一種高效率的劈裂機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘要：國(guó)內(nèi)現(xiàn)有劈裂機(jī)液壓系統(tǒng)為單模式回路，在功率一定時(shí)一直增壓伴隨著流量的損失，導(dǎo)致整體效率低下。同時(shí)，楔塊組的潤(rùn)滑多為手動(dòng)或半自動(dòng)定量潤(rùn)滑，在高接觸應(yīng)力下潤(rùn)滑不足，不僅會(huì)引起楔塊失效，還會(huì)導(dǎo)致劈裂力降低。經(jīng)過對(duì)劈裂的功法和工況分析，設(shè)計(jì)了一種具有雙模式切換、雙增壓、缺脂保護(hù)、自動(dòng)潤(rùn)滑等功能的高效率劈裂機(jī)液壓系統(tǒng)，并在鋰礦石開采中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：高效率;劈裂機(jī);液壓系統(tǒng);雙模式;自動(dòng)潤(rùn)滑

0" "前言

劈裂機(jī)是用在礦石開采、道路救援、隧道開挖、市政建設(shè)等工程領(lǐng)域的設(shè)備，其具有功率密度大、安全可靠、使用靈活、工作時(shí)無振動(dòng)、無沖擊、無噪聲、無粉塵等特點(diǎn)，特別在不允許爆破、無沖擊、無振動(dòng)等環(huán)保要求，或極硬巖隧道、短隧道、異形截面隧道等施工工況時(shí)使用效果最佳。

劈裂機(jī)主要通過楔形力放大的原理，利用液壓驅(qū)動(dòng)液壓缸進(jìn)而驅(qū)使楔塊組產(chǎn)生劈裂力分裂巖石。然而，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有劈裂機(jī)液壓系統(tǒng)為單模式回路，在功率一定情況下一直增壓就會(huì)伴隨著流量的損失，導(dǎo)致效率低下。同時(shí)楔塊組的潤(rùn)滑多為手動(dòng)或半自動(dòng)定量潤(rùn)滑，在高接觸應(yīng)力下潤(rùn)滑不足，不僅會(huì)引起楔塊失效，還會(huì)導(dǎo)致劈裂力降低。因此如何增壓、何時(shí)增壓、如何自動(dòng)潤(rùn)滑以及缺脂保護(hù)，是劈裂機(jī)液壓系統(tǒng)非常關(guān)鍵的技術(shù)。為解決以上問題，筆者設(shè)計(jì)了一種具有雙模式切換、雙增壓、缺脂保護(hù)、自動(dòng)潤(rùn)滑等功能的高效率液壓系統(tǒng)應(yīng)用于大噸位劈裂機(jī)。

1" "液壓系統(tǒng)原理

新設(shè)計(jì)的高效率液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。其主要由主安全閥1、劈裂電磁閥2、梭閥3、油脂罐4、單向閥5、行程閥6、模式切換閥7、液控單向閥8、增壓器9、劈裂缸10、楔塊組11、溢流閥12、溢流閥13、增壓器14、分配器15、液控?fù)Q向閥16、馬達(dá)17、液驅(qū)油脂泵18、回轉(zhuǎn)電磁閥19、節(jié)流閥20組成。

為保證所設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)與行業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)的試驗(yàn)對(duì)比效果，將輸入條件保持不變，即系統(tǒng)額定流量和壓力以及油缸參數(shù)等保持不變，具體參數(shù)如表1所示。

1.1" "劈裂動(dòng)作

換向閥2處于右位，油源從油路P進(jìn)入A，梭閥3獲取壓力信號(hào)輸入到模式切換閥7。此時(shí)由于壓力低于模式切換閥4右側(cè)的彈簧力，模式切換閥7處于右位，低壓油從油路A經(jīng)過模式切換閥7大開口的全流量通道進(jìn)入油路A1，然后進(jìn)入大流量液控單向閥8。接著進(jìn)入到劈裂缸10的無桿腔，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)作。此時(shí)為低壓大流量模式。

隨著劈裂缸10活塞桿的伸出，巖石負(fù)載不斷增大。當(dāng)負(fù)載增大到比模式切換閥7右側(cè)彈簧對(duì)應(yīng)設(shè)定壓力值大時(shí)，模式切換閥7自動(dòng)切換到左位，油路A經(jīng)過模式切換閥7左位的帶節(jié)流的小流量通道進(jìn)入油路A2。此時(shí)由于節(jié)流作用，系統(tǒng)多余的流量將會(huì)通過溢流閥1進(jìn)行溢流回油箱。同時(shí)，低壓油進(jìn)入增壓器9的P1口進(jìn)行增壓后，再進(jìn)入劈裂缸10的無桿腔，劈裂缸10輸出力得到放大，實(shí)現(xiàn)劈裂動(dòng)作。此時(shí)為超高壓小流量模式。

劈裂過程中，如果負(fù)載突然劇增或其他原因，造成系統(tǒng)壓力達(dá)到溢流閥13設(shè)定壓力，系統(tǒng)壓力將被限定在溢流閥13的設(shè)定壓力之下。

1.2" "卸載動(dòng)作

卸載的過程與劈裂動(dòng)作過程是類似的，同樣是根據(jù)負(fù)載壓力與模式切換閥7右側(cè)彈簧力大小的對(duì)比，模式切換閥7自動(dòng)切換到合適的工作模式。只不過是在高壓小流量模式下時(shí)，低壓油源是經(jīng)過更大增壓比和更小額定流量的增壓器14進(jìn)行增壓后，進(jìn)入劈裂缸10的小腔的。這樣也就實(shí)現(xiàn)了劈裂缸10大、小腔輸出壓力及流量的獨(dú)立控制，能更好的滿足不同工況需求。

1.3" "自動(dòng)潤(rùn)滑功能

當(dāng)劈裂機(jī)處于劈裂動(dòng)作時(shí)，油路A輸入的是壓力液壓油。壓力液壓油驅(qū)動(dòng)液控?fù)Q向閥16處于左位，將油脂罐4上腔與液驅(qū)油脂泵18的油脂腔連通。同時(shí)壓力液壓油通過梭閥3進(jìn)入油脂罐4的下腔，進(jìn)而壓迫上腔內(nèi)的油脂。具有一定壓力的油脂，通過液控?fù)Q向閥16的左位通道進(jìn)入液驅(qū)油脂泵18的油脂腔，壓力液壓油又同時(shí)被引入到了液驅(qū)油脂泵18的有桿腔，使得液驅(qū)油脂泵18的柱塞往下運(yùn)動(dòng)，一次吸入來自油脂罐4的壓力油脂。由于油脂罐4內(nèi)的油脂是壓力油脂，因此液驅(qū)油脂泵18的自吸能力得到顯著提高，有效防止了由于出現(xiàn)吸空而導(dǎo)致潤(rùn)滑不足的現(xiàn)象。

當(dāng)劈裂機(jī)劈裂完成后進(jìn)行卸載時(shí)，油路B輸入的是壓力液壓油。壓力液壓油驅(qū)動(dòng)液控?fù)Q向閥16處于右位，將液驅(qū)油脂泵18的油脂腔與分配器15連通。壓力液壓油同時(shí)被引入到液驅(qū)油脂泵18的無桿腔，推動(dòng)柱塞往上動(dòng)作一次，在油脂腔輸出更高壓力的油脂（因?yàn)橐候?qū)油脂泵18的柱塞大小不一樣，面積比不一樣），更高壓力的油脂通過分配器15，被均勻的輸出到楔塊組11的潤(rùn)滑表面，這樣就實(shí)現(xiàn)了與卸載同步自動(dòng)潤(rùn)滑。

如果工況發(fā)生變化，可以根據(jù)負(fù)載輕重，來相應(yīng)調(diào)節(jié)液驅(qū)油脂泵18調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的擰入深度，來改變液驅(qū)油脂泵18的柱塞運(yùn)動(dòng)行程，從而改變輸出油脂量的大小，以匹配不同工況的潤(rùn)滑量需求，避免油脂浪費(fèi)。

1.4" "缺脂保護(hù)功能

劈裂機(jī)使用一段時(shí)間后，當(dāng)油脂罐4油脂腔內(nèi)油脂剩余不到10%時(shí)，油脂罐4的活塞桿上的擋鐵就會(huì)觸碰到行程閥6的滾輪，使得行程閥6切換到右位。此時(shí)如果處于劈裂動(dòng)作，那么從油路A進(jìn)入到劈裂缸10無桿腔的液壓油將被節(jié)流，從而顯著降低劈裂動(dòng)作的速度。這樣不僅可避免楔塊組11因潤(rùn)滑不足而出現(xiàn)磨損，同時(shí)能起到警示操作手，及時(shí)加注新的油脂。此時(shí)如果處于卸載動(dòng)作，則從劈裂缸10有桿腔的回油會(huì)通過單向閥5，而不是行程閥6的節(jié)流口。這樣就避免了因缺脂自保護(hù)觸發(fā)，而導(dǎo)致楔塊組11無法卸載從孔內(nèi)拔出現(xiàn)象，此即為自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)的缺脂保護(hù)功能。

2" "試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1" "試驗(yàn)條件

新、舊液壓系統(tǒng)采用同樣流量和壓力的油源輸入，在同一特大塊鋰礦石上進(jìn)行對(duì)比劈裂試驗(yàn)。具體試驗(yàn)條件如表2所示：

2.2" "劈裂效率測(cè)試

在某鋰礦石開采基地，采用同樣的設(shè)備和輸入?yún)?shù)，設(shè)備搭載的液壓系統(tǒng)分別為新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)和行業(yè)現(xiàn)有的舊液壓系統(tǒng)，進(jìn)行多次劈裂試驗(yàn)見圖2所示。隨機(jī)選取3次劈裂過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如表3所示。其中增壓的起始點(diǎn)以聽到增壓器發(fā)出“咔咔”的響聲作為依據(jù)，劈裂過程結(jié)束點(diǎn)以看到巖石有2mm左右明顯裂紋為依據(jù)。

對(duì)于同樣的劈裂作業(yè)過程，從表3可以分析得到：新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)其總的劈裂平均用時(shí)4.42s，舊系統(tǒng)平均用時(shí)7.05s，新系統(tǒng)效率提升了36%左右;新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)每次劈裂時(shí)的增壓時(shí)間平均用時(shí)1.6s，舊系統(tǒng)平均用時(shí)5.96s，新系統(tǒng)增壓時(shí)間縮短了73%，有效減少了不必要增壓導(dǎo)致的流量損失，同時(shí)延長(zhǎng)了增壓器的壽命。

2.3" "潤(rùn)滑功能測(cè)試

將楔塊組懸空，來回動(dòng)作劈裂缸，模擬劈裂（轉(zhuǎn)下頁）（接上頁）和卸載過程，觀察和收集油脂量，楔塊組處自動(dòng)潤(rùn)滑情況如圖3所示。不斷調(diào)節(jié)自主設(shè)計(jì)的液驅(qū)油脂泵的排量調(diào)節(jié)螺釘，發(fā)現(xiàn)排出的油脂，隨著螺釘?shù)男雠帕坎粩嘣龃螅砻髯詣?dòng)潤(rùn)滑可以實(shí)現(xiàn)變量調(diào)節(jié)。

將油脂泵排量調(diào)節(jié)到最大后，經(jīng)過約100次的動(dòng)作試驗(yàn)后，油脂灌內(nèi)油脂儲(chǔ)存少于10%時(shí)，劈裂機(jī)出現(xiàn)了劈裂動(dòng)作接近停滯現(xiàn)象。此時(shí)為缺脂保護(hù)功能啟動(dòng)，即在缺脂時(shí)最大限度降低劈裂速度直至停止。這樣在保護(hù)楔塊組避免干摩擦的同時(shí)，可以提醒操作手及時(shí)補(bǔ)充油脂，否則無法進(jìn)行劈裂動(dòng)作。

3" "結(jié)論

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有劈裂機(jī)液壓系統(tǒng)為單模式回路，在功率一定時(shí)一直增壓伴隨著流量的損失，導(dǎo)致整體效率低下。同時(shí)，楔塊組的潤(rùn)滑多為手動(dòng)或半自動(dòng)定量潤(rùn)滑，在高接觸應(yīng)力下潤(rùn)滑不足，不僅會(huì)引起楔塊失效，還會(huì)導(dǎo)致劈裂力降低。

經(jīng)過對(duì)劈裂的功法和工況分析，筆者設(shè)計(jì)了一種具有雙模式切換、雙增壓、缺脂保護(hù)、自動(dòng)潤(rùn)滑等功能的高效率劈裂機(jī)液壓系統(tǒng)，并在鋰礦石開采中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證。通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)與行業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)在同等輸入條件下相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：

雙模式自動(dòng)切換，消除了流量損失，劈裂速度更快，效率提高約37%;雙增壓設(shè)計(jì)，可以獲得不同等級(jí)的超高壓力輸出，消除卡機(jī)現(xiàn)象;在相同工況條件下，增壓器工作時(shí)間縮短73%，在增壓器壽命更長(zhǎng);根據(jù)不同工況需求，油脂輸出流量大小可以連續(xù)調(diào)節(jié)，滿足自動(dòng)潤(rùn)滑需求的同時(shí)節(jié)約油脂消耗;

在油脂不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低劈裂速度，不僅可以防止楔塊組磨損，還可以警示操作手及時(shí)加注潤(rùn)滑脂。