摘 要：煤矿用防爆柴油机的工作环境决定了其必须具有防爆的特性，必须满足《煤矿用防爆柴油机技术检验规范》的要求。目前防爆柴油机绝大数采用气动马达起动。该类产品最为核心和易损的部件是气动马达，由于驾驶员操作不当、气路元件失灵均会造成马达损毁。当发动机工作达到极限状态，如出现发动机过热、排气温度过高、水洗箱水位过低或水温过高等情况后，若无保护系统继续起动使用必将造成发动机损坏。本文介绍一种采用气动马达起动的防暴柴油机的安全控制系统。
关键词：防暴柴油机；活塞式气动马达；安全控制气路
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.042
防爆类柴油机的起动方式通常为压缩空气驱动气动马达。通常选用活塞式气动马达，使用压缩空气输入马达缸体推动马达活塞杆，使活塞杆前端的小齿轮啮合发动机飞轮旋转，发动机点火；起动后切断压缩空气供气，复位弹簧推动活塞杆退回，前端小齿轮与发动机飞轮脱开，同时停止旋转，起动完成。该种方式的优点是起动气压很低，通常为8bar，使用发动机自带的压缩机供气即可，成本较低，所以目前国内外防爆类柴油机多数采用这种方式；其缺点是气动马达比较脆弱，起动完成后，如马达输出轴小齿轮与发动机飞轮不能及时脱开，那么马达活塞杆将随发动机飞轮高速旋转，同时随发动机飞轮一起震动，活塞杆轴承磨损破坏，导致活塞杆与马达缸体同轴度破坏，弹簧无法回弹，活塞杆不能退回，马达将直接报废。国内一些产品的气路系统设计中存在两个问题：
（1）马达完成起动后输出轴活塞杆不能自动缩回，收缩时间需要驾驶员人为判断，这样极有可能因为驾驶员的失误导致马达损坏；
（2）启动按钮不设置保护措施，当完成起动后活塞杆收回，发动机飞轮已高速旋转，此时如出现误操作，再次按动启动按钮，马达活塞杆推动输出轴齿轮与飞轮撞击打齿，会直接损坏马达和发动机。所以控制系统设计的好坏将直接决定马达寿命。另外，当发动机工作达到极限状态，如无保护系统，继续使用发动机终将造成其损坏。
所以结合以上问题，防爆柴油机采用气动马达起动的气路系统应具备三种能力：
（1）气动马达完成起动后输入轴活塞杆能够立刻自动复位收回，避免人为操作；
（2）启动完成后，应设置保护装置或保护系统，使启动按钮在发动机正常工作时处于失效状态；
（3）发动机工作中出现极限状态如发动机过热、水洗箱水位过低、排气温度过高等，系统应自动禁止强行起动保护发动机。以下介绍一种煤矿用铲运机的防爆柴油机安全控制系统，原理图如图1。
1 各部件情况如下
气动马达，活塞式气动马达，柴油机自带。
空气压缩机，发动机自带的活塞式压缩机，进气口接发动机空滤。
储气罐，容量80L，放散压力设定为8bar。在空压机停止工作的情况下，能够储存足够体积和压力的气体，为发动机再次启动提供气源。
压力汇管，作用是建立和稳定系统压力，是系统所有控制阀的载体。容量为4-5L。
控制阀组，由四个先导式气控阀组成，先导压力分别检测发动机壳体表面温度、排气口温度、发动机冷却水水温、水洗箱水位，通常情况下瓦斯浓度检测也应并入该处阀组。
气动角座阀（序号2），双向控制常闭式，许用压力1.6MPa，开启压力设置在3bar。执行器为双向弹簧复位式，分别检测汇管压力和空压机输出压力，当空压机一侧压力等于或大于汇管一侧压力时，执行器控制阀芯关闭。
调压器（序号1、6）。本方案共使用两套自力式调压器。1号调压器起稳定储气罐压力作用，设定压力为8bar；6号调压器，压力设定在3bar，作用是赋予系统汇管3bar的初始压力，开启角座阀。
气控阀（序号4、8），4号为常闭式，先导气压为汇管压力，气压大于6bar时开启；8号为常开式，先导气压同样为汇管压力，高于6bar时关闭。
充气拉杆开关（序号5），由两部分组成，充气气缸和一个气控阀。气缸安装于驾驶室操纵面板上，通过驾驶员拨动气缸前端拉杆，使气缸充气，所建立的压力可以打开与其相连的气控阀，使气罐与汇管前端的调压器接通。
快放阀（序号9），无气流通过时气动马达一侧处于排空状态。
节流阀（序号10），调节阀口流量，改变汇管的充气时间。
停机开关（序号11），急停按钮，按下后释放汇管压力，需要手动旋启。
气动蝶阀（序号12），先导常闭式，许用压力1.6MPa，执行器检测汇管压力，开启压力设置在3bar。
过滤器（序号13），由于使用环境恶劣，避免灰尘和水蒸气对气路原件造成损坏。
气罐与汇管压力表安装于驾驶室面板上，方便驾驶员读取。
2 操作流程为
（1）驾驶员拉起充气开关（序号5），气罐中的压缩空气流经调压器（序号6）后压力降至3bar充入系统压力汇管。至压力稳定在3bar后，常闭式气动角座阀（序号2）和气动蝶阀（序号12）开启，储气罐与起动开关接通；（2）按下起动开关（序号3），压缩空气通过开关后分流出2路：一路经过单向阀（序号7）以8bar压力充入系统压力汇管；另一路流经常开式气控阀（序号8）后进入快放阀（序号9）和过滤器后进入气动马达，马达带动发动机运转，完成起动；（3）按下起动开关的同时，由储气罐进入汇管的气流将使汇管压力上升。当压力上升至6bar时，自汇管取压的8号气控阀将关闭，切断马达进气气路。当压力升至6.5bar时，4号气控阀打开，空压机与角座阀执行器接通，此时在空压机提供的8bar压力大于汇管一侧6.5bar压力，并有弹簧复位，角座阀阀芯关闭，切断储气罐与马达、汇管的气路。节流阀（序号10）可调节此过程时间；（4）马达进气源被8号气控阀切断后，由于弹簧复位作用马达推杆气室气体迅速由快放阀排出，使推杆迅速收回，完成起动过程。如非再次启动，与快放阀连接的马达气室处于排空状态，马达活塞杆也始终在收回状态；（5）停机时，按下停机开关（序号11），释放汇管中的气体，系统压力迅速降低，发动机停机；充气拉杆（序号5）气缸因为泄压带动面板上的拉杆回弹，与其相连的气控阀关闭，切断储气罐与汇管的连接；重新开机时，驾驶员需旋启停机开关并再次拉动充气拉杆给汇管充气。
3 发动机的安全保护功能
当发动机运转一段时间后，可能出现：发动机过热、排气温度过高、水洗箱水位过低或水温过高等现象。此时，连通系统压力汇管的控制阀将开启，使系统压力迅速下降，充气拉杆开关将关闭，切断6号调压器的进气；当降至3bar以下时，常闭式角座阀和气动蝶阀关闭，阻断发动机进气道，发动机自然停机。在起动条件未恢复之前，控制阀组一直泄气，角座阀也始终关闭，此时起动开关接通与否均不起作用。当条件恢复时，控制阀组自动关闭，系统压力才能重新建立。
4 该方案优点
（1）气控阀和角座阀都有自动切断作用，驾驶员按动起动按钮后，无需考虑起动时间，不需要松开该按钮马达即可自动收回，可通过节流阀进行调节该过程时间，方便操作。另外，如驾驶员在发动机工作时出现误操作，再次按下起动按钮，此时汇管中压力仍为6.5bar，8号气控阀关闭，受4号气控阀控制的角座阀同样处于关闭状态，马达气路始终处于切断状态，不会出现故障；（2）角座阀在空压机工作后关闭，它与气控阀均可切断气路，形成双重保护，在其中任意原件损坏时，均不影响系统的安全；（3）快放阀无需任何控制，在进气源切断后立即动作，排出马达腔内剩余气体，使推杆迅速收回；（4）发动机出现异常情况停机之后，在故障未排除前，无法强行起动发动机，从而避免人为因素造成的发动机损坏。
5 结论
采用以上安全控制系统的防爆铲运机已经通过井下测试。期间，序号1和6减压阀的阀芯因煤矿粉尘过大堵塞过一次；考虑到煤矿井下空气质量很差，我们在发动机空压机进气管路上增加过滤能力较强的滤芯并定期检查更换，至此该系统能够满足防爆柴油机安全控制的所有要求。
作者简介：王波（1986-），男，山西运城人，学士，助理工程师，研究方向：机械类，工程机械（矿山机械）。