉矩：

(3)

式中，n為螺旋轉速，取30 r/min；

計算得T0=571 N·m。

4 液壓系統設計與元件選型

4.1 液壓系統

攪拌裝置液壓系統原理圖如圖4所示，設定系統壓力為10 MPa，該系統由電機、雙聯齒輪泵、電磁換向閥、液壓缸和液壓馬達等構成。系統采用雙聯齒輪泵供油，大排量泵用于低速大扭矩馬達的供油，小排量泵用于油缸的供油。采用煤礦井下專用隔爆型電機，滿足防爆要求。控制閥采用三位四通電磁換向閥，以便實現自動化操作。對每個回路均采用雙單向節流閥進行出油節流調速，使回油側產生背壓以抗拒負載的變化。采用液壓鎖鎖緊同步油缸，防止油缸在靜止后受外力干擾突然竄動。

1.油箱 2.溢流閥 3.電動機 4.雙聯泵 5.壓力表 6.低速大扭矩馬達 7.電磁換向閥 8. 升降油缸 9.雙單向節流閥 10.液控單向閥 11.牽引油缸 12.進給油缸圖4 攪拌裝置液壓系統原理圖

4.2 主要元件選型

(1) 液壓馬達的選型

攪拌過程需要較大的扭矩和較低的轉速，所以選用可承受徑向和軸向外力的QJM系列低速大扭矩馬達。由手冊[4]知排量qm=0.496 mL/r，取Δpm=10 MPa，機械效率ηmm=0.97，馬達輸出轉矩:

(4)

算得：Tm=766 N·m

因為Tm>T0，即馬達輸出轉矩大于負載轉矩，故滿足要求。

(2) 液壓泵的選型

初選雙聯泵。由樣本知，排量q1=50 mL/r，q2=10 mL/r，泵流量Q=Q1+Q2；

其中，Q1=q1np=73.0 L/min

Q2=q2np=14.6 L/min

故Q=Q1+Q2=87.6 L/min

則馬達最大轉速：

滿足要求。

(3) 液壓缸的選型

升降缸可根據攪拌裝置螺旋升降行程需要及立柱方鋼尺寸規格，初選行程為1000 mm，缸內徑為φ63的液壓油缸。

由工作壓力確定速比φ=1.33，活塞桿直徑d=0.5D=31.5 mm，由此求出無桿腔與有桿腔的面積，通過面積驗算缸的舉升推力。

無桿腔面積為：

算得:A1=3.116×10-3m2

有桿腔面積為：

算得:A2=2.343×10-3m2

因A1v1=A2v2

式中：ηpv—— 容積效率，取0.95

故最大舉升速度：

算得:v1=0.037 m/s

驗算液壓缸推拉力能否滿足需要，可以根據公式：

F1=(p1A1-p2A2)η

其中，油缸效率η取0.98，考慮到壓力損失，取p1=9 MPa，p2=0.4 MPa。

上升時推力:F1=26.56 kN

下降時油缸拉力：

F2=(p2A2-p1A1)η

計算得:F2=19.44 kN

能滿足負載要求。

進給缸和牽引缸參照升降缸選取，根據行程要求，均選取行程為500 mm，缸徑為φ63的油缸。

(4) 確定電機功率

泵的驅動功率P按下式計算：

(5)

式中:p—— 泵的工作壓力，MPa

q—— 泵的排量，mL/r

n—— 電機轉速，r/min

當按9 MPa系統壓力時，

因此，選電機功率15 kW可滿足要求。

5 疊加閥塊設計

閥塊采用疊加閥式集成設計，使整個控制系統結構緊湊、體積小，可以減少管路連接和壓力損失、配置靈活、安裝維護方便。對液壓系統原理圖的雙點劃線部分進行集成，選用四聯疊加閥塊，將兩個獨立的回路集成到一個閥塊上，馬達回路使用一聯，油缸回路使用三聯，回路之間不相通。閥在閥塊上的位置關系如圖5所示。從上至下依次對電磁換向閥和雙單向節流閥疊加在閥塊上。其中升降油缸回路還要在電磁換向閥和雙單向節流閥之間疊加液控換向閥。還要將溢流閥和壓力表接在閥塊上集成。閥塊的三維結構圖如圖6所示。

圖5 疊加閥的位置布置圖

6 液壓泵站

液壓泵站結構簡圖如圖7所示，由液壓泵組、油箱組件、過濾器組件和液壓閥組構成。系統壓力初選為10 MPa，考慮到外部空間和散熱，油箱容積取800 L。采用上置立式安裝方式，液壓泵置于油箱內，降低吸油高度，便于收集漏油。閥組和濾油器等均安裝在油箱蓋上。油箱內設置隔板，設有放油塞，底部傾斜坡度為1/20[5]。泵站可以在巷道內軌道上移動，工作時置于一側，通過膠管與液壓泵組裝置相連接。

圖6 疊加閥塊

圖7 液壓泵站

7 結論

本研究闡明了噴漿料攪拌裝置主要結構及其工作原理，設計該裝置的液壓驅動系統，并對液壓控制回路進行疊加閥塊設計。該裝置具有系統結構緊湊、維護方便、穩定可靠等特點，可用于煤礦井下噴漿料攪拌作業，也適用于地面其它攪拌作業，具有較大的推廣價值。

參考文獻：

[1] 張景成，陳文波，楊國承.降低噴射混凝土回彈率的方法[J].煤礦機械，2001,(8)：54-56.

[2] 祝太平.井下混凝土制備及輸送系統工程改造[J].采礦技術，2012,12(3)：29-31.

[3] 《運輸機械設計選用手冊》委員會.運輸機械設計選用手冊[M]. 北京：化學工業出版社，1991.

[4] 路甬祥.液壓氣動技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[5] 張利平.液壓站[M].北京：化學工業出版社，2008.

[6] 魏歡歡，凡東，李姍.液壓集成塊的三維設計及展望[J].煤礦機械，2010,31(3)：11-13.