摘 要：煤礦用防爆柴油機(jī)的工作環(huán)境決定了其必須具有防爆的特性，必須滿足《煤礦用防爆柴油機(jī)技術(shù)檢驗(yàn)規(guī)范》的要求。目前防爆柴油機(jī)絕大數(shù)采用氣動馬達(dá)起動。該類產(chǎn)品最為核心和易損的部件是氣動馬達(dá)，由于駕駛員操作不當(dāng)、氣路元件失靈均會造成馬達(dá)損毀。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作達(dá)到極限狀態(tài)，如出現(xiàn)發(fā)動機(jī)過熱、排氣溫度過高、水洗箱水位過低或水溫過高等情況后，若無保護(hù)系統(tǒng)繼續(xù)起動使用必將造成發(fā)動機(jī)損壞。本文介紹一種采用氣動馬達(dá)起動的防暴柴油機(jī)的安全控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：防暴柴油機(jī)；活塞式氣動馬達(dá)；安全控制氣路
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.042
防爆類柴油機(jī)的起動方式通常為壓縮空氣驅(qū)動氣動馬達(dá)。通常選用活塞式氣動馬達(dá)，使用壓縮空氣輸入馬達(dá)缸體推動馬達(dá)活塞桿，使活塞桿前端的小齒輪嚙合發(fā)動機(jī)飛輪旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火；起動后切斷壓縮空氣供氣，復(fù)位彈簧推動活塞桿退回，前端小齒輪與發(fā)動機(jī)飛輪脫開，同時停止旋轉(zhuǎn)，起動完成。該種方式的優(yōu)點(diǎn)是起動氣壓很低，通常為8bar，使用發(fā)動機(jī)自帶的壓縮機(jī)供氣即可，成本較低，所以目前國內(nèi)外防爆類柴油機(jī)多數(shù)采用這種方式；其缺點(diǎn)是氣動馬達(dá)比較脆弱，起動完成后，如馬達(dá)輸出軸小齒輪與發(fā)動機(jī)飛輪不能及時脫開，那么馬達(dá)活塞桿將隨發(fā)動機(jī)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，同時隨發(fā)動機(jī)飛輪一起震動，活塞桿軸承磨損破壞，導(dǎo)致活塞桿與馬達(dá)缸體同軸度破壞，彈簧無法回彈，活塞桿不能退回，馬達(dá)將直接報(bào)廢。國內(nèi)一些產(chǎn)品的氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在兩個問題：
（1）馬達(dá)完成起動后輸出軸活塞桿不能自動縮回，收縮時間需要駕駛員人為判斷，這樣極有可能因?yàn)轳{駛員的失誤導(dǎo)致馬達(dá)損壞；
（2）啟動按鈕不設(shè)置保護(hù)措施，當(dāng)完成起動后活塞桿收回，發(fā)動機(jī)飛輪已高速旋轉(zhuǎn)，此時如出現(xiàn)誤操作，再次按動啟動按鈕，馬達(dá)活塞桿推動輸出軸齒輪與飛輪撞擊打齒，會直接損壞馬達(dá)和發(fā)動機(jī)。所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞將直接決定馬達(dá)壽命。另外，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作達(dá)到極限狀態(tài)，如無保護(hù)系統(tǒng)，繼續(xù)使用發(fā)動機(jī)終將造成其損壞。
所以結(jié)合以上問題，防爆柴油機(jī)采用氣動馬達(dá)起動的氣路系統(tǒng)應(yīng)具備三種能力：
（1）氣動馬達(dá)完成起動后輸入軸活塞桿能夠立刻自動復(fù)位收回，避免人為操作；
（2）啟動完成后，應(yīng)設(shè)置保護(hù)裝置或保護(hù)系統(tǒng)，使啟動按鈕在發(fā)動機(jī)正常工作時處于失效狀態(tài)；
（3）發(fā)動機(jī)工作中出現(xiàn)極限狀態(tài)如發(fā)動機(jī)過熱、水洗箱水位過低、排氣溫度過高等，系統(tǒng)應(yīng)自動禁止強(qiáng)行起動保護(hù)發(fā)動機(jī)。以下介紹一種煤礦用鏟運(yùn)機(jī)的防爆柴油機(jī)安全控制系統(tǒng)，原理圖如圖1。
1 各部件情況如下
氣動馬達(dá)，活塞式氣動馬達(dá)，柴油機(jī)自帶。
空氣壓縮機(jī)，發(fā)動機(jī)自帶的活塞式壓縮機(jī)，進(jìn)氣口接發(fā)動機(jī)空濾。
儲氣罐，容量80L，放散壓力設(shè)定為8bar。在空壓機(jī)停止工作的情況下，能夠儲存足夠體積和壓力的氣體，為發(fā)動機(jī)再次啟動提供氣源。
壓力匯管，作用是建立和穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，是系統(tǒng)所有控制閥的載體。容量為4-5L。
控制閥組，由四個先導(dǎo)式氣控閥組成，先導(dǎo)壓力分別檢測發(fā)動機(jī)殼體表面溫度、排氣口溫度、發(fā)動機(jī)冷卻水水溫、水洗箱水位，通常情況下瓦斯?jié)舛葯z測也應(yīng)并入該處閥組。
氣動角座閥（序號2），雙向控制常閉式，許用壓力1.6MPa，開啟壓力設(shè)置在3bar。執(zhí)行器為雙向彈簧復(fù)位式，分別檢測匯管壓力和空壓機(jī)輸出壓力，當(dāng)空壓機(jī)一側(cè)壓力等于或大于匯管一側(cè)壓力時，執(zhí)行器控制閥芯關(guān)閉。
調(diào)壓器（序號1、6）。本方案共使用兩套自力式調(diào)壓器。1號調(diào)壓器起穩(wěn)定儲氣罐壓力作用，設(shè)定壓力為8bar；6號調(diào)壓器，壓力設(shè)定在3bar，作用是賦予系統(tǒng)匯管3bar的初始壓力，開啟角座閥。
氣控閥（序號4、8），4號為常閉式，先導(dǎo)氣壓為匯管壓力，氣壓大于6bar時開啟；8號為常開式，先導(dǎo)氣壓同樣為匯管壓力，高于6bar時關(guān)閉。
充氣拉桿開關(guān)（序號5），由兩部分組成，充氣氣缸和一個氣控閥。氣缸安裝于駕駛室操縱面板上，通過駕駛員撥動氣缸前端拉桿，使氣缸充氣，所建立的壓力可以打開與其相連的氣控閥，使氣罐與匯管前端的調(diào)壓器接通。
快放閥（序號9），無氣流通過時氣動馬達(dá)一側(cè)處于排空狀態(tài)。
節(jié)流閥（序號10），調(diào)節(jié)閥口流量，改變匯管的充氣時間。
停機(jī)開關(guān)（序號11），急停按鈕，按下后釋放匯管壓力，需要手動旋啟。
氣動蝶閥（序號12），先導(dǎo)常閉式，許用壓力1.6MPa，執(zhí)行器檢測匯管壓力，開啟壓力設(shè)置在3bar。
過濾器（序號13），由于使用環(huán)境惡劣，避免灰塵和水蒸氣對氣路原件造成損壞。
氣罐與匯管壓力表安裝于駕駛室面板上，方便駕駛員讀取。
2 操作流程為
（1）駕駛員拉起充氣開關(guān)（序號5），氣罐中的壓縮空氣流經(jīng)調(diào)壓器（序號6）后壓力降至3bar充入系統(tǒng)壓力匯管。至壓力穩(wěn)定在3bar后，常閉式氣動角座閥（序號2）和氣動蝶閥（序號12）開啟，儲氣罐與起動開關(guān)接通；（2）按下起動開關(guān)（序號3），壓縮空氣通過開關(guān)后分流出2路：一路經(jīng)過單向閥（序號7）以8bar壓力充入系統(tǒng)壓力匯管；另一路流經(jīng)常開式氣控閥（序號8）后進(jìn)入快放閥（序號9）和過濾器后進(jìn)入氣動馬達(dá)，馬達(dá)帶動發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成起動；（3）按下起動開關(guān)的同時，由儲氣罐進(jìn)入?yún)R管的氣流將使匯管壓力上升。當(dāng)壓力上升至6bar時，自匯管取壓的8號氣控閥將關(guān)閉，切斷馬達(dá)進(jìn)氣氣路。當(dāng)壓力升至6.5bar時，4號氣控閥打開，空壓機(jī)與角座閥執(zhí)行器接通，此時在空壓機(jī)提供的8bar壓力大于匯管一側(cè)6.5bar壓力，并有彈簧復(fù)位，角座閥閥芯關(guān)閉，切斷儲氣罐與馬達(dá)、匯管的氣路。節(jié)流閥（序號10）可調(diào)節(jié)此過程時間；（4）馬達(dá)進(jìn)氣源被8號氣控閥切斷后，由于彈簧復(fù)位作用馬達(dá)推桿氣室氣體迅速由快放閥排出，使推桿迅速收回，完成起動過程。如非再次啟動，與快放閥連接的馬達(dá)氣室處于排空狀態(tài)，馬達(dá)活塞桿也始終在收回狀態(tài)；（5）停機(jī)時，按下停機(jī)開關(guān)（序號11），釋放匯管中的氣體，系統(tǒng)壓力迅速降低，發(fā)動機(jī)停機(jī)；充氣拉桿（序號5）氣缸因?yàn)樾箟簬用姘迳系睦瓧U回彈，與其相連的氣控閥關(guān)閉，切斷儲氣罐與匯管的連接；重新開機(jī)時，駕駛員需旋啟停機(jī)開關(guān)并再次拉動充氣拉桿給匯管充氣。
3 發(fā)動機(jī)的安全保護(hù)功能
當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間后，可能出現(xiàn)：發(fā)動機(jī)過熱、排氣溫度過高、水洗箱水位過低或水溫過高等現(xiàn)象。此時，連通系統(tǒng)壓力匯管的控制閥將開啟，使系統(tǒng)壓力迅速下降，充氣拉桿開關(guān)將關(guān)閉，切斷6號調(diào)壓器的進(jìn)氣；當(dāng)降至3bar以下時，常閉式角座閥和氣動蝶閥關(guān)閉，阻斷發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道，發(fā)動機(jī)自然停機(jī)。在起動條件未恢復(fù)之前，控制閥組一直泄氣，角座閥也始終關(guān)閉，此時起動開關(guān)接通與否均不起作用。當(dāng)條件恢復(fù)時，控制閥組自動關(guān)閉，系統(tǒng)壓力才能重新建立。
4 該方案優(yōu)點(diǎn)
（1）氣控閥和角座閥都有自動切斷作用，駕駛員按動起動按鈕后，無需考慮起動時間，不需要松開該按鈕馬達(dá)即可自動收回，可通過節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)該過程時間，方便操作。另外，如駕駛員在發(fā)動機(jī)工作時出現(xiàn)誤操作，再次按下起動按鈕，此時匯管中壓力仍為6.5bar，8號氣控閥關(guān)閉，受4號氣控閥控制的角座閥同樣處于關(guān)閉狀態(tài)，馬達(dá)氣路始終處于切斷狀態(tài)，不會出現(xiàn)故障；（2）角座閥在空壓機(jī)工作后關(guān)閉，它與氣控閥均可切斷氣路，形成雙重保護(hù)，在其中任意原件損壞時，均不影響系統(tǒng)的安全；（3）快放閥無需任何控制，在進(jìn)氣源切斷后立即動作，排出馬達(dá)腔內(nèi)剩余氣體，使推桿迅速收回；（4）發(fā)動機(jī)出現(xiàn)異常情況停機(jī)之后，在故障未排除前，無法強(qiáng)行起動發(fā)動機(jī)，從而避免人為因素造成的發(fā)動機(jī)損壞。
5 結(jié)論
采用以上安全控制系統(tǒng)的防爆鏟運(yùn)機(jī)已經(jīng)通過井下測試。期間，序號1和6減壓閥的閥芯因煤礦粉塵過大堵塞過一次；考慮到煤礦井下空氣質(zhì)量很差，我們在發(fā)動機(jī)空壓機(jī)進(jìn)氣管路上增加過濾能力較強(qiáng)的濾芯并定期檢查更換，至此該系統(tǒng)能夠滿足防爆柴油機(jī)安全控制的所有要求。
作者簡介：王波（1986-），男，山西運(yùn)城人，學(xué)士，助理工程師，研究方向：機(jī)械類，工程機(jī)械（礦山機(jī)械）。