炸药装药系统研究

乳化炸药地下装药车主要用于地下矿山爆破过程中连续化机械化装药。工作时起动动力系统和输送系统，通过自动对孔技术，运用泵送方式将散装炸药送入地下矿山的炮孔中，联接起爆网络即可爆破，从而实现地下矿山装药爆破机械化和自动化。地下装药车在欧美国家推广使用非常普遍，已成为主要装药手段和装备。国内外大部分采用人工半自动装药方式，在装药过程中存在劳动强度过大、向上炮孔装药出现返料现象等。本乳化炸药地下装药车采用全自动液压装药方式，并且在送管机构末端添加气囊式防返料机构，很好地解决了返料问题［1］。与以往的商品炸药相比，采用地下装药车的混装设备有以下特点［2］:①可实现炮孔耦合装药，大幅度提高炸药能量和炮孔利用率。爆后岩石块度小，可提高铲运效率。②装药效率高、操作简单、大幅降低操作工人劳动强度。③安全性好，乳胶基质可以在常温存储、运输及使用，减少了炸药流通环节中的不安全因素，而且各关键部位均设置超温、超压、断料等保护装置，可全方位确保整个系统安全运行。④具有较好的社会经济效益。装药车使用散装乳胶基质，可省去商品炸药的人工费用如包装费、运输成本费。且爆破后有毒气体和烟雾少，有利于环保。地下装药车绝大部分工序通过液压传动完成，而且地下装药车行驶环境恶劣，作业时间连续，故对液压系统要求较高，在调试过程中，出现了液压油温度骤升，达到80℃甚至更高，以至全车停机，影响作业。为解决地下装药车液压系统的高温问题，本文对地下装药车液压系统和油液温升进行了分析，并提出了相应解决措施。

1液压油液温度升高原因及对液压系统的主要影响

正常工作情况下，工程机械液压系统中的油液温度一般都应控制在40～80℃范围内，在此温度范围内，设备的工作状况和液压油的寿命都较为理想，但由于各种原因，实际液压系统油液温度超出了正常值。一般温度升高的主要原因有:①油箱容积太小，散热面积不够，冷却装置容量过小;②系统中卸荷回路出现故障或因未设置卸荷回路，停止工作时油泵不能卸荷，泵的全部流量在高压下溢流，产生溢流损失而发热，导致温升;③元件精度不够及装配质量差，相对运动件间的摩擦损失大;配合件的配合间隙太小，或使用磨损后导致间隙过大，内、外泄漏量大，造成容积损失大，温升快;④液压系统工作压力调整得比实际需求高很多，导致温升过快;⑤选择油液的粘度不当，粘度大则粘性阻力大，粘度太小则容易泄露增大，两种情况均能造成油液发热温升。当油液温度超出正常范围，油液温度的升高对液压系统直接带来诸多不利影响［3］，如:①油液粘度降低，元件及系统内泄量增加，泵的容积效率明显降低;②液压元件相对运动表面的油膜变薄，性能变差，使液压件磨损加剧;③油液温度过高使机械产生热变形，引起液压元件受热膨胀，使不同材料的运动副之间的间隙发生变化，造成动作不灵或“卡死”，工作性能降低;④油液流经节流小孔或缝隙式阀口时的流量增大，使原来调定的特性发生变化，特别是液压随动系统，活塞运动速度不稳定，系统的作业精度降低;⑤油液氧化加快，导致油液氧化变质，降低油液的使用寿命;橡胶密封件迅速变化变质，失去密封性能。

2液压系统油温变化分析

2．1液压系统功率损失造成油温上升乳化炸药地下装药车工作时，液压泵和液压缸的容积损失和机械损失都需消耗一定能量，同时在能量转化过程中，液压系统的阻力必然消耗一部分能量，功率损失转化成热量，使油液温度升高。另外压力损失引起的功率损失也会使油液温度升高，压力损失是指因液压油的粘性阻力和流经内部障碍时产生的压力降，前者被称为沿程压力损失，是由液压油流动时的内摩擦引起的;后者称为局部压力损失，由油液流向方向或流速等的突然变化，在局部区域形成漩涡使质点相互碰撞摩擦而引起［4］。2．2发热量及热平衡计算

2．2．1发热量计算乳化炸药地下装药车液压系统主要包括底盘液压转向系统、车体液压制动系统、装药液压系统。系统由泵、多路阀、液压油缸、摆动油缸、液压马达等组成。根据液压系统的特征计算如下:［3］

2．2．2热平衡计算液压油箱的散热量H:H=kA(t1－t2)(6)其中k为油箱表面散热系数，k=20kcal/(m2•℃•h);A为油箱散热面积，m2;t1为液压系统液压油温度，℃;t2为油箱周围空气温度，℃。根据式(6)，取t2为40℃，t1暂定55℃，带入相关参数，可得到油液散热量为5．69×106J/h。通过上述热平衡计算，初步可以确定液压系统的散热系统不能保证系统油液温度在55℃作业，即散热系统不能满足要求。液压系统的散热系统设计之前没有进行详细的热平衡计算，靠经验设计，在乳化炸药地下装药车样车最初调试时，由于时值冬季，液压系统发热问题没有暴露，但一到夏季，由于环境温度较高，液压系统油液的高温问题逐步暴露。

2．3散热系统缺陷引起温度上升液压系统油温过高由两方面引起，即系统产生的热量过多和系统的散热能力不足。系统产生的热量可以通过油箱及元件向四周散发或通过热交换器强制冷却，但如果液压系统中的散热面积不足则会破坏热平衡，使系统的热量散不出去，致使油液温度升高;泵的吸油滤油网器如果堵塞，会使吸油阻力变大，以致吸油管路中压力过低，油泵的吸油腔中油液不能全部充满空间，出现空穴现象，从而使温度急剧升高［5］;如果散热器跟油箱的散热面被粉尘或油泥等覆盖形成保温层，则因传热系数降低而影响整个系统的散热;如果风扇和冷却水泵的发动机转速过低，或是电机跟系统散热需要风扇转速的匹配性不良，或是转速正常但是因皮带松弛使速度降低，或实际环境温度与原设计的使用环境温度相差太大等因素都会造成系统的散热能力不足。当系统的散热能力达不到系统产生的热能时，系统的温度就一直处于上升状态，从而导致液压系统油液的温度升高。3存在的问题与改进措施散热系统在维持传动系统正常工作方面发挥着极其重要的作用，散热状况的正常与否，直接影响到水温和油温的高低，从而对整车的工作产生重要影响。在调试过程中，发现液压系统的散热系统远不能满足需要，开机运行20min后系统油温高达80℃，导致全车停机。究其原因，认为在液压系统设计之初没充分考虑到装药车的全液压驱动特性，只配了一套普通冷却系统，如图1所示，该系统包括冷却水箱、冷却水泵、冷却风扇及其驱动电机。由冷却水箱中的水和液压油液中油液管路在冷却器中实现冷热交换，以达到冷却油液的目的。

3．1原冷却系统的缺陷1)风扇效率低功率损失大。冷却风扇由发动机直接驱动，装有风扇的发动机与装有风罩的散热器必须分别用弹性支座固定在车架上，为避免风扇和风罩在振动过程中相碰，两者间的间隙至少保证在15～20mm，这极大的降低了风扇的容积效率，加上风扇机械效率损失较大及液力效率不高，使得风扇总效率在30%左右［5］。受空间的限制，散热器迎风面积不能做得过大，故只能增加散热器散热管排数以弥补通风面积的不足，但是这样就增加了散热器厚度，使空气流动阻力变大，风速下降，风速是决定散热器散热能力的主要因素。2)冷却系统的开式控制系统不利于实现自适应优化控制。冷却系统中的电动机转速都是依据经验选取，在工作过程中不能实现自适应优化。在工作中随着油液的温度升高或降低，冷却系统的电机始终以恒定的转速转动，这样的冷却系统即使能满足使用要求，也未必能满足节能指标。另外地下装药车结构特点决定了其发热源大而多，该车采用德国DETUZ公司BF4L2011发动机，功率为160kW，工作时产生大量的热;工作中的大臂、横臂及送退管装置等因阻尼、压力等方面原因，也产生很多热量。而且地下装药车工作场所为通风条件差的井下矿山，靠自然风的冷却因素非常有限。

3．2冷却系统的改进通过上述分析，确定了冷却系统存在不足，但第一点缺陷是结构性的不足，在尽量不改动整车结构的前提下做了如下改动:即把冷却系统的开式控制改成闭式控制，在原有控制系统中多添加一个温度的控制信号。其工作原理见图2。相比原有的散热系统，改进后的散热系统加入了变频调速技术，液压系统通过温度信号采集、信号处理，通过电信号为媒介，实时改变冷却泵和电风扇驱动电机转速，用数字反馈闭式控制代替了原有的开式控制方式。工作时可根据油液的最佳范围，设定PLC程序中的设定温度值，当油液温度增大时，油箱中的温度传感器采集变化的温度信号，反馈到PLC温度测控器，反馈信号通过A/D转换后于设定温度最佳范围进行相关数学运算，运算结果通过D/A转换成调节变频器的频率值，使电机增大转速或降低转速，以保证油液的温度在最近工作范围内工作。就这样温度传感器不断给测控器发送温度信号，并通过PLC不断进行比较，返回变频的频率信号，增加或降低转速，直至液压油液在最佳工作范围，调节短暂结束。

3．3工业应用效果在调试中，进行了模拟装药实验，在环境温度为35℃的室外，炮孔直径为50mm，炮孔深为40m，每个炮孔装药量约为90kg，每个炮孔装药跟对孔时间基本都保持在4min，装药速度为15kg/min。在原有液压冷却系统和改进冷却系统后的液压系统两种条件下分别装满10个炮孔的模拟基质，通过多次试验，测得液压油液温度随装药时间之间的关系，经数据处理后得出了装药时间与液压油液温度曲线见图3和图4。试验对比发现，改进后的液压系统油温得到改善。经过大量试验表明，改善冷却系统后，该地下装药车的液压性能比之前稳定得多，连续工作2h后未出现因油温过高而导致整车停机的现象。试验表明，通过引入变频散热系统后，液压系统油液温度能保持在PLC设定的范围内运行，从而很好的解决了因油液温度过高而带来的一系列不利影响。

4结语

通过在油箱中增设温度传感器，采用闭式控制系统，在传统的液压冷却系统中引入变频技术，成功解决了长期以来液压系统存在的高温问题。在结构上不作大的调整的前提下，仅对冷却系统的控制方式进行局部改进就可达到良好效果，且改进后的系统可以根据现场油液温度进行自适应调整，达到了实时控制和节能要求。全自动地下装药车的研究在我国目前还处于初级阶段，虽然液压系统高温问题得到了很好解决，但为了尽早把全自动化地下装药车投入矿山使用，还需要在以下几个方面进一步改进:①提高底盘、装药系统和对孔装置三者的匹配性;②提高装药效率装药精度;③改善控制形式;④解决乳胶基质敏化后在小直径软管内的长距离输送;⑤快速准确实现炮孔自动定位;⑥控制返药。