掘進機鏟板防碰撞液壓系統

左 奪 李忠豹

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027）

0 引言

懸臂式掘進機主要是由截割部工作機構、履帶行走機構、鏟板裝載機構、運輸轉載機構、液壓系統和電控系統等組成，其中截割部工作機構在油缸作用下可以上下擺動和左右擺動，進行復合運動，實現復雜巷道成形截割。鏟板裝載機構在油缸作用下實現繞鉸點的上下擺動，以應對復雜工況進行收料。

1 機械干涉的發生

實際工作中，為了擴大掘進機的截割工作范圍，可以使截割部工作機構的運動區間和鏟板裝載機構的擺動區間重疊，以增大設備的臥底量。這也導致了截割部工作機構和鏟板裝載機構在使用過程中，存在機械干涉風險，掘進機簡圖見圖1。

圖1 掘進機簡圖

在實際作業中，為改善掘進機的裝煤效果，鏟板需要盡量前伸，而掘進機在行走過程中鏟板往往需要抬起，因此，當切割機構切割底部的煤巖或挖柱窩時，司機沒有及時調整鏟板，將鏟板放在最低位置，切割機構與鏟板間就可能會發生干涉，造成機械事故。因此，在實際作業中機械碰撞時有發生，旋轉的截割頭劃傷鏟板，造成機械損傷，后果嚴重。鏟板截割部干涉簡圖見圖2。

圖2 鏟板截割部干涉簡圖

2 現階段避免干涉的方式

現階段防止發生干涉的方法主要有兩種，部分廠商通過調整整機結構和運動機構行程來防止碰撞，即采用無干涉設計，當切割機構處于下極限位置，而鏟板處于上極限位置時，也不會發生干涉情況。該方式一方面需要大幅改變主機機械結構，增加掘進機整機高度和截割部長度，進而增加截割部和鏟板部的間距。整機高度受礦井條件和掘進機穩定性等很多因素影響，截割部懸伸高度只能在有限的范圍內調整，如果保持裝載裝置結構尺寸不變，僅增加截割部長度，會導致鏟板端部與截割頭距離增加，將影響一次裝凈率，出現漏料、散落浮煤的情況。鏟板裝載裝置的總體高度尺寸因掘進機地隙要求和鏟板剛度的限制，想要大幅度縮減裝載裝置的尺寸極為困難，多數采用縮短鏟板裝載裝置長度的方式實現。該方式雖然會取得較好的干涉效果，但是鏟板尺寸的縮短，意味著鏟板裝載面收料坡度會相對增大，這將增大裝載過程中的插入阻力，進而導致主機裝載時的行走功耗增大，同時也降低了裝載效率。另一方面，這種設計勢必會大大增加機器高度，降低機器的穩定性和適用性，限定機械行程同時需要犧牲掘進機的截割范圍，往往降低了設備性能指標，削弱產品競爭力。另一種方式是防干涉設計，也是國內外目前為止掘進機防干涉設計應用較多的方案。

2.1 防干涉操作控制法

該方法是目前各機型掘進機普遍應用的防干涉方法。它的宗旨是嚴格地培訓操作手，使其在作業中按防干涉規程操作設備，設備本身是存在干涉的機型，通過操作手的技能來避免干涉的發生。礦井工況復雜，工作環境惡劣，能見度低，在該條件下憑借司機直接觀察操作設備實現防干涉，難度較大。

2.2 固定限位塊法

該方法本質上是一種接觸式防干涉設計，首先在掘進機本體龍門架左右兩側鏟板鉸接的銷軸后方，各焊裝一塊限位擋塊，然后在截割部運動部下方相應接觸位置焊接防撞擋塊。當截割部與鏟板在發生干涉前，兩個建委擋塊先發生干涉碰撞，防止截割頭與鏟板直接碰撞，達到防止干涉的目的。該方式將截割頭與鏟板的碰撞轉移到限位塊件間的碰撞，沒有從根本上解決問題。

2.3 傳統液壓控制法

該方法即采用外加液壓控制元件的方法。液壓防干涉系統僅在掘進機原液壓系統中增加兩個傳感油缸及一個卸荷補油閥。傳感油缸及卸荷閥儲油腔的油液不能泄漏，在井下的惡劣工作環境中幾乎是不可能的，為保證防干涉系統能正常工作，防干涉系統必須有自動補油功能，這便降低了液壓防干涉系統的工作可靠性。

3 鏟板防碰撞液壓系統概述

該文設計一種非接觸式防碰撞液壓系統，在液壓先導控制層面引入防碰撞預警策略，結合油缸運動控制與位移監測功能，實現截割部工作機構和鏟板裝載機構的碰撞預防，該方式無須改變機械結構，不影響整機性能，同時還可應用防碰撞液壓系統，對老舊機型進行升級改造，使其具備防碰撞功能。

3.1 液壓控制方案的實現

近年來，隨著礦山開采裝備智能化水平的提升，智能元件在惡劣工況下的可靠性和穩定性也有了大幅提升。位移傳感器油缸已經成為礦山設備的常用產品。位移傳感器液壓缸，結構形式如圖3，磁致伸縮位移傳感器通過非接觸式的測控技術精確地檢測活動磁環的絕對位置來測量被檢測產品的實際位移值，該傳感器可以實時反饋液壓缸實際運動位置。控制系統可根據油缸位移和油缸鉸點位置模型，計算出截割部和鏟板部軸線成角，進而判斷其是否進入危險區域。

圖3 位移傳感器油缸簡圖

該文闡述的液壓系統防碰撞方案中的主要元件就是配有位移傳感器的液壓油缸。首先在掘進機主機液壓系統中，加入電磁通斷閥，其功能是實現鏟板部油缸先導級控制油路的通斷和截割部油缸先導級控制油路的通斷，電磁閥通過接收電信號控制所在油路的通斷，兩組電磁通斷閥均處于常開狀態，即沒有電信號輸入時，先導控制油路正常導通，設備正常運行。當有電信號接入時，電磁通斷閥斷開油路，所在油路的執行機構停止動作。其次，將控制鏟板部升降的油缸替換成同規格的鑲嵌有位移傳感器的油缸，替換截割部升降油缸。至此，鏟板部和截割部油缸均配有位移傳感器，可以實時獲取液壓缸運動行程數據，反饋油缸活塞桿缸伸出位移量，將鏟板部和截割部位置信息反饋給電控系統，以此為依據分別列出油缸的變幅方程，計算獲得鏟板部與水平夾角和截割部與水平夾角。系統通過獲取的液壓缸位移數據，計算出鏟板部和截割部的實際距離和空間夾角，在距離達到碰撞預警范圍時，系統輸出電信號，控制液壓系統先導級電磁通斷閥向，自動鎖停鏟板部液壓油缸和截割部液壓缸，同時發出碰撞警報，提示操作人員修正動作。避免出現碰撞事故。

4 干涉臨近條件設定

懸臂式掘進機的截割機構與鏟板之間的相對運動關系，如圖4所示。為截割部下擺安全角度，為截割部下擺極限角度 ,為鏟板部上擺安全角度，為鏟板部上擺極限角度。截割部向下擺動，通過極限位置與水平夾角，鏟板部上擺極限，可計算運動疊加區間Δ=+-90°，設定安全區間，截割擺角小于時，或鏟板擺角小于時，系統安全。當截割部擺角先進圖示陰影區域時，鏟板部擺角不允許大于，當鏟板部擺角先進入陰影區域時，截割部擺角不允許大于，以此作為安全判定條件。運動簡圖見圖4。

圖4 鏟板部截割部運動簡圖

5 具體實施方案

如圖5所示，液壓系統先導控制回路中已經接入電磁通斷閥，控制器可實時獲取液壓缸位置信息，并計算出鏟板部和截割部的實際距離，當距離處于碰撞預警范圍時，控制器會發訊控制電磁通斷閥，同時切斷鏟板部和截割部先導級控制油路，鎖停鏟板部液壓油缸和截割部油缸，并發出碰撞警報。避免碰撞事故。下面分別以液控液壓系統和電控液壓系統進行舉例說明。

圖5 防碰撞液壓系統簡圖

首先，當掘進機液壓系統為液控系統時，主機動作由液壓手柄操作執行，液壓手柄處在先導控制級。該系統使用先導手柄操作設備時，先導控制油首先進入先導手柄，經過先導手柄的操縱動作，控制油可分別進入鏟板部油缸多路閥和截割部油缸多路閥，控制多路閥輸出，實現鏟板部和截割部的上下擺動。鑲嵌在鏟板部升降油缸內部的位移傳感器和截割部油缸的位移傳感器可實時反饋對應油缸的位移數據，將獲取的信息傳輸給控制器，控制器根據位移信息計算出鏟板部和截割部的實際距離，當實際距離處于碰撞預警范圍時，輸出信號，分別控制電磁通斷閥換向，切斷先導控制油路，使鏟板部多路閥和截割部多路閥控制端卸荷，多路閥回到中位，停止輸出。對應的油缸動作停止，防止鏟板部和截割部相互的靠近。避免設備碰撞，并同時發出碰撞聲光警報，提示操作者避免碰撞事故。

其次，當掘進機液壓系統為電控液壓系統時，主機使用遙控器操作設備，多路閥為電磁閥，受電信號控制。此時，防碰撞邏輯比較容易實現，同樣，鏟板部升降油缸內部的位移傳感器和截割部油缸的位移傳感器可實時反饋對應油缸的位移數據，將獲取的信息輸入給控制器，控制器根據位移信息，計算出鏟板部和截割部的實際距離達到碰撞預警范圍時，控制器輸出信號，該控制信號直接作用于電磁多路閥，可直接控制多路閥回到中位，停止輸出。控制截割部和鏟板部停止動作。

6 系統測試

防碰撞液壓系統按圖紙組裝后，在廠內進行極端工礦測試，條件一，保持鏟板部臥底不動，單獨操作截割部向鏟板部方向運動，當截割部和鏟板部夾角小于設定值時，防碰撞液壓系統介入，截割部油缸控制油路被主動切斷，截割部停止動作并鎖定在當前位置，聲光報警器警示音響起。反方向操作截割部手柄，截割部反向運動，脫離危險區間，警報解除。功能恢復正常。條件二，保持截割部處在低位，停止不動。單獨操作鏟板部，使其向截割部方向運動，當鏟板部靠近截割部時，防碰撞液壓系統介入，當檢測到截割部和鏟板部夾角小于設定值時，鏟板部油缸控制油路被主動切斷，鏟板部停止動作并鎖定在當前位置，聲光報警器警示音響起。反方向操作鏟板部手柄，鏟板部反向運動，脫離危險區間，警報解除。功能恢復正常。條件三，同時操作鏟板部和截割部，使其以最大速度相向動作，當截割部和鏟板部接近時，防碰撞液壓系統介入，檢測到兩者夾角小于設定值時，截割部油缸和鏟板部油缸控制油路被主動切斷，截割部油缸和鏟板部同時停止動作，并鎖定在當前位置，同時聲光報警器警示音響起。任意操作鏟板部或截割部手柄，使其反向運動，增大兩者夾角，脫離危險區域，警報解除，功能恢復正常。經過試驗驗證，該套防碰撞液壓系統能夠以非接觸的方式有效地避免碰撞的發生，并可在鎖定油缸后通過反向操作進行功能復位。

7 結語

該非接觸防碰撞方式優勢明顯，防碰撞液壓系統構件簡單，該系統在不改變主機設備機械部件結構和設備工作范圍的前提下，僅通過調整液壓系統，便可實現鏟板部截割部的防碰撞保護。該防碰撞液壓系統易于實現，可對行業內現有老舊設備進行簡單改造，這一措施能夠有效保護設備，避免機械碰撞損壞。該系統可有效實現防碰撞功能。防碰撞液壓系統已在某公司全系掘進機上應用，客戶現場使用效果良好。