某掘錨機(jī)自動(dòng)鉆架控制系統(tǒng)的故障與改進(jìn)

喬彥華

（1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西太原 030006）

0 引言

隨著世界煤炭設(shè)備制造行業(yè)的飛速發(fā)展，各種先進(jìn)性采煤設(shè)備的實(shí)用性越來越好。比如礦井在巷道掘進(jìn)方面，先是人工開采到掘進(jìn)機(jī)開采，后面擴(kuò)展到連續(xù)采煤機(jī)以及掘錨機(jī)開采，這使的煤炭企業(yè)在巷道掘進(jìn)時(shí)可以根據(jù)自己的實(shí)際情況，選擇不同設(shè)備和開采工藝來有效完成任務(wù)。在巷道支護(hù)方面，從單體支護(hù)到兩臂支護(hù)再到四臂、六臂、八臂和十臂支護(hù)，大大提高了巷道掘進(jìn)的速度和安全性。在現(xiàn)代煤炭安全生產(chǎn)中，煤礦的快速掘進(jìn)能力就是其重要目標(biāo)之一。而掘錨機(jī)就是實(shí)現(xiàn)煤礦巷道高效、安全、優(yōu)質(zhì)和快速掘進(jìn)的重要設(shè)備之一。下面介紹某種掘錨機(jī)鉆架的操作功能，并分析其的特點(diǎn)和不足之處，同時(shí)也給出了改進(jìn)的方法措施，有效提高了該設(shè)備錨鉆機(jī)構(gòu)的使用性。

1 鉆架的自動(dòng)控制功能原理

該鉆架自動(dòng)掘錨機(jī)整機(jī)的液壓系統(tǒng)主要由負(fù)載反饋泵和負(fù)載反饋多路閥構(gòu)成，下面只對其錨鉆回路進(jìn)行說明。錨鉆回路的鉆箱和進(jìn)給油缸可以通過多路閥第一聯(lián)或第二聯(lián)的手柄單獨(dú)控制，第三聯(lián)用于進(jìn)給油缸的快速進(jìn)給控制。一般情況下，為了減小工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，鉆箱旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給手動(dòng)控制回路同時(shí)開啟，開啟后，自動(dòng)錨鉆保持回路開始運(yùn)行，鉆箱和進(jìn)給油缸連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，直到進(jìn)給油缸行程到位后，主閥芯復(fù)位，鉆箱旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給自動(dòng)結(jié)束。

自動(dòng)鉆孔的具體工作流程：同時(shí)操作多路閥的第一聯(lián)和第二聯(lián)手柄，鉆箱馬達(dá)開始旋轉(zhuǎn)，取自鉆箱馬達(dá)高壓側(cè)的液壓油將進(jìn)給回路的液控單向閥打開，取自進(jìn)給油缸回路的高壓油通過液控單向閥，依次經(jīng)順序閥和減壓閥到定位機(jī)構(gòu)中活塞大腔（鉆箱控制回路的控制液還經(jīng)過阻尼堵，阻尼堵起緩沖作用）。液壓油推動(dòng)活塞克服小腔彈簧力向外運(yùn)動(dòng)，活塞伸出后與主閥芯上的定位桿互鎖，主閥芯不能復(fù)位，一直處于換向位。鉆箱持續(xù)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給油缸持續(xù)伸出，當(dāng)鉆箱運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，碰撞閥接通，高壓油進(jìn)入定位機(jī)構(gòu)彈簧腔，推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，定位活塞被復(fù)位，主閥芯在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位，鉆箱旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給停止，自動(dòng)鉆孔工作完成。

2 自動(dòng)控制功能失效原因

頂錨定位機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。液壓控單向閥、順序閥、減壓閥、定位機(jī)構(gòu)故障均有可能導(dǎo)致操作鉆箱自動(dòng)旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給時(shí)主閥芯無法定位這一故障。使用過程中發(fā)現(xiàn)，引起此故障的主要原因有3 個(gè)：

圖1 頂錨定位機(jī)構(gòu)

（1）減壓閥壓力變小所導(dǎo)致。這是因?yàn)闇p壓閥在工作過程中受間歇性壓力沖擊，造成閥調(diào)節(jié)螺桿鎖母松動(dòng)，螺桿退出，調(diào)壓彈簧預(yù)壓縮力減小，閥的輸出壓力減小，減小的壓力不足以克服定位活塞小腔的彈簧力，定位活塞無法伸出。如果減壓閥輸出壓力調(diào)節(jié)過大將導(dǎo)致定位活塞無法復(fù)位，因此一般調(diào)節(jié)1～2 MPa 左右為宜。

（2）圖1 中定位機(jī)構(gòu)中的定位活塞或多路閥主閥芯上的定位槽由于機(jī)械性磨損導(dǎo)致互鎖功能失效，最終影響主閥芯定位。在實(shí)際自動(dòng)鉆孔的過程中，由于工況的需要，經(jīng)常會(huì)手動(dòng)強(qiáng)制復(fù)位主閥芯的情況，這時(shí)由于自動(dòng)控制回路一直在工作，主閥芯和定位活塞頭的摩擦力會(huì)很大，兩者在相對滑動(dòng)過程就會(huì)有較大的磨損，長期操作就會(huì)造成定位機(jī)構(gòu)的嚴(yán)重磨損，最后失效。

（3）阻尼堵孔徑偏小易堵塞造成不能順利定位或者不能定位。在不考慮活塞以及O 形圈側(cè)壁摩擦力的情況下，此工作系統(tǒng)可以看成小孔流節(jié)回路，這樣可以根據(jù)流量公式來分析此時(shí)上下活塞的運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況。

式中 Q——流量，m3/s

Cd——流量系數(shù)，常數(shù)

A0——通流面積，m2

ΔP——壓差，N/m2

ρ——密度，kg/m3

在活塞上腔進(jìn)入的控制液流速一定的情況下，下腔流出的體積也是一定的，即Q 一定，這時(shí)小孔的面積A0和ΔP 的平方根成反比。如果阻尼孔被雜質(zhì)堵塞了，也即A0減小，則ΔP 增大，即需要大活塞上的提供更高的壓力才能保證活塞的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。隨著A0減小，大活塞上需要提供的壓力超過減壓閥的設(shè)定壓力時(shí)，定位活塞頭將無法伸出而不能完成和多路閥主閥芯的機(jī)械互鎖功能，即定位功能失效。

3 改進(jìn)措施

針對以上問題，提出了相應(yīng)的解決和改進(jìn)方案。

（1）對于摩擦力偏小的情況，此時(shí)可以適當(dāng)增大減壓閥的輸出壓力來增大互鎖斜面的正壓力，以克服閥芯彈簧復(fù)位力。

（2）手動(dòng)機(jī)械強(qiáng)制復(fù)位的弊端不僅容易損壞定位機(jī)構(gòu)，而且在摩擦力大的情況下可能會(huì)造成復(fù)位不及時(shí)情況，這將有一定的安全隱患。對此可以增加手動(dòng)的液控回路來解決。在原系統(tǒng)上增加手動(dòng)閥和梭閥后，需要停止自動(dòng)程序時(shí)，只需要按下操作按鈕，高壓油進(jìn)入定位機(jī)構(gòu)彈簧腔，定位活塞被復(fù)位，主閥芯自動(dòng)復(fù)位，鉆箱旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給停止（圖2）。這樣能完成和碰撞閥一樣的功能，不僅使用方便快速的停止自動(dòng)錨護(hù)程序，而且還能有效解決手動(dòng)操作手柄強(qiáng)制復(fù)位導(dǎo)致的機(jī)械磨損問題。

（3）目前該設(shè)備定位機(jī)構(gòu)的阻尼堵的直徑約0.6 mm，可以將其設(shè)計(jì)成1 mm、1.2 mm 或1.5 mm 等，因?yàn)樵趯?shí)際的運(yùn)動(dòng)過程中，活塞上的O 形圈受高壓油的作用，其和活塞壁在相對運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的摩擦力是有一定的影響。經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)，直徑在1.2 mm 時(shí)，其定位效果和抗污染的性明顯改善。

4 結(jié)語

（1）改進(jìn)后的系統(tǒng)，鉆架自動(dòng)控制回路故障率顯著降低。

（2）經(jīng)過實(shí)際使用，改進(jìn)后系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性和壽命大大增加。