礦用液壓注漿泵換向機構及液壓系統的優化設計

詹東陽，顏威合，李 博

(河南省煤科院科明機電設備有限公司，河南 鄭州 450001)

ZBYS3/10-11型煤礦用液壓注漿泵是利用液壓缸活塞帶動漿缸活塞，推動漿液產生較高的注射壓力，使一種注漿材料或2種混合注漿材料向巖土地基的裂隙和空腔中進行壓力注射，以滿足注漿工藝的要求[1-3]。該泵可適用于有爆炸性氣體混合物存在的環境中，如煤礦井下采掘面工作面注漿防滲、堵水、加固，巖巷及混凝土井壁注漿防滲、堵水、加固，也可適用于隧道工程的填充以及加固補強、錨桿加固注漿[4-5]，建筑工程的防止地表下沉，鐵路、公路工程滑坡防護，糾正建筑物偏斜等所進行的注漿工程[6-9]。液壓注漿泵采用液壓控制技術，利用液壓缸活塞與注漿缸活塞面積比，可設計出所需的合適壓力和流量的各型號注漿設備[10-11]。ZBYS3/10-11型煤礦用液壓注漿泵存在長期工作穩定性差、長時間工作存在換向機構連接片連接孔間隙過大、甚至斷裂風險、影響設備正常工作等問題，而且裝配要求高，還存在液壓系統工作中油溫過高。本文對原有換向機構存在的結構缺陷進行了闡述，并改進了該換向裝置的結構形式，并且優化改進了液壓系統設計，能夠較好地滿足注漿作業的需求。

1 主要結構與工作原理

(1)煤礦用液壓注漿泵的結構。主要包括泵送系統、液壓系統、吸排漿閥組、混合器、換向機構、機架等。

(2)工作原理。其工作原理為由電機驅動恒功率柱塞泵產生的高壓油液，通過液壓系統推動泵送系統的液壓缸內的活塞作往復運動，同時，液壓缸活塞桿帶動漿液缸的活塞亦同時進行往復運動，在吸排漿閥組配合的作用下，完成漿液缸的吸、排漿工作，然后通過混合器，經高壓管注入注漿孔內。

2 換向機構的作用

換向機構用來實現液壓系統先導閥的換向，然后先導閥再控制液動換向閥換向，實現液壓缸的換向，從而實現該泵的正常動作，保證設備注漿作業的有序進行。

2.1 原有換向機構結構形式及缺點

原換向機構如圖1所示。原有的換向機構是由底座、推桿、滑動支撐座、推桿彈簧、銅套、擋板、撥叉、連接片等組成。

圖1 原換向機構Fig.1 Original reversing gear

原換向結構在換向過程中存在推桿遠遠大于正常的運行速度，會對推桿和閥芯的連接部位造成極大的沖擊。長時間工作容易造成連接片連接孔變形甚至開裂，該泵便無法工作。如果加大連接片的厚度，容易造成先導閥閥芯端部連接孔開裂；調試復雜，要保證活塞桿與推桿的同軸度，才能保證推桿運動順暢；另外結構復雜，該換向機構的零部件較多。

2.2 改進后的換向機構的裝配形式及優點

通過方案對比以及技術總結[12-13]，改進后的換向機構如圖2所示。改進后的結構取消了推桿彈簧，對裝配精度要求相對較低，新的結構采用盤式推動撥叉的方式，采用同步的換向速度，由于取消了推桿彈簧，避免了原有的換向沖擊對換向機構連接件的破壞，從而避免了原有的換向機構存在的缺陷，保證了該泵的長期穩定工作[14-15]。

圖2 改進后的換向機構Fig.2 Improved reversing mechanism

改進后換向機構具有以下優點：①專門設計的支架及保護罩，既保證了撥叉及先導換向閥的固定，又將運動部件內置其中，保護設備使用時人身免受傷害；②原有的通過彈簧彈力傳遞拉力推動先導閥芯沖擊大，改進后的換向撥盤推動撥叉的方式，取消了推桿彈簧，可以大大降低換向沖擊，在順利換向的同時，與先導換向閥連接的撥叉不存在繼續向前運動的趨勢，有利于對換向機構的保護；③采用新的換向機構后，在換向機構支架強度足夠的條件下，可以將液壓缸和注漿缸布置于換向機構支架的兩側，使得該泵的結構布置更趨合理；④新的換向機構相對于原有的換向機構結構簡單、功能完備，優勢較明顯。

3 液壓系統的改進

原有液壓系統原理如圖3所示。

圖3 原液壓系統原理Fig.3 Original hydraulic system schematic diagram

該系統在執行元件液壓缸換向瞬間，系統壓力會隨之升高，而此時蓄能器會工作在沖壓狀態，流量穩定，在完成換向的瞬間，壓力下降，蓄能器會釋放壓力，蓄能器內的液壓油會釋放，造成系統流量增加，會反向傳給液壓泵，這樣對液壓泵影響較大，可能造成液壓泵反轉或損壞；采用定量齒輪泵，通過溢流閥卸壓，既造成能源的浪費，同時又增加了系統的負載壓力，也增大液壓系統的溫升。

優化改進后的液壓原理如圖4所示。

圖4 改進后的液壓系統原理Fig.4 Improved hydraulic system schematic diagram

首先，增加了單向閥，安裝在液壓泵的出口，可防止系統壓力突然升高(如蓄能器釋壓等)反向傳給液壓泵，避免泵反轉或損壞，起保護液壓泵的作用；原液壓系統采用定量齒輪油泵，雖然能夠實現大流量低壓、小流量高壓的液壓輸出特性，即在注漿前期，需要充填的裂隙很多、注漿阻力小、注漿量大，可以實現大流量注漿，注漿后期，需要充填的裂隙逐步被充填掉，相應的注漿量減少，注漿阻力增加，注漿壓力的升高，對應液壓系統壓力升高，液壓流量減少，滿足注漿的工藝需求[16]，但是，液壓系統壓力和流量不能自動匹配調節，即在高壓時，系統還是維持高壓大流量的輸出，而過多的液壓流量只能是通過溢流閥卸壓，既造成能源的浪費，同時又增加了系統的負載壓力，也增大液壓系統的溫升。采用恒功率變量柱塞泵的液壓系統工作，即當系統壓力升高時，恒功率變量柱塞泵由其自身的壓力控制裝置，通過調節其內部的先導閥裝置自動調節柱塞泵的配油盤的角度，縮短柱塞泵柱塞的吸油行程，從而達到高壓低流量，當壓力降低時，其內部的先導閥裝置自動調節，恢復配油盤角度，增大吸油行程，以輸出更多的液壓油液，即將壓力和流量的乘積維持在某一恒定的狀態。這樣就解決了原有液壓系統和的缺陷，一方面降低了液壓系統油溫，保證了液壓系統的穩定。另一方面在溢流閥出現故障的情況下，電機可能過載，有效保護電機，液壓系統的恒功率變量控制。選用恒功率變量柱塞泵，相比同等級壓力及流量的其他非恒功率液壓泵，減少能耗 20%以上[17]。

4 試制、型式試驗與現場試用

4.1 試制、型式試驗

換向機構的各個零部件經過強度計算及校核[18]，除先導閥換向閥底板采用調質45號鋼外，其余均采用Q235A材料就能滿足其受力要求，這樣既經濟，又能保證其整體強度；并對液壓系統進行了優化設計，增加了液壓單向閥，采用恒功率變量柱塞泵。經車間加工生產，小批量試制后，對改進后煤礦用液壓注漿泵完成2套成品試制。根據《機動往復泵試驗方法》(GB/T 7784—2006)中的有關規定，在試驗車間進行了型式試驗。試驗介質采用清水，在型式試驗中對該泵功能、液壓系統壓力、油溫以及動作進行了測試，沒有異常，該泵運行平穩。可靠性試驗是在額定壓力下，泵送清水連續運轉72 h連續試機檢驗[19-20]。注漿泵正常運轉，通過試驗可以對比出改進前連接片連接孔表面接觸應力破壞比較明顯，改進后撥叉連接孔接觸表面無明顯變化。滿足長時間工作的需求，且液壓系統油溫顯著下降。

4.1.1 換向結構的理論分析及實驗結果

對于原換向機構，從理論上分析，已知條件為，推桿彈簧原長55 mm，線直徑3 mm，有效圈數為5圈，注漿壓力10 MPa，而注漿缸直徑和液壓缸一樣同為110 mm，忽略內耗的情況下，則液壓系統工作壓力同為10 MPa，液壓泵排量為50 mL/r，電機轉速1 470 r/min，原換向推桿質量為1.3 kg，在推桿工作時同軸度不夠高的特定情況以及先導換向閥阻力聯合作用下，此機構有關參數計算如下。根據彈簧常數公式：

(1)

式中，G為線材的鋼性模數；d為線直徑；Dm為中徑；N為總圈數；Nc為有效圈數。

代入數據計算得出，K=0.547 5 kgf/mm。

在換向過程中，存在極限狀況彈簧壓縮至線徑接觸時，根據胡克定律F=-k×x，先導換向閥閥芯所受的總力為：F=219 N。在全流量時，活塞桿相連的撥叉的運動速度為：

V=q×1.47/(s/60)

(2)

式中，q為液壓泵流量；r為電機轉速；s為液壓缸缸筒面積。

則VB=0.129 m/s，根據工程計算，液壓換向的時間一般為0.5 s完成，沖量公式與動量矢量公式：

(3)

則換向受彈力瞬間時的速度vL=1.9 m/s。

經過分析可知，在特定條件下，換向速度達到1.9 m/s，遠遠大于正常的運行速度0.129 m/s，與原分析吻合。在換向過程中，沖擊比較大，經過改進后，取消彈簧結構，通過實驗對比如下。改進前原連接片使用后表面狀況如圖5所示，改進后換向撥叉使用后表面狀況如圖6所示。原換向連接片連接孔表面已經有輕微表面應力破壞，而改進后的換向撥叉表面無明顯變化。

圖5 改進前原連接片使用后表面狀況Fig.5 Improve the surface condition of the original connecting piece after use

圖6 改進后換向撥叉使用后表面狀況Fig.6 Surface condition of the improved shift fork after use

4.1.2 液壓系統溫度測定情況

液壓系統改進前后工作時間與溫度的關系如圖7所示。

圖7 液壓系統改進前后工作時間與溫度關系Fig.7 Relationship between before and after hydraulic system improvement，working time and temperature rise

由圖7可知，隨著注漿工作的持續，液壓系統溫度逐漸升高，最后達到平衡。綜合來說，同等條件下，相比定量泵，采用恒功率變量柱塞泵油溫可以降低16 ℃，減緩了密封件老化變質，延長了使用壽命，保持密封性能，防止系統泄漏，液壓系統良好工作得到保證。

4.2 現場試用

改進后的ZBYS3/10-11型煤礦用液壓注漿泵先后在焦煤集團、鶴壁煤業集團、永煤集團等眾多煤礦企業中使用，效果良好，得到廣大用戶的一致好評。采用改進后方案的換向機構能適應長時間的注漿作業，沒有出現撥叉連接孔表面應力破壞的情況；改進后的液壓系統，其液壓系統最高溫度保持在50 ℃以下，傳動電機至今沒有出現使用問題。

5 結語

ZBYS3/10-11型煤礦用液壓注漿泵換向機構以及液壓系統的改進設計，簡化了原有換向機構的結構形式，取消了推桿彈簧，極大地降低了換向機構的連接沖擊力，使其換向沖擊顯著降低；改進后的液壓系統，油溫顯著降低，液壓系統最高溫度保持在50 ℃以下，液壓系統節能在20%以上，整機工作穩定可靠。具有顯著的經濟效益和社會效益，同時具有良好的推廣應用前景。

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