礦用重型風鎬推進機構控制系統研究

原紅飛

(潞安環能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

全氣動重型風鎬破煤機是相比于現有小風鎬，具有更大破煤沖擊能量、更大功率的裝置。不同于小風鎬需工人手持靠體力搬運推進，重型風鎬本身具有較大質量，因此加裝氣腿實現機動推進，不僅可以提供比人力更大的推進力提高破煤效率，還解放了人力，降低了工人勞動強度。因此氣腿推力的控制不僅影響破煤效率，還是重型風鎬實現機動作業的關鍵。

重型風鎬的氣腿機動推進靈感來源于氣腿式鑿巖機，但又與其不同。我國已定型的氣腿式鑿巖機全都采用了節流型復合式調壓閥(如YT26型，YT24型，7655型等)，但該方式在礦山的使用中普遍感到氣腿調壓不穩(不大就小)以及有效調節區間較窄，不易得到最佳軸推力。而全氣動重型風鎬的氣腿推進采用的是降壓型調壓方案，相比于節流型調壓，降壓型調壓可以實現壓力的精確控制，而且大大減少了耗氣量[1]。該推進機構的控制系統基本實現了操作集中于柄體這樣一有利于單人單機作業的條件，具有氣路短、結構簡單的特點，可靠地實現了無級調壓。

1 推進機構的工作原理

推進機構主要包括氣腿及其控制系統，主要功能是實現氣腿伸出推力的線性可控，以及氣腿的回收。氣腿的控制氣路由換向閥、調壓閥和單向閥組成。其氣路結構及工作原理如圖1所示，氣源壓縮空氣連接換向閥進氣口P，換向閥有兩個出氣口A和B，A通過氣管連接調壓閥進氣口，再由調壓閥出氣口連接氣腿上腔，同時調壓閥進、出氣口兩端并聯單向閥，B由氣管直接連接氣腿下腔。換向閥常態為P連通A口，B接通大氣。工作時，操作人員按壓調壓閥手柄，使得氣腿上腔壓力升高，氣腿伸出，通過調節手柄松緊可調節氣腿力的大?。黄泼和瓿珊?，松開手柄，氣腿內壓力會由調壓閥緩慢釋放，如需收回氣腿，只需按下換向閥按鈕，使得P連通B口，A連通大氣，氣腿即可收回。

圖1 推進機構氣路原理

2 降壓型調壓閥的設計

降壓型調壓閥通過調節將進口壓力減至需要的出口壓力，并依靠介質本身的能量，使出口壓力自動保持穩定。在本方案中主要用于調節氣腿上腔壓力，使得氣腿推力穩定可控[2]。本方案的特點是設計出特定的機械結構可以人工實時調節彈簧力的大小，實現輸出端壓力快速便捷調節。

杠桿直動式調壓閥結構如圖2所示。把調壓閥安裝進殼體內，鎖緊螺絲將閥定位固定，按壓手柄可以直接壓縮調壓彈簧，彈簧壓縮從而將力傳遞給膜片，將膜片下壓，膜片帶動調壓柱、閥芯下移將閥口打開，于是P2口壓力上升。當P2口壓力上升到調定壓力時，壓力經反饋導管傳遞到膜片下腔，將膜片上頂，調壓柱、閥芯在復位彈簧作用下上移，閥口關閉，出口處壓力維持穩定，實現調壓作用。通過手柄的不同按壓程度可實現不同壓力的調節，而且直接放開手柄可以迅速泄壓，提高了機具的安全可靠性能。

圖2 調壓閥結構

3 仿真模型

在AMESim軟件中使用氣動元件設計庫(PCD)對元件進行建模[3]。根據對調壓閥的原理分析，應用AMESim PCD庫構造圖3所示的仿真模型。在仿真過程中，調壓閥通過活塞連接組裝并通過彈簧、傳感器完成信號的轉換。通過給定信號來調節輸出端壓力的大小，以達到所需的壓力。

圖3 調壓閥仿真模型

在圖3中，左端帶彈簧氣動活塞相當于調壓閥復位彈簧腔，氣動活塞(左PNA0011)相當于調壓閥閥芯，活塞桿相當于調壓柱，氣動活塞(右PNA0042)相當于調壓閥膜片，彈簧相當于調壓彈簧，右側杠桿相當于手柄結構，以實現按壓省力和操作快速便捷的效果。

建立的推進機構仿真模型如圖4所示。參照各部件的相關數據，設置系統參數，見表1。

圖4 推進機構仿真模型

部位名稱子模型參數設置壓力源PNCS001壓力設為0.6MPa帶彈簧氣動活塞PNPA003活塞直徑5mm活塞桿直徑4mm彈簧剛度5N/mm氣動活塞PNA0011活塞直徑5mm活塞桿直徑3mm氣動活塞PNA0042活塞直徑20mm活塞桿直徑3mm氣孔直徑1.5mm活塞初始位置0.5mm限位質量塊MAS005質量0.1kg粘性摩擦系數100N/(m·s)最高位置界限0mm最低位置界限-4mm彈簧SPR000彈簧剛度30N/mm線性機械杠桿LML031端口1到支點距離0.18m端口2到支點距離0.025m換向閥PNSV241氣孔通徑50mm2氣腿PNJ0001質量16kg活塞直徑65mm活塞桿直徑33mm行程長度1000mm

4 仿真分析

將表1所示的參數輸入調壓閥仿真模型，進行仿真，由仿真結果分析所構建調壓閥模型的壓力特性。手柄位移與調壓閥閥芯位移變化曲線如圖5所示，系統負載壓力變化曲線如圖6所示。負載壓力隨閥芯位移的變化曲線如圖7所示。

圖5 手柄位移與閥芯位移變化曲線

1) 手柄位移與閥芯位移關系。由圖5可以看出，閥芯位移變化趨勢基本跟隨手柄位移變化，這一特性保證了閥控制響應的快速靈敏。閥芯位移曲線在5 s、10 s、15 s三個時間節點處發生突變，這說明閥芯在啟動和停止時會有振動，這是由于閥芯動作時腔內壓力發生變化引起的。由手柄位移與閥芯位移變化關系曲線可以看出，調壓閥在負載增壓和降壓過程中手柄位移與閥芯位移關系曲線不重合，這是因為降壓時負載端口存在殘余壓力造成的。

2) 負載壓力與閥芯位移關系。由圖6可以看出，負載壓力曲線與手柄位移曲線具有高度重合性，這表明調壓閥具有良好的壓力控制特性，滿足調節氣腿推力的要求，快速響應可以保證緊急情況下的安全要求。由圖7可以看出，在增壓和降壓的兩個過程中，相同閥芯位移對應兩個不同的負載壓力，這是由于降壓時負載端殘余壓力釋放緩慢，使得壓力較增壓時高。這表明快速降壓時負載端壓力釋放會有延時，這與實際情況相符合。

圖6 調壓閥負載壓力變化曲線

圖7 負載壓力隨閥芯位移變化曲線

3)單向閥對氣路的影響。將表1所示的參數輸入推進機構仿真模型，進行仿真，仿真模擬了氣路完整的工作過程，檢測了各閥在回路中的作用。5 s時按壓手柄，到10 s時壓力調到最大，保持5 s后放開手柄，到20 s時換向回收氣腿。仿真結果如圖8～圖10所示。

圖8 氣腿位移變化

由圖8可以看出，氣腿在閥的控制下可以實現穩定連續的伸出和回收。有單向閥相比無單向閥可以使回收時間縮短7 s，效果顯著。

圖9 有單向閥時氣腿壓力變化

圖10 無單向閥時氣腿壓力變化

由圖9和圖10對比可知，單向閥僅在氣腿回收時起作用，主要作用是使氣腿上腔更快泄壓，降低背壓，使得氣腿回收更為快速順暢。

5 結 語

通過對推進機構控制系統氣路的建模與仿真，驗證了該設計方案的合理性。根據該氣路原理制作了試驗樣機，并對樣機進行了測試，得到以下結論：

1) 樣機的控制機構操作方便，結構簡單可靠，實現了操作集中于柄體這樣一有利于單人單機作業的條件。

2) 調壓閥的使用方便快捷，在使用過程中雙手把持風鎬的情況下，僅手指即可完成調壓工作，且壓力調節穩定可靠，可實現壓力無級調換。與壓力仿真結果相吻合。

3) 整個推進機構的動作特性與仿真結果一致，證明了該控制原理的正確性和合理性。表明仿真模型是實際模型的正確反映，為該系統的設計和改進提供了依據。