煤矿井下大流量泥浆泵车液压系统设计与研究.pdf

doi 10. 11799/ ce202009034 收稿日期 2019-09-23 基金项目 国家科技重大专项项目资助2016ZX05045003-002 作者简介 姚亚峰1979, 男, 河南长葛人, 博士研究生, 研究员, 现在主要从事煤矿坑道钻探技术与装备的研究与 应用, E-mail yaoyafeng cctegxian. com。 引用格式 姚亚峰, 曹 静, 王 普, 等. 煤矿井下大流量泥浆泵车液压系统设计与研究 [J].煤炭工程, 2020, 52 9 166-169. 煤矿井下大流量泥浆泵车液压系统设计与研究 姚亚峰1,2, 曹 静2, 王 普2, 杜小山2 1. 煤炭科学研究总院 , 北京 100013; 2. 中煤科工集团西安研究院有限公司, 陕西 西安 710077 摘 要 针对煤矿井下大流量泥浆泵车的使用要求以及开式液压系统和闭式液压系统的特点, 提出了大流量泥浆泵车液压系统的总体方案。 详细叙述了液压系统中泥浆泵马达回转系统和履带行 走系统的组成元件、 工作原理及主要液压部件功能。 根据泥浆泵车的性能要求对液压系统中重要元 件进行了参数计算和选型。 考虑到煤矿井下工作环境及闭式液压系统的应用, 在液压系统中采取了 三种相应的冷却措施来提高系统的散热效果, 并对冷却器进行了计算选型以满足大流量泥浆泵车液 压系统的散热需求, 能较好地适应于煤矿井下应用。 关键词 泥浆泵车; 大流量; 闭式液压系统; 开式液压系统 中图分类号 TH137; TD4 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202009-0166-04 Design and research on hydraulic system of large flow mud pump truck in underground coal mine YAO Ya-feng1,2, CAO Jing2, WANG Pu2, DU Xiao-shan2 1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. CCTEG Xi’an Research Institute, Xi’an 710077, China Abstract According to the application requirements of large flow mud pump truck and the characteristics of open hydraulic system and closed hydraulic system, the overall design of hydraulic system of large flow mud pump truck is designed.The components, working principle and functions of main hydraulic components of mud pump motor rotary system and crawler walking system are described in detail. Based on the perance requirements of mud pump truck, the important hydraulic components are calculated and selected.Considering the requirement of working environment and the application of closed hydraulic system in underground coal mine, three cooling measures are adopted to improve the heat dissipation effect of the system, and also the cooler is calculated and selected to meet the requirement of heat dissipation of hydraulic system of large flow mud pump truck , which can be used well in underground coal mine. Keywords mud pump truck; large flow; closed hydraulic system; open hydraulic system 煤矿井下泥浆泵输出的泥浆液可作为钻孔冲洗 液, 也可为孔底螺杆马达提供动力, 目前广泛应用 于煤矿井下钻孔施工中。 由于泥浆泵质量和体积较 大, 在煤矿井下搬迁运输不方便, 因此经常把泥浆 泵安放在履带车体上, 依靠履带驱动行走, 并配套 液压系统后形成泥浆泵车。 随着煤矿井下钻孔施工 能力的日趋提升, 对泥浆泵车的流量和压力输出要 求也越来越大。 目前常用的煤矿井下泥浆泵车中泥 浆泵的输出流量为 390460L/ min, 但对于 “以孔代 巷” 的大直径钻进、 超深孔定向钻进以及其他特殊 钻孔来说, 需要选用超大流量及高压力的泥浆泵, 根据钻孔需要, 新选型的泥浆泵最大流量达到 2000L/ min。 泥浆泵车性能的提升对液压系统的要求 也大大增加, 因此为大流量泥浆泵车设计出适合的 液压系统非常重要。 1 液压系统总体方案 液压系统按照油液循环方式分为开式系统和闭 661 第52卷第9期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 9 万方数据 式系统两种[1-3]。 开式系统是指泵从油箱吸油进入 工作油路, 油液完成工作后回到油箱。 开式系统结 构简单, 系统散热性能好, 液压件可选择性多。 目 前煤矿井下常用的钻探设备如钻机、 泥浆泵车等的 液压传动系统通常选择开式系统。 但开式系统也有 一些缺点, 需要的油箱体积较大, 油箱有效容积一 般为泵流量的 37 倍, 对于行走设备和冷却效果比 较好的设备, 油箱容积可选择小些, 但一般也为泵 流量的 1. 52 倍以上。 另外开式系统中油箱油液常 与空气接触, 空气易于渗入系统。 闭式系统是指泵 的吸油口、 排油口直接与液压执行元件的进油口、 出油口相连。 闭式系统需要的油箱体积较小, 空气 进入油液的机会少; 但结构较复杂, 散热条件较差, 并要求有较高的过滤精度[4-7]。 为了补偿油液泄露, 通常需要一个小的补油泵, 为系统提供补油和散热。 目前煤矿井下应用闭式系统的主要有无轨胶轮车等 行走机械设备。 对于最大输出流量为 2000L/ min 的大流量泥浆 泵车来说, 设备的元件尺寸较大, 受巷道尺寸、 井 下行走、 运输等的条件限制, 要求泥浆泵车的尺寸 不应超过配套钻机的尺寸, 因此对大流量泥浆泵车 的外形尺寸提出了更高要求。 泥浆泵车液压系统包 括泥浆泵马达回转系统和履带行走系统。 泥浆泵马 达回转系统的作用是输出所需压力、 流量的冲洗液。 煤矿井下大流量泥浆泵车选用大流量泥浆泵, 需要 的油泵排量大, 若按照开式系统设计, 油箱体积太 大, 会导致泵车整体尺寸很大, 因此泥浆泵马达回 转系统可选用闭式系统。 履带行走系统的作用是完 成泵车的行走、 转向和制动, 油泵流量小, 因此履 带行走系统适合选用结构简单的开式系统。 2 液压系统设计 该泥浆泵车的液压系统采用三联泵驱动, 其液 压系统包括泥浆泵马达回转系统和履带行走系统。 2. 1 泥浆泵马达回转系统 泥浆泵马达回转系统为双泵闭式液压系统, 采 用两个闭式泵并联控制, 系统中包括了电动机、 闭 式泵、 补油泵、 吸油滤油器、 油箱、 高压滤油器、 功率阀、 远控手柄、 冲洗阀、 泥浆泵马达、 单向背 压阀、 冷却器、 回油滤油器等部件。 电动机起动后, 闭式泵输出高压油, 经冲洗阀后进入泥浆泵马达, 泥浆泵马达的出油经冲洗阀后再回到闭式泵, 形成 闭式循环。 泥浆泵远控手把为两联, 分别连接两个 闭式泵, 通过操作泥浆泵远控手把控制泥浆泵马达 的正转、 停止。 闭式泵中内置变量控制模块, 该模块是与先导 压力相关的液压比例控制模块。 2 个闭式泵的变量 控制模块分别有控制油口 Y11、 Y12 和 Y21、 Y22, 泵的输出流量与施加到两个控制油口的先导信号压 力差成比例[8]。 由于泥浆泵马达的工作状态只有正 转和停止, 没有反转, 所以系统中泥浆泵远控手柄 的工作油路直接连接变量控制模块的先导信号油口 Y11 和 Y12 口, Y21 和 Y22 口接回油箱, 实现了闭 式泵正转时的流量控制。 闭式系统中不再需要安装 多路换向阀, 减少了液压管路, 降低了系统的节流 损失, 使系统运行更加平稳。 闭式泵中内置补油泵, 该泵为小型液压齿轮泵, 和闭式泵同轴连接。 补油泵具有三个作用 ①用于 补偿闭式系统的油液损失; ②为变量控制模块提供 先导压力控制油; ③可以增加泵的吸油口压力, 使 吸油更加顺畅。 功率阀的作用是控制闭式泵的功率。 功率阀使 用前需要进行功率设定, 来自闭式泵工作油液压力 的高低决定功率阀的开启和关闭。 当闭式泵的工作 压力低于功率阀的设定压力时, 功率阀关闭, 泵以 最大排量输出, 此时若需要调节排量可通过操作远 控手柄来实现。 当闭式泵的工作压力高于功率阀的 设定压力时, 功率阀开启, 来自补油泵的先导控制 油一部分通过功率阀回到油箱, 使得先导控制压力 降低, 从而使泵的排量相应减小, 保持功率不变, 实现功率控制。 冲洗阀安装在工作回路中, 由热油梭阀、 溢流 阀等部件组成。 冲洗阀中的热油梭阀为低压优先阀, 闭式系统工作回路中的低压侧油液经过冲洗阀后可 少量流出回到油箱, 提高系统的冷却效果。 泥浆泵 马达回转系统液压原理如图 1 所示。 2. 2 履带行走系统 履带行走系统为单泵开式系统, 采用一个开式 泵控制, 系统中包括了电动机、 开式泵、 吸油滤油 器、 油箱、 高压滤油器、 多路换向阀、 远控手柄、 行走马达、 冷却器、 回油滤油器等部件。 电动机起 动后, 开式泵经吸油滤油器吸入低压油, 输出的高 压油经高压过滤器过滤后进入多路换向阀。 多路换 向阀由两联组成, 左起第一联连接履带左行走马达, 通过左行走远控手把控制左行走马达的正转、 反转 和停止; 左起第二联连接履带右行走马达, 通过右 761 2020 年第 9 期 煤 炭 工 程 装备技术 万方数据 1电动机; 2闭式泵; 3补油泵; 4吸油滤油器; 5油箱; 6高压滤油器; 7功率阀; 8远控手柄; 9冲洗阀; 10泥浆泵马达; 11单向背压阀; 12冷却器; 13回油滤油器 图 1 泥浆泵马达回转系统液压原理图 行走远控手把控制右行走马达的正转、 反转和停止。 开式泵的回油进入回油集合块后, 经冷却器和回油 滤油器回到油箱。 履带行走系统液压原理如图 2 所示。 1电动机; 2开式泵; 3吸油滤油器; 4油箱; 5高压滤油器; 6多路换向阀; 7远控手柄; 8行走马达 图 2 履带行走系统液压原理图 3 液压系统主要元件计算选型 液压系统中主要参数为压力、 排量、 流量、 转 速、 功率, 是选择电机、 液压泵、 马达等液压元件 的重要依据[9,10]。 3. 1 电机和闭式泵的选型 泵车选用的泥浆泵自带液压马达, 已知液压马 达的最大流量 750L/ min 和建议的驱动功率 280kW。 根据泵车的实际工作情况, 可知泥浆泵工作和履带 行走不会同时进行, 所以可按照闭式系统的参数选 择功率 280kW、 转速 1480r/ min 的电机。 闭式泵的 排量可根据泥浆泵马达的参数计算 qb 1000Qm nbηb 1 式中, qb为泵的排量, mL/ r; Qm为马达流量, L/ min; nb为泵的转速, r/ min; ηb为泵的效率。 代入数据计算得闭式泵所需排量为 533mL/ r, 考虑到大流量泵通用性差、 性价比较低等因素, 因 此选择两个排量为 280mL/ r 的闭式泵共同驱动泥浆 泵马达, 可满足需求。 3. 2 开式泵的选型 根据泵车的总重量和行走速度, 为泵车选用了 相应的履带车体和行走马达。 行走马达为两个, 分 别驱动左、 右履带。 将行走马达的参数代入式1 中, 可 得 单 个 行 走 马 达 所 需 的 开 式 泵 排 量 为 35mL/ r, 因此选择排量为 71mL/ r 的开式泵驱动两个 行走马达。 4 液压系统冷却 闭式系统的工作油液循环使用, 系统发热量大, 油箱体积小, 散热性能较差, 容易发生油温过高的 现象。 因此解决闭式液压系统的冷却问题非常重 要[11,12]。 为此, 该液压系统设计了三种方式来增加 系统的散热 一是利用冲洗阀使闭式回路中高温油 液流出后进入回油集合块后, 经冷却器和回油滤油 器回到油箱, 增加系统的冷却; 二是冲洗阀流出的 油液分出一路经过单向背压阀后进入马达壳体, 使 马达壳体中的油液循环后经过冷却器回到油箱, 实 现对马达壳体中的油液冷却, 其中的单向背压阀可 使进入马达壳体的油液压力不超过壳体允许的最大 压力值; 三是开式系统的多路换向阀选用开心式, 可在履带不行走时, 使多路阀进油口和回油口连通, 多路阀卸荷, 油液经冷却器回油箱, 使油箱中的油 液循环冷却。 液压系统的散热最终是通过冷却器来对油液进 行强制冷却, 因此需要计算最大功率情况下冷却器 的散热效果是否满足需求, 下面通过数据计算为冷 却器进行选型。 4. 1 系统的发热功率 液压系统工作时, 液压泵、 马达等液压元件和 液压管路存在泄漏及摩擦损失, 因此液压系统会消 耗部分功率转化成热量。 液压系统的发热功率计算 H 1000Pb1 - η2 861 装备技术 煤 炭 工 程 2020 年第 9 期 万方数据 式中, H 为液压系统发热功率, W; Pb为液压 泵的总输入功率, kW; η 为液压系统总效率。 液压泵的总输入功率为电动机的功率 280kW, 额定工况时的总效率为 0. 68, 代入式2可得液压 系统发热功率为 89600W。 4. 2 冷却器散热面积 A H kΔtm 3 式中, A 为冷却器的散热面积, m2; k 为冷却器 的传热系数, W/ m2K; Δtm为油和水之间的平 均温差, K。 冷却器的传热系数根据板式冷却器水冷的性能 取值 465W/ m2K, 油和水之间的平均温差根据 已知 的 数 据 即 进 油 温 度 348. 15K、 出 油 温 度 323. 15K、 进水温度 303. 15K、 出水温度 313. 15K 计 算为 27. 5K, 代入式3可得冷却器所需的散热面积 为 7m2, 因此选择传热面积为 10. 26m2的钎焊板式 冷却器对液压系统进行冷却, 再考虑到油箱的自然 散热, 该冷却器完全可以满足液压系统的散热需求。 5 结 语 根据煤矿井下大流量泥浆泵车的特殊工作环境, 设计了泥浆泵车的马达回转闭式液压系统和履带行 走开式液压系统, 将闭式系统应用于泥浆泵马达的 回转系统中, 既大幅度减小了油箱尺寸, 使泥浆泵 车结构更加紧凑, 满足现场使用, 又降低了泥浆泵 大流量输出时液压系统的节流损失。 针对重要液压 元件进行了计算选型, 为泥浆泵车的参数设计提供 了可靠保证。 针对煤矿井下应用时, 设备的通风、 散热条件较差, 闭式系统更容易发热问题, 通过在 液压系统中设计了三种散热方式, 并对冷却器的选 型进行了计算分析, 能很好解决闭式液压系统的散 热问题, 对其他类似大功率产品的液压系统设计具 有较好的参考意义。 参考文献 [1] 霍进刚. 牙轮钻机的液压系统在闭式回路中的应用 [J]. 液 压气动与密封, 2011, 3811 36-38. 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