袁传运
（中煤集团大屯公司实业公司龙东分公司 江苏徐州 221000）
【摘要】：采用全气动布局的转子式混凝土喷射机极大地简化在煤矿井下安装使用流程，消除了工人在使用过程中的触电危险，降低了设备使用能耗，每年节约电能19360kWh。通过对传动喷射机组的动力参数进行分析研究以及对电动机与气动马达的性能比对，新型动力系统以节流阀、减压阀、气动马达为主要部件，通过对供气压力，供气流量进行设计研究，实现了稳定的输出功率和输出转速，完全达到了使用电动机传动的功能特性。
【关键词】：动力系统、气动马达、节流阀、供气压力、节能、安全。
New power system of rotor type wet concrete sprayerResearch on the design of Digital Library
Chuanyun Yuan
（Longdong branch of Industrial Company of Datun company of China Coal Group Xuzhou City, Jiangsu Province）
【Abstract】The rotor type concrete spraying machine with full pneumatic layout greatly simplifies the installation and use process in the coal mine, eliminates the risk of electric shock in the process of use, reduces the energy consumption of the equipment, and saves 19360kwh of electric energy every year. Through the analysis and Research on the power parameters of the drive jet unit and the performance comparison between the motor and the pneumatic motor, the new power system takes the throttle valve, pressure reducing valve and pneumatic motor as the main components. Through the design and Research on the air supply pressure and flow, the stable output power and output speed are realized, and the functional characteristics of the motor drive are fully achieved.
【Key word】Power system, pneumatic motor, throttle valve, air supply pressure, energy saving and safety.
0、引言
锚喷支护是一项地下工程新技术，它具有工程造价低、工艺简单、施工速度快、劳动强度低等优点。目前，在国内外矿山井巷、铁（公）路隧道、水电、地铁等工程中获得广泛应用。
我国的混凝土喷射设备目前仍以潮式喷射机为主，另外，喷射机基本是单机作业。
转子式混凝土喷射机主要有两种型式——“直腔式”和“U型腔式”，“ 直腔式”为下出料，具有结构简单，出料通畅等优点，但其摩擦板和衬板两个主要易损件每台机上需安装2套，加大使用成本，而且换摩擦板花费时间长；“U型腔式”为上出料式，结合板和衬板每台机上安装1套，结合板更换也较容易。
混凝土湿喷机目前的主导机型是转子式混凝土喷射机，它具有出料均匀，结构紧凑，作业粉尘浓度低，回弹少，喷射混凝土强度高等优点，广泛的应用于矿山锚喷支护，隧道工程，煤矿，建筑工地等领域。其工作原理是：电动机通过联轴器，驱动减速器，减速器的输送轴带动转子旋转，又带动料斗上的拨料器旋转，混凝土拌合料进过料斗落入旋转的转子料腔内，转子转过180度后，压缩空气与料腔进风口相通，在压气的作用下，物料通过出料转头和输料管被送进喷嘴，并在喷嘴处加水喷射出去。这种湿喷机机型的设计取消了支撑架，轮轴直接固定在减速器上，减轻了重量，转子的料腔采用了新型的呈梯形，圆角，多料腔架构，使得进风连续，喷射脉冲小。各种材料(包含水)按照设计配比要求进行充分搅拌，拌合好的湿物料添加到湿式混凝土喷射机，再由喷射机把混凝土喷射到受喷面上。
转子式湿式混凝土喷射机在煤矿井下巷道混凝土喷射施工中的应用越来越广泛，其工作原理是在高压风的作用下，将沙石混合料送至混合器，水泥通过制浆机搅拌成水泥浆，再通过水泥浆泵将水泥浆送至混合器，沙石混合料和水泥浆在混合器混合后通过高压风将混凝土喷射至工作面，从而实现湿式喷射。如何针对煤矿井下工况对其进行优化设计，使其在使用过程中更高效、更安全、更便捷、更节能是我们煤矿科技工作者必须面对的课题。
本文作者通过对喷射机组的安装使用环境，现场可利用资源进行了充分的调查研究，在分析普通喷射机组动力系统的原理及结构之后，提出并研究设计了使用高压气体代替传统电气能源的新型动力系统，应用前景广泛。
1、动力综合设计方案
根据矿井工况特点，高压气体分布广泛，便于取用，况且，喷射机组本身就是使用高压气体工作的，使用全气动动力布局可以更便捷地取用动力源。
气动技术，全称气压传动与控制技术，是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递和信息传递的工程技术。气动技术是生产过程自动化和机械化的最有效手段之一，具有高速高效、清洁安全、低成本、易维护等优点。
普通喷射机组动力系统由转子体传动机构减速电机、搅拌螺旋机构减速电机、除尘器电机组成。新型动力系统是由气动马达、空气过滤器、减压阀、气体节流阀组成，使用减压阀稳定供气压力，从而达到稳定转速的目的，使用气体节流阀调节转速。控制原理图如下：
图1
1-空气过滤器，2-手动换向阀，3-气体减压阀
4-气体节流阀，5-气动马达
因为气动马达的转速随着负载的波动而发生变化，使用气体节流阀控制流量，从而达到控制转速的目的。使用减压阀控制进气压力，使得马达输出功率稳定。
2、新型动力系统的优点
（1）气动马达只需要节流阀就可以调整转速，且调节范围大；
（2）气动马达不是通过电控制，更适合有易燃易爆性气体的工作环境中工作。可以实现本质安全；
（3）气动马达可以使用二位五通阀随意控制正反转，并且可以在告诉运行情况下切换；（4）及时超负荷运转，气动马达长时间堵转也不会损坏；
（5）体积小，机构紧凑，使用方便；
（6）气动马达价格低，可以降低设备制造成本；
（7）煤矿井下气源布局广泛，安装使用便捷；
（8）众所周知，煤矿井下电气设备接线需满足防爆要求，使用气动马达可以简化安装使用流程，节约工作时间；
3、系统参数设计及选型
3.1 设计及选型依据
以PS6I-J型转子式湿式喷射机为例，其是在砂石料斗中添加按一定配比混合好的砂石混合料，由输送螺旋输送至搅拌段，添加一定量的水（>0.4）。再经螺旋充分搅拌后卸入喷浆机料斗。由拨料器拨动注入转子的直通料腔中，随转子旋流到出料口处，在这里从气室通入压缩空气，将物料吹入出料弯头，由旋流器引入另一股压缩空气，并呈多头螺旋状态把物料吹散、加速，并使其旋转、浮游，进入输料管，到达喷头再添加少量补充水分喷射出去。
基本参数：转子体驱动功率为5.5KW；转速要求960r/Min；输出最大扭矩：10N.M除尘箱驱动功率1.1KW；转速要求2850r/min；螺旋搅拌驱动功率为5.5KW；额定转速为1450r/min。
3.2 气动马达选型
气动马达也称为风动马达，是指将压缩空气的压力能转换为旋转的机械能的装置。一般作为更复杂装置或机器的旋转动力源。气动马达按结构分类为：叶片式气动马达，活塞式气动马达，紧凑叶片式气动马达，紧凑活塞式气动马达。叶片式气动马达与相似功率的活塞式马达相比，其体积更小，重量更轻，造价更低。简单的设计和结构使它们在大多数情况下能在任何安装角度位置运转。叶片式马达的转速、扭矩和功率范围更广，是最常用的气动马达形式。径向活塞气动马达运转速度比叶片式马达低。具有优良的起动和速度控制性能。特别擅长在低速和重负载情况下运行。标准运转位置为水平位置。可反转/单向旋转气动马达单向旋转气动马达的转速、扭矩和功率额定值都稍高于同一系列可反转气动马达当选用气动马达时，请记住技术规格列表仅展示了在特定压力—90psig（6bar）时的一组性能数字。气动马达的标定性能是该压力下的工作性能。通过调节压力、供气或排气，同一马达可实现许多不同的转速。扭矩和功率。当它们在低于40psig的压力下运转时，其性能可能会不稳定。一个应遵循的规则是以最低可达到空气压力的约70%为基准，来决定气动马达的大小。这样能有额外的功率用于气动和可能的超载。因此，本文选用叶片式气动马达，型号选择计算过程如下：
气动马达选型取决于四大因素：①功率P；②扭矩M；③转速n；④耗气量C【1】
功率计算公式P(瓦)= M(牛米) × n(转/分钟) × 0.105 ≥5000W
M、n、C关系曲线如下：
图2
由图可知，马达的输出功率和转速是随着进气压力变化而变化的，想要使得喷浆机在稳定的转速下工作，就必须保证供气压力的稳定。
3.3 稳压阀设定值的确定
供气压力影响图如下：
上图表示供气压力对功率、扭矩、速度、耗气量四项性能的影响，数值表示在对应的供气压力下，四项性能与额定参数的倍数关系。
不难看出，当空气压力为0.6Mpa时，马达能够按照额定功率运转，因此，稳压阀的设定值确定为0.6Mpa。
4、设备的节能分析
传统喷射机的总功率为12.1KW，按每天8小时工作制，每年工作200天计算，则每年的耗电量=12.1*8*200=19360kWh，使用全气动布局时，因煤矿井下采用集中供气系统，供气系统属于不间断工作状态，并不需要专门为喷射机组配置空气压缩机，这就相当于对气源的进一步有效利用，而去除了电能的直接消耗，意味着每年节约电能19360kWh。
5、系统安全性能分析
电机传动设备需要在井下连接1140V高压电来驱动电机，只要使用电气设备，就有触电危险，而新型动力系统进行气动连接，完全消除了工人触电危险，实现了本质安全。另外，气动装置结构简单、轻便、安装维护简单，压力等级低、故使用安全。全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。气动马达不产生火花、过热、爆炸、短路(电)等危险因素，尤其适用于带易燃易爆物质或高温的环境。
6、新型动力系统常见故障分析
（1）气动元件损坏。
（2）供气压力或流量不足，导致气动元件无法正常工作，可能时好时坏。
（3）还有压缩气体的洁净度不够，气动元件也会损坏或影响使用寿命。
（4）还有就是要注意每个气动元件的工作温度。温度太低的话，像有些阀也会不动作即失效。
7、结语
本文针对煤矿的动力布置特点，巧妙地利用了本就存在的压缩空气作为喷射机组的动力来源，并研究了如何使气动马达达到电动机同等的功率转速稳定性，在设备的安全性、便捷性、节能性方面取得了良好效果。
参考文献：
[1] 机械工程师手册编委会.机械工程师手册.-3版.-北京：机械工业出版社-2007.1；
[2] 成大先.机械设计手册.-5版.-北京：化学工业出版社-2007.11；
[3] 吴宗泽.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社.2008;
[4]孙志礼.机械设计[M].东北大学出版.2011