礦用液壓支架輔助破巖裝置的研究與設計

裴康超，宋 健，徐靈靈，翟勝宇

(河北工程大學機械與裝備工程學院，河北省邯鄲市，056038)

在煤炭開采過程中，由于地質原因，煤炭開采工作面會遇到不可探測的斷層或障礙巖石[1]，巷道頂部的障礙巖石分布無規律且硬度較高，如直接使用采煤機進行截割會對截齒造成嚴重的磨損，降低采煤機的工作效率。如果使用風鎬破除巷道頂部巖石，作業操作復雜會影響采煤作業效率。在巷道支護過程中，巷道頂部裸露在外的大塊矸石會影響液壓支架的支護高度，減少采煤工作面的高度[2]，若將大塊矸石挖出則會影響巷道上部的穩定性，因此建議通過切削的方式將突出巖石部分切削掉。 基于此，筆者研究設計了礦用液壓支架輔助破巖裝置，由于液壓支架的前探梁伸張性較好[3-4]，因此可借助液壓支架的前探梁來安裝輔助破巖裝置。該裝置安裝在液壓支架前探梁內側，當液壓支架向前移動時，如出現突出巖石阻礙液壓支架前進，可以利用本裝置將突出巖石破除。

1 礦用液壓支架輔助破巖裝置結構組成

礦用液壓支架輔助破巖裝置由縱向移動組件、橫向移動組件、切割頭組件3部分組成，如圖1所示。

1-橫向直線滑軌；2-縱向直線滑軌；3-縱向滑塊；4-連接板；5-傳動軸；6-縱向傳動電機；7-橫向傳動電機；8-橫向滑塊

(1)縱向移動組件。縱向移動組件由縱向直線滑軌、縱向滑塊、連接板、傳動軸以及縱向傳動電機構成，其功能是帶動切割頭組件沿前后移動，調節切割頭組件中高壓水射流沖擊巖石的噴距。縱向移動組件的行程為800 mm(可根據前探梁的長度調整)。縱向移動組件使用螺栓通過連接板與液壓支架前探梁底部連接，縱向傳動電機通過傳動軸使縱向滑塊同步移動。

(2)橫向移動組件。橫向移動組件由橫向直線滑軌、橫向滑塊、橫向傳動電機組成，其功能是帶動切割頭組件使水射流噴嘴對障礙巖石進行橫向切割破碎。橫向移動組件的行程為1 200 mm(可根據前探梁的寬度調整)。切割頭組件使用螺栓安裝橫向滑塊上，橫向傳動電機帶動橫向滑塊在橫向直線滑軌上移動。

(3)切割頭組件。切割頭組件由水刀噴頭、水刀夾緊塊、高壓管、液壓機械臂桿、液壓桿、液壓管組成。切割頭組件結構示意如圖2所示。

1-水刀噴頭；2-水刀夾緊塊；3-高壓管；4-液壓機械臂桿；5-液壓桿；6-液壓管

切割頭組件是輔助破巖裝置中的核心部分，其原理是利用高壓連續水射流或磨料水射流切割突出的障礙巖石。切割頭組件的工作角度為-45°～45°。切割頭組件可根據巖石種類物理性質的不同，可選擇使用30～50 MPa的高壓純水射流或者磨料水射流對巖石進行切割破碎。

2 礦用液壓支架輔助破巖裝置驅動方式

(1)縱向移動組件與橫向移動組件驅動方式。礦用液壓支架輔助破巖裝置的縱向移動組件與橫向移動組件傳動方式采用伺服電機傳動。伺服電機又稱執行電機，通過伺服控制系統命令機械零件工作，是一種間接輔助馬達穩定變速裝置。伺服電機是自動控制系統中的執行元件，將控制系統發出的電信號轉變成電動機軸上的角位移或角速度輸出[5]，其主要分為驅動機構、減速裝置、直線傳動機構3大部分。伺服電機的減速裝置一般情況下由齒輪減速、蝸輪蝸桿、行星齒輪、諧波減速等構成。伺服電機的直線傳動機構主要有梯形絲桿、滾珠絲桿、滾柱絲桿、滑動導軌等，本裝置采用滑動導軌傳動，具有以下優點：在精度方面，實現了位置、速度和力矩的閉環控制，克服了步進電機失步的問題；在轉速方面，高速性能好，一般額定轉速能達到2 000～3 000 r/min[6]；在適應性方面，抗過載能力強，能承受3倍額定轉矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用；在穩定方面，低速運行平穩，低速運行時不會產生類似于步進電機的步進運行現象；在及時性方面，電機加減速的動態相應時間短，一般在幾十毫秒之內[7]；在舒適性方面，發熱和噪音明顯降低。

(2)切割頭組件驅動方式。切割頭組件采用液壓傳動，液壓系統液壓桿驅動機械臂從而實現水射流噴嘴的角度調節。

3 礦用液壓支架輔助破巖裝置工作原理

高壓水射流技術在采礦、石油、精密加工行業得到了廣泛的應用[8]。高壓水射流技術作為一種冷破碎工藝，工作時無火花產生，特別適合于煤礦井下的工作環境[9]，當高壓水射流產生的沖擊壓力超過障礙巖石的抗壓強度時，巖石可破碎。

高壓水射流沖擊巖石可使巖石形成宏觀的破碎坑，水射流的沖擊流速來自噴嘴內外的壓力差，當水射流沖擊巖石時，其沖擊動能轉化為沖擊壓力的機械能。同時使巖石內部產生微觀損傷，水射流破巖時，首先巖石受到水射流沖擊而壓縮并形成“水錘壓力”[10]；隨后巖石在“水錘壓力”下被破壞。在高壓水射流沖擊巖石的過程中，水射流為連續射流，水射流的破巖壓力可以根據相關計算公式進行計算。

在利用礦用液壓支架輔助破巖裝置破巖時，可根據巖石的硬度調節水射流系統壓力的大小或者更換硬度不同的磨料。磨料水射流對巖石具有良好的切割性能[11]，需求的工作壓力較低，一般30 MPa時就能產生良好的切割能力。高壓連續純水射流對巖石具有較好的破碎性能[12]，需求的工作壓力相比磨料水射流要高，可根據實際需求選擇水射流的種類。

4 礦用液壓支架輔助破巖裝置安裝方式

礦用液壓支架輔助破巖裝置安裝示意如圖3所示。

圖3 礦用液壓支架輔助破巖裝置安裝示意

(1)縱向移動組件和橫向移動組件安裝。縱向移動組件中的2條縱向直線滑軌使用螺栓通過連接板與液壓支架的前探梁內側連接。縱向移動組件中的縱向直線滑軌的縱向傳動電機安裝滑軌內側，通過1根傳動軸與縱向滑塊同步移動。橫向移動組件中橫向直線滑軌通過縱向滑塊與縱向移動組件中的縱向直線滑軌垂直橋接，橫向移動組件中的橫向直線滑軌的橫向傳遞電機垂直安裝在滑軌一端。經過實際測量，橫向移動組件中的直線滑軌比液壓支架前探梁長度短6 cm；縱向移動組件中的縱向直線滑軌比液壓支架的寬度短15 cm。

(2)切割頭組件安裝。切割頭組件中的水刀夾緊塊插入液壓機械臂前端并用螺栓固定，切割頭組件中的液壓機械臂桿使用螺栓與橫向移動組件中的橫向直線滑軌連接。水刀頭通過液壓機械臂實現角度調節，驅動力由組件內液壓桿提供。水刀頭通過橫向移動組件中的直線滑軌進行橫向移動。

5 礦用液壓支架輔助破巖裝置操作流程

(1)當液壓支架遇到突出巖石時，工作人員控制縱向直線滑軌使該直線滑軌帶動切割頭組件向巖石方向移動。

(2)完成前移步驟后，工作人員控制橫向直線滑軌通過滑塊控制本切割頭組件左右移動，使本裝置中的水刀噴頭對準目標巖石。

(3)完成左右移動步驟后，控制液壓機械臂桿調節水刀噴頭角度，驅動力由組件內液壓桿提供，將水刀噴頭接近目標巖石。

(4)開啟水刀噴頭進行切割，切割時控制橫向滑塊移動，使其滿足對巖石切削的要求。

(5)切削完成后，按照反向步驟，使本裝置回到待啟動狀態。

6 礦用液壓支架輔助破巖裝置實驗效果

在煤礦井下采得巖石樣本，利用KYAG-600巖石剛性機測試巖石樣本的單軸抗壓強度，計算得出巖石樣本的單軸抗壓強度約為43 MPa，礦用液壓支架輔助破巖裝置分別采用40 MPa、45 MPa、50 MPa的高壓水射流進行模擬實驗，實驗結果如下。

(1)使用上述3種高壓水射流，本裝置均將模擬工況的巖石破碎，3種壓力巖石破碎比能耗分別為2.62×104J/cm3、2.23×104J/cm3、1.77×104J/cm3，隨著水射流壓力的增高，破碎單位體積的巖石所消耗的能量越少。

(2)實驗過程中本裝置的橫向移動、縱向移動均達到設計要求。

(3)本裝置可承受實驗高壓水射流的反沖擊。

(4)使用本裝置破巖可達到爆破和風鎬破巖的破巖效果。

7 結論

通過模擬實驗，得出以下結論。

(1)礦用液壓支架輔助破巖裝置能夠利用高壓水射流實現巖石切割與破碎，達到設計要求。

(2)在如何選取最優直徑的高壓水射流噴嘴方面還需要改進，使得耗水量最小。

(3)由于液壓支架在移動時產生的振動較大，使本裝置的切割頭組件產生較為明顯的松動，下一步仍需要改進。