錨桿機鉆桿防彎保護裝置的設計

唐振鵬

（神華神東煤炭集團有限責任公司石圪臺煤礦，陜西省榆林市，719315）

錨桿機是一種鉆孔并安裝緊固錨桿用以加固巖石的機械，在煤礦掘進生產時能較好的保障井下作業人員的人身安全及后續工作正常開展，然而在錨桿機鉆錨桿孔洞時，忽遇硬巖或推進過猛，將會出現鉆桿突然受力彎曲、旋擺，甚至出現掃傷操作人員的情況，嚴重地影響了煤礦的安全生產，所以亟需設計出一種能在錨桿機鉆桿出現較大彎曲弧度之前迅速切斷液壓泵電機電源，使鉆桿立即停止旋擺的保護裝置，從而保護操作人員免受傷害。

1 錨桿機鉆桿彎曲的原因及危害

ARO 自移式錨桿機 （以下簡稱錨桿機）鉆機的推力約為27.5kN，錨桿機在鉆錨桿孔洞時，當頂板巖石硬度超過70 MPa時，極易致使鉆桿發生彎曲變形。當鉆桿出現變形情況后，鉆機的進給阻力驟降，進而引起速度劇增，使得鉆桿彎曲弧度突變，鉆桿彎曲前后情形如圖1所示。

圖1 鉆桿彎曲變形前后對比示意圖

由圖1 可見，已知鉆機的轉速為600r／min，旁邊的操作人員一旦被如此高速旋擺的鉆桿擊中，后果將不堪設想，本文設計出一種保護裝置，能在鉆桿彎曲的第一時間終止鉆機工作。

2 解決方案

經現場實測，操作人員與鉆桿之間通常保持在300mm 左右的距離 （稱之為警戒距離）。當鉆桿發生彎曲變形后，雖然它的彎曲弧度逐漸增大，旋轉半徑也隨之增大，但只要不讓旋轉半徑達到警戒距離通常不會致使操作人員受到傷害。鉆桿在未彎曲時、輕度彎曲時和嚴重彎曲時彎曲弧度與旋轉圓周的對比示意圖見圖2。

圖2 鉆桿彎曲弧度與旋轉圓周的對比示意圖

由圖2的對比可知，只要利用某種保護裝置，將保護裝置的常閉觸點與錨桿機急停按鈕的常閉觸點進行串聯，當鉆桿發生輕度彎曲時，即旋轉半徑達到警戒距離時，保護裝置就會立即動作，使得與急停按鈕串聯的常閉觸點斷開，鉆機立即停止運行，實現保護操作人員人身安全的功能。

3 保護裝置所用傳感器的選擇

由于煤礦生產環境的特殊性，對保護裝置所需的器件選擇提出了嚴格的要求。接觸式行程開關的優點是價格低廉且結構簡單，但其存在響應速度低、精度差、接觸檢測極易造成損壞等缺點；而晶體管接近開關的作用距離太短，根本無法滿足要求；然而新型光電傳感器則彌補了它們的不足，而且其擁有體積小、功能多、壽命長、精度高、響應速度快、檢測距離遠、抗光、電、磁干擾能力強等優點，可以初步確定利用光電傳感器對鉆桿彎曲進行保護。

3.1 光電傳感器的原理及分類

光電傳感器主要由發射器、接收器和檢測電路這3部分組成，其原理是根據發射器發出的光束，被物體阻擋或部分反射，接收器根據接收到光的強弱做出判斷響應。光電傳感器的檢測模式分為如下幾類：對射式、反射板式、偏振反射板式、直反式、寬光束式、聚焦式、定區域式和可調區域式。其中，直反式、寬光束式，聚焦式、定區域式和可調區域式有時又歸類于 “光電接近檢測模式”，超聲波傳感器分為對射式和接近式兩種檢測模式。

3.2 各類光電傳感器的比較

光電傳感器的種類繁多，其工作性能、使用條件和適應場合也各有不同，究竟哪種類型的光電傳感器能在煤礦這種要求苛刻的環境下正常工作，還需要做進一步詳細的對比和分析。

3.2.1 對射式光電傳感器

對射式光電傳感器的發射器和接收器相互對射安裝，發射器的光直接對準接收器。當被測物擋住光束時，接收器將不能接收到足夠的光強，致使檢測電路會迅速做出響應，對外輸出變化量，即已檢測到物體，對射式檢測模式見圖3。

對射式光電傳感器的優點：（1）能夠辨別不透明的反光物體，有效距離大；（2）發射器和接收器在同一軸線上可以分開布置的距離長達50m；（3）不易受到干擾，能安全可靠的使用在野外或者有灰塵、煤塵的環境。缺點是裝置的消耗高，2個單元都必須敷設電纜，連接電源。

圖3 對射式檢測模式

3.2.2 反射板式光電傳感器

在反射板式的檢測模式中，一個傳感器本身既有發射器又有接收器，發射器發射出的光束照到反射板上后會再次返回到接收器上。當物體擋住光束時，接收器接收的光強會發生變化，輸出變化量以指示被測物被檢測到了，反射板式檢測模式見圖4。

圖4 反射板式檢測模式

反射板式光電傳感器的檢測距離為從傳感器到反射板的距離，其有效光束通常為圓臺形狀，從鏡頭邊沿可以到反射板邊沿。如果光亮的被測物體積很小、表面是圓形的或者以某種特殊的角度進入檢測區域，則有可能造成傳感器拒動作，因為仍有很大一部分光量躲過被測物的遮擋，順利的回到了接收器。即使反射板的反光率很高，但是對于反光率很強的被測物來說，光束被擋住了也可能將很強的光反射回接收器而使其誤認為被測物并未出現，致使傳感器拒動作。

反射板式光電傳感器的有效作用距離是由5部分決定的，分別是目標的反射能力；目標的表面性質和顏色；較小的裝配開支，由單個元件集合而成，控制要求不高的場合，通常是可以達到粗定位；采用背景抑制功能調節測量距離；對灰塵敏感和對目標的反射性能敏感。

3.2.3 接近檢測模式的光電傳感器

接近檢測模式的光電和超聲波傳感器是通過檢測從被測物反射回來的能量來判斷是否有被測物。當傳感器接收到被測物反射回來的足夠能量時，檢測電路就會迅速做出響應，輸出變化量以示被測物被檢測到了，接近檢測模式的3 種常見類型見圖5。

圖5 接近檢測模式的3種常見類型

這種檢測模式的光電傳感器的發射器和接收器是組裝在一起的，且在傳感器的同一側，與對射式檢測模式中那種因光被擋住而動作的機理不同，它必須接收到從被測物上返回的足夠光強才能動作。

接近檢測模式又分為直反式、寬光束式、聚焦式、定區域式和可調區域式，其中直反式傳感器是一種常用的檢測模式。在這種方式中，發射器發出的光以多種角度照到被測物表面上，被測物表面同樣以多種角度對入射光進行反射，其中只有很小的一部分被反射回接收器。直反式檢測模式對光能的利用率相對較低，也極易受到被測物表面反光率的影響。對于反光率高的被測物要比暗黑表面的被測物檢測效果要好些。多數直反式傳感器都加裝鏡頭來校準發射光，使其更加集中，以便獲得更多的反射光，但是如果被測物表面形狀不規則或被檢測的物體經常發生顫動、旋擺，則檢測起來就會很不可靠。

3.2.4 槽式光電傳感器

槽式光電傳感器通常是標準的 “U”型結構，其發射器和接收器分別位于 “U”型槽的兩邊，并形成一個光軸，當被檢測物體經過 “U”型槽阻斷光軸時，光電傳感器就檢測到開關量信號。槽式光電傳感器既可以比較安全可靠的檢測高速變化，又可以分辨透明與半透明的物體。

3.2.5 光纖式光電傳感器

光纖式光電傳感器是采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導光纖，以實現被檢測物體不在相近區域的檢測。事實上，光纖式并不是一種具體的檢測模式，使用不同的光纖可以組成不同的檢測模式。使用分離式光纖可以組成對射式的檢測模式，使用一體式光纖可以組成反射板式或接近式檢測模式，特殊的光纖可以定制。通常光纖傳感器分為對射式和漫反射式，其特征是檢測距離遠、造價相對高且功能強大。

在對光電傳感器進行選擇時，必須結合煤礦生產的特殊條件，對各類光電傳感器的優缺點做了對比分析見表1，便于選擇出最合適的光電傳感器。

表1 幾種常見類型光電傳感器的優缺點比較

從表1中的對比結果可以看出，對射式光電傳感器的優點遠遠超過其他幾類傳感器，縱然該裝置消耗高，發射器和接收器都需要敷設電纜，但這樣的結構正是其性能可靠的需要，更重要的原因是可以在有灰塵的環境中使用，所以最終確定以對射式光電傳感器作為這次 錨桿機鉆桿防彎保護裝置設計的核心器件。

4 保護裝置的電氣原理圖

對射式光電傳感器為主要器件的錨桿機鉆桿防彎保護裝置電氣原理圖見圖6。

圖6 保護裝置的電氣原理圖

由圖6可見，24V 直流電源取自錨桿機電控箱內小斷路器的出線端。當對射式光電傳感器在正常工作時，即發射器發出的光束正常被接收器接收時，KS觸點保持斷開狀態，對外不輸出24 V 電壓；反之，當錨桿機鉆桿發生彎曲變形后，鉆桿將會旋擺，當旋擺的鉆桿遮擋住發射器發出的光束時，接收器會在0.5～1ms的時間內做出響應，致使KS觸點從斷開狀態變成常閉狀態，對外輸出24V電壓使中間繼電器KA 吸合，其輔助觸點KA斷開，錨桿機緊急停車，鉆機停止運轉。

5 結語

設計出一種可靠、安全、靈敏的錨桿機鉆桿防彎保護裝置，可以對錨桿機操作人員的人身安全起到良好的保護作用，進而提升煤礦安全生產的整體水平，使神華神東煤炭集團有限責任公司的本質安全型煤礦建設進一步向前發展。

［1］ 趙玉剛，邱東.傳感器基礎 ［M］.北京：中國林業出版社，2006

［2］ 李英明，石建軍，馬念杰等.新型玻璃鋼錨桿及其在煤幫支護中的應用研究［J］.中國煤炭，2009 （7）