新型煤礦純機械式錨桿預緊控制裝置分析

(大同煤礦集團朔州煤電山西宏宇誠鑄建設工程有限公司，山西 懷仁037041)

0 引言

錨桿支護技術是煤礦支護改革的主要方向之一，當前已經得到了廣泛的應用。錨桿支護的一個重要參數是預緊扭矩，預緊扭矩的大小直接影響到錨桿支護的工程質量，其預緊扭矩必須滿足《錨桿支護規范》要求，不得超出相應范圍[1]。當錨桿的扭矩過大時，容易使錨桿體受損，影響壽命和支護質量，甚至使得錨桿體斷裂。當錨桿的扭矩過小，不足以滿足預緊效果時，直接影響支護質量。通常在氣動錨桿鉆機的輸出軸連接放大倍數的扭矩倍增器，用于放大氣動錨桿鉆機的扭矩。理論上氣動錨桿鉆機的扭矩與氣動壓力呈線性關系，通過控制風壓可以控制扭矩。但是在實際運用中，通過氣壓控制扭矩不能很好地實現。因煤礦井下環境惡劣，扭矩倍增器的齒輪容易進入煤粉，使得齒輪磨損導致傳動效率降低，同時也導致傳動的效率不一致，所以錨桿扭矩未能得到有效控制[2]。

目前常用的扭矩測量裝置是扭矩限矩器。扭矩限矩器有氣動型、摩擦型、滾輪型，但是這些扭矩限矩器存在使用環境要求高、使用壽命短的缺點，在井下施工不理想。扭矩測量方法主要分為應變片式、非接觸式兩大類。應變片式主要是通過測量旋轉軸的應力、應變值獲取相應的扭矩。非接觸式主要是利用聲、光、磁等原理將信號輸出，但需要電源，而且結構復雜不易安裝，因此非接觸式也不適用于井下施工?；诋斍艾F有扭矩控制裝置存在的一系列問題[3-6]，筆者提出一種新型純機械式錨桿預緊扭矩閉環控制裝置。該裝置具有結構簡單、精度高、成本低的優點。

1 結構組成

新型純機械式錨桿預緊扭矩閉環控制裝置是由錨桿鉆機、扭矩倍增器、二位三通滑閥以及波紋管等構成，見圖1。

錨桿鉆機在預緊錨桿過程中輸出扭矩。扭矩倍增器是將輸出的扭矩值進行放大，其一端連接錨桿鉆機輸出端，另一端連接錨桿螺母。波紋管固定在扭矩倍增器的把手上，用于檢測扭矩倍增器輸出的扭矩。當波紋管的壓力升高到設定值后，二位三通滑閥的活塞運動，使得錨桿預緊氣體回路斷開，當錨桿預緊工序結束后，滑閥兩端口連接氣體回路，另一端連接波紋管的壓力輸出端[7-9]。

2 工作原理

圖1 純機械式錨桿預緊扭矩閉環控制裝置

此錨桿預緊扭矩閉環裝置的基本原理是：波紋管固定于扭矩倍增器的軸心L 把手位置，鏈條勾在錨網上，二位三通滑閥連接在氣體回路?；y的閥口A、T 方向同氣體流動方向相同，閥口B連接波紋管加壓端。在錨桿預緊過程中，扭矩倍增器輸出扭矩，同時其把手會受到反向力矩，鏈條受到拉力，由于杠桿機構的作用使得波紋管受壓，隨著扭矩的增大，拉鏈的拉力增大，波紋管的壓力也隨之增大。當扭矩達到設定值時，壓力達到滑閥活塞開啟壓力，此時活塞迅速動作，致使閥口A 與T 斷開，即氣體回路斷開，錨桿鉆機結束工作，滑閥的活塞回到初始位置，這樣就完成了一次錨桿預緊的過程。

3 裝置各機構參數

3.1 滑閥結構參數

滑閥是純機械式錨桿預緊扭矩閉環控制裝置的主要部分之一。當扭矩未達到預緊值時，閥芯活塞不動作。當波紋管液體壓力達到預定的數值時，滑閥活塞運動，滑閥關閉，錨桿預緊回路斷開，與此同時，滑閥的閥芯活塞也回到初始位置，為了保證裝置的可靠性，滑閥的參數尤為重要。滑閥的主要參數有閥芯活塞的尺寸、閥口的尺寸、彈簧的剛度以及滑閥的摩擦因數等，見表1。

表1 滑閥結構參數

表2 波紋管結構參數

圖2 仿真模型

3.2 波紋管結構參數

波紋管的功能是通過液壓力作用在滑閥測量齒圈扭矩，因此波紋管的性能也關系到此裝置的可靠性和靈敏性。波紋管的參數包括波紋管的內徑、外徑、壁厚、單波高度等等。波紋管的參數見表2。

4 裝置的仿真分析

根據此純機械式錨桿預緊控制裝置的原理，建立AMESim模型[10]，如圖2所示。其中錨桿鉆機型號為MQT-130/3.2，扭矩倍增器裝置的型號為ZN-4。

此裝置的二級減速器由大小齒輪構成，壓縮氣體帶動錨桿鉆機產生扭矩，傳輸到小齒輪Ⅰ，再經大齒輪Ⅰ變速傳輸到小齒輪Ⅱ，最后通過大齒輪Ⅱ進行二級減速，輸出到扭矩倍增器，將扭矩放大4倍。通過AMESim模型的建立，對此裝置的控制回路進行仿真?；y和錨桿預緊扭矩響應曲線見圖3。

圖3 預緊扭矩響應曲線

圖4 傳動效率分析圖

由圖可知，錨桿預緊過程中螺母扭矩隨著負載的增大而增大，當螺母扭矩達到500 N·m時，響應時間小于2.5 s。

煤礦井下作業環境惡劣，齒輪之間容易進入粉塵，造成齒輪的磨損，使得傳動效率低下。因此，分析不同傳動效率下理論扭矩與實際扭矩的關系是必要的。經實驗測得，煤礦井下使用扭矩倍增器傳動效率為80%～95%。傳動效率為80%、85%、90%、95%時的實際扭矩如圖4所示。

由圖可知，當此裝置錨桿預緊控制扭矩為500 N·m，在不同傳動效率下，扭矩輸出值都大于500 N·m，最大誤差可達到6.2%。雖然該誤差對此裝置影響不大，但是依然需要定期對此裝置進行維護，使其達到理想狀態。

表3 井下實驗數據表

5 井下實驗分析

為了驗證該裝置的可靠性和靈敏度，在某煤礦井下實驗，并通過力矩扳手進行檢驗，測得的扭矩傳輸效率為90%，實驗如表3所示。由表可以看出，該裝置控制扭矩在480～510 N·m 內，相對于整體效果，影響微小。

綜上所述，純機械式錨桿預緊控制裝置能有效地控制錨桿扭矩，具有響應時間快、精度高、靈敏度強、可靠性好等特點。對于煤礦井下錨桿支護施工作業具有重要意義。

6 結束語

通過某煤礦井下實驗表明，該裝置可有效地控制扭矩在480～510 N·m 內，控制精度可達到90%以上，傳動效率控制誤差在6.2%左右。