李永星

（中國鐵建重工集團股份有限公司液壓研究設計院，湖南 長沙410100）

0 引言

煤礦是我國重要能源產業(yè)之一，在國家政策引導下，煤礦機械化水平不斷提高。 因此，近些年快速掘錨成套設備發(fā)展迅速。 快速掘錨成套設備包括掘錨一體機和煤礦用錨桿臺車，而機載液壓破碎機是煤礦用錨桿鉆車重要組成部分。

常見煤礦破碎機可分為三類。一是顎式破碎機；二是輥式破碎機；三是沖擊式破碎機。顎式破碎機通過可動顎板和固定顎板之間的擠壓實現煤炭破碎作業(yè)；輥式破碎機通過兩個相對回轉輥子實現煤炭破碎作業(yè)；沖擊式破碎機通過轉子高速旋轉，帶動轉子上的截齒對煤炭進行沖擊而實現破碎作業(yè)[1]。 錨桿臺車上機載液壓破碎機就屬于沖擊式破碎機。

目前， 針對機載液壓式破碎機相關文獻較少，已有文獻也都是針對結構上研究。 還未有液壓破碎機液壓系統(tǒng)和工況數據研究。當煤的硬度f ≥2 或夾矸時，煤塊不易破碎，對運輸系統(tǒng)產生碰、撞、砸等形式的破壞，為井下安全運輸帶來困難，所以需要將采下來的煤礦就地破碎；煤礦井下破碎機都是利用電機驅動， 存在安裝空間大、帶載啟動困難和需要煤安認證等問題；受安裝空間、帶載啟動和煤安認證等因素影響，暫時沒有與掘錨一體機相匹配的電驅破碎機。 因此，在煤礦設備迅速發(fā)展和日益追求精益的今天，應重視機載液壓破碎機液壓系統(tǒng)性能參數而深入研究。

1 液壓破碎機結構及工作原理

圖1 是某型號煤礦用錨桿臺車機載液壓破碎機三維模型，其結構由接料斗1、液壓馬達2、減速機3、支撐裝置4、驅動軸5 和破碎截齒6 等組成，其中后驅動軸兩圈截齒正好對應前驅動軸三圈截齒相隔的間隙。當掘錨一體機刮板運輸系統(tǒng)運料至煤礦用錨桿臺車液壓破碎機接料斗時，液壓馬達驅動減速機帶動驅動軸相向高速旋轉，驅動軸帶動破碎截齒對大塊煤炭進行沖擊破碎，實現破碎作業(yè)。

圖1 機載液壓破碎機三維模型

2 液壓破碎機控制系統(tǒng)組成及工作原理

圖2 是錨桿臺車機載液壓破碎機控制系統(tǒng)原理圖，它由油源、多路閥和液壓馬達組成。

圖2 液壓破碎機控制系統(tǒng)原理圖

機載液壓破碎機油源是由煤礦用錨桿臺車液壓泵站提供。 其控制系統(tǒng)工作原理為：當多路閥手柄第一聯(lián)接收到控制信號后換向至上位工作，油源高壓油經多路閥第一聯(lián)上位到后驅動軸液壓馬達A 口， 后驅動軸馬達B 口油液經多路閥第一聯(lián)上位流回油箱，液壓馬達經減速機驅動后軸帶動破碎截齒順時針高速旋轉；與此同時多路閥第二聯(lián)也會接收到相同電信號后換向至上位工作，油源高壓油經多路第二聯(lián)上位到前驅動軸液壓馬達B 口， 馬達A 口油液經多路閥第二聯(lián)上位流回油箱，液壓馬達經減速機驅動前軸帶動破碎截齒逆時針高速旋轉。

3 液壓破碎機工況測試數據分析

針對我公司自主研制液壓破碎機液壓馬達損壞問題，在某礦進行實際工況數據采集，所用測試設備是HYDAC 便攜式數據采集儀，利用壓力傳感器和傳感器線將液壓馬達A、B 口與采集儀連接在一起，完成不同工況下馬達輸出參數采集工作。 結合馬達輸出參數曲線，借助壓力梯度大小衡量不同工況下對馬達使用壽命的影響。

3.1 壓力梯度

所謂壓力梯度是指液壓破碎機馬達進口壓力曲線瞬態(tài)響應過程中單位時間壓力變化量，可記為

T 為瞬態(tài)響應的調整時間。

3.2 正常碎煤工況

正常碎煤工況是指全煤巷，掘錨一體機截割下來的都是碎煤。 在該工況下，利用數據采集儀采集馬達進口和出口壓力曲線，見圖3。

圖3 的正常碎煤工況馬達進出口壓力曲線表明，碎煤作業(yè)啟動階段存在一定程度的壓力波動，隨后進入正常碎煤作業(yè)階段。整個作業(yè)過程，馬達進口壓力峰值為54 bar，平均壓力為30 bar。破碎機馬達的進口壓力較低，這是由于破碎機在低負載下進行破碎作業(yè)。

圖3 正常碎煤工況馬達圧力曲線

3.3 正常碎煤、夾帶較大煤塊/煤矸石工況

正常碎煤、 夾帶較大煤礦/煤矸石工況是指巷道工作面是全煤層、煤層較硬/存在煤矸石層。在該工況下，利用數據采集儀采集馬達進口和出口壓力曲線，見圖4。

圖4 的正常碎煤、 夾帶較大煤礦/煤矸石工況馬達進出口壓力曲線表明，破碎啟動階段及正常碎煤作業(yè)曲線大致相似，不再贅述。 值得注意的是正常碎煤過程中遇到較大煤塊/煤矸石時，破碎機振動明顯，同時從曲線可以得出，馬達進口壓力瞬間升高，壓力峰值達到243 bar。 經過一段時間后馬達進口壓力恢復到正常值50 bar，破碎機進入正常碎煤作業(yè)。

圖4 正常碎煤、夾帶較大煤塊/煤矸石工況馬達壓力

較大煤礦/煤矸石落入破碎機后， 取馬達進口壓力局部曲線，見圖5。

圖5 的較大煤塊/煤矸石落入時馬達進口局部曲線表明，較大煤塊/煤矸石落入破碎機后，馬達進口壓力出現較大波動，經過0.218 s，馬達進口壓力從64 bar 增加到243 bar，壓力梯度為821 bar/s。 此工況下產生沖擊壓力較高，且壓力波動劇烈，易對馬達造成損傷，降低使用壽命。

圖5 較大煤塊/煤矸石落入時馬達進口局部壓力曲線

3.4 馬達卡滯工況

馬達卡滯工況是指進行破碎作業(yè)時，破碎機馬達被較大較硬煤塊/煤矸石卡住憋死。 在該工況下，利用數據采集儀采集馬達進口和出口壓力曲線，見圖6。

圖6 的馬達卡滯工況馬達進出口壓力曲線表明，破碎機發(fā)生卡滯現象，馬達進口壓力超過傳感器量程，馬達出口壓力為0，說明馬達發(fā)生憋壓。 當較大較硬煤塊/煤矸石落入破碎機時，外部負載突然增加，超出馬達輸出扭矩，馬達發(fā)生卡滯。 遇到此工況，在外部沖擊載荷和馬達激增進口壓力的雙重作用下，馬達很容易損壞。

圖6 馬達卡滯工況壓力曲線

馬達發(fā)生卡滯時， 取馬達進口局部壓力曲線，見圖7。

圖7 的馬達卡滯時局部壓力曲線表明，馬達發(fā)生卡滯后，經過0.074 s，進口壓力從初始值增到超過量程。取最大壓力250 bar 進行計算，壓力梯度為3378 bar/s。 此工況下，馬達所受沖擊壓力高、壓力梯度大、外載荷大，馬達使用壽命受到很大影響。

圖7 馬達卡滯時的馬達進口局部壓力曲線

綜上所述，可以得出液壓破碎機驅動馬達在夾帶較大煤塊/煤矸石和被較大較硬煤塊/煤矸石卡住工況下，馬達進口壓力梯度較高，特別是卡滯工況，大大降低馬達使用壽命。 針對這兩種工況馬達所受的影響因素，對液壓破碎機控制系統(tǒng)進行改進，在馬達進油口加裝蓄能器。 并對改進后的方案進行實際工況數據采集。

4 控制系統(tǒng)改進方案工況測試數據分析

4.1 正常碎煤工況（加蓄能器）

圖8 是馬達進油口增加蓄能器后正常碎煤工況下，利用數據采集儀得到的馬達進出口壓力曲線，表明加蓄能器后馬達進出口壓力曲線與圖3 相比差異較小。 在進行測試過程中，當較大煤塊落入破碎機后，馬達進口壓力突然升高。 然后在碎煤作業(yè)模式下，按下控制正反轉按鈕，馬達出口壓力瞬間增加，然后再切換為正轉，破碎機進入正常碎煤作業(yè)階段。 馬達進口壓力為38 bar，出口壓力為20 bar。

圖8 加蓄能器后正常碎煤馬達壓力曲線

4.2 正常碎煤、夾帶較大煤塊/煤矸石工況（加蓄能器）

圖9 是加蓄能器后遇到較大煤塊/煤矸石馬達工況下，利用數據采集儀得到馬達進出口壓力曲線，表明遇到大的煤塊和煤矸石時，馬達的進口壓力快速增加至245 bar， 經過一段時間后馬達進口壓力恢復到正常值45 bar，進入正常碎煤作業(yè)。

圖9 加蓄能器后大煤塊/煤矸石時馬達壓力曲線

增加蓄能器后， 當較大煤礦/煤矸石落入破碎機后，取馬達進口局部壓力曲線，見圖10。

圖10， 加入蓄能器后較大煤塊/煤矸石落入時馬達進口局部曲線表明， 較大煤礦/煤矸石落入破碎機料斗后，經過0.599 s，馬達進口壓力由75 bar 增加到245 bar，壓力梯度為283 bar/s。 與圖5 相比，馬達進口壓力響應時間增加，壓力梯度減小。

圖10 加蓄能器后較大煤塊時馬達局部壓力曲線

4.3 馬達卡滯工況（加蓄能器）

圖11，加蓄能器后馬達發(fā)生卡滯工況下，利用數據采集儀得到馬達進出口壓力曲線，表明在破碎過程中遇到較大的煤塊/煤矸石， 馬達進口壓力快速增加，經破碎后，進入正常碎煤階段。當遇到很大的煤塊/煤矸石時，馬達發(fā)生卡滯，壓力增加到287 bar。

圖11 加蓄能器后卡滯時馬達壓力曲線

增加蓄能器后，當馬達發(fā)生卡滯時，取馬達進口局部壓力曲線，見圖12。

圖12， 加蓄能器后馬達發(fā)生卡滯的局部圧力曲線表明，經過0.81 s，馬達進口壓力由32 bar增至287 bar，壓力梯度為315 bar/s。與圖7 相比，馬達進口壓力響應時間增加， 壓力梯度明顯減小。

圖12 加蓄能器后馬達卡滯局部壓力曲線

5 結束語

通過分析機載液壓破碎機實際工況采集數據曲線， 發(fā)現夾帶較大煤塊/煤矸石和馬達卡滯工況對馬達使用壽命影響明顯。考慮到實際工況的復雜性，提出壓力梯度的概念，借助壓力梯度值研究不同工況對馬達壽命的影響，得到如下結論：

（1） 在夾帶較大煤塊/煤矸石和馬達卡滯工況下，其馬達壓力梯度值較大，生產廠家應將其作為基本性能參數指標在樣本中加以標示，標明壓力梯度值對馬達使用壽命影響趨勢。

（2）增加蓄能器后，在夾帶較大煤塊/煤矸石和馬達卡滯工況下，馬達進口壓力梯度值明顯降低，說明對馬達使用壽命有一定的有利作用。 設計控制系統(tǒng)時應綜合考慮增加緩沖元件、組件或補油系統(tǒng)，降低馬達壓力梯度值和壓力沖擊。

（3）從使用角度看，選用的液壓破碎機驅動馬達應著重考慮壓力梯度和壓力沖擊兩個因素對其自身使用壽命的影響。

上述結論可用于液壓破碎機液壓系統(tǒng)改進設計和元件選用，對其它類似液壓系統(tǒng)設計和元件選用研究也具有借鑒意義。