煤礦井下坑道鉆機自動卸桿裝置研究

＊寧建東

（山西沁新煤業有限公司 山西 046500）

鉆機為煤礦開采作業中重要的鉆探設備，過去因為技術手段落后，使用鉆機設備通常具有一定的風險，操作不當會引發安全隱患。為了保證作業生產安全，設計更加適合煤礦井下坑道的鉆機自動卸桿裝置就非常有必要。在設計過程中，運用現代技術手段，實現了智能鉆機自動卸桿功能，自動卸桿裝置系統中包括硬件系統以及軟件系統，系統借助智能控制器，全面收集作業中各種形式信號，從而調整脈寬，及時驅動電磁閥，進而調節油缸自身的伸縮速度。控制器接收伸縮長度信號之后，會形成閉環控制系統，完成整個自動卸桿裝置操作流程。系統完成設計之后應用于實驗地點，運用智能控制器就可以進行鉆機調控，滿足各種作業環境要求，鉆孔工作更加高效、可靠，鉆孔質量也符合安全生產要求，實現了向自動化操作的過渡。

1.背景分析

煤炭是社會生產發展重要能源，但是開采過程中，容易發生各種安全事故。為此推動煤炭安全生產就尤為關鍵，可以為社會生產提供穩定的能源供應[1]。而采用井下鉆孔可以有效防止瓦斯、水害等災害的發生，為煤礦生產高效開展提供了必要的保障。當下我國煤礦開采使用的鉆機有很多類型，如高轉速鉆機、套管鉆機、多變福鉆機、大功率定向鉆機等。然而鉆探設備自動化水平并不是非常完善，在坑道鉆孔中需要人工輔助才能完成作業，降低了鉆孔效率，且耗費的人力資源相對較多，增加了施工中的安全隱患。就目前我國煤礦產業發展現狀來看，主要是向集約化方向發展，應該重點做好技術研發工作，促進鉆孔自動卸桿裝置研究，才能實現自動化鉆孔施工，提升作業質量。

2.裝置需求

自動卸桿裝置需要與鉆機配合實現鉆桿裝卸，在這個過程中不能影響鉆井作業，所以應保證卸桿裝置具備豐富的工作狀態以及位置。原有的煤礦坑道鉆機卸桿裝置有優勢、有不足，其中優點表現在能夠滿足煤礦坑道生產發展需求，結構緊湊，可以根據生產需要進行調節。但是也有顯著的不足，表現為需要人工進行調節，在煤礦這樣的環境下，容易發生危險，且靈活性不是很強，不能滿足當下生產發展需求。對此，為了提高生產發展效率，就應該重點做好結構設計，研發自動卸桿裝置，提高生產效率。通常情況下卸桿裝置應包括運輸、裝卸、等待等各種狀態，為了實現自動裝卸，在設計中需要充分利用空間，控制鉆機整體尺寸，確保全面維護鉆機系統，使各項功能得以發揮。在設計自動卸桿裝置時，應該在保證發揮各項功能的同時，使整個結構設計更加緊湊，同時還能給控制系統各硬件設置留下必要的安裝空間，這樣整個鉆機部件布置才會更加合理。鉆機主要應用了整體式履帶結構，自動換桿裝置使用傳感器檢測鉆機動力頭位置以及鉆機夾持器，可以掌握鉆機工作情況，保證自動卸桿工作實現自動化操作[2]。在操作過程中，需要做好以下判斷：第一，判斷桿倉位置，掌握鉆機狀態。第二，掌握鉆機動力頭與機械手之間的距離是否處于安全水平。第三，確定加持手取鉆桿位置。第四，確定鉆機當前是需要裝鉆桿還是卸鉆桿。通過判斷以上工作，使用傳感器對鉆機夾持動作進行檢測，保證夾持手可以與鉆機夾持器鉆桿之間實現高效傳遞，確保自動裝卸功能實現，為順利開展鉆孔工作提供保障。

3.鉆機自動卸桿裝置設計

結合鉆機自動卸桿裝置功能需求，需要保證其擁有較大的靈活性以及自由性，從而滿足鉆機鉆孔要求，設計內容具體如下：

（1）硬件結構設計。自動卸桿裝置需要使用智能控制器，充分發揮電液控制系統功能，正逐步得到推廣。當下這種控制器相比于傳統的PLC控制器，在計算能力方面更加突出，實現了自動卸桿智能化控制計算，整體驅動能力得到改進，同時因為不需要繼電器配合，因此可以獲得較大電流，控制電磁閥，驅動其可以正常發揮功能。為了使用靈活便捷，在進行結構設計時，應該保證結構緊湊，且可以設置一定數量的硬件接口，實現各種施工環境下自由卸桿，使鉆孔工作可以正常進行。系統設計使用了智能控制器，可以實現隔爆功能，在電氣隔離保護設置之下，提高鉆孔工作效率。就控制器本身集成水平來看，相比于PLC效率更高，且適應性良好，在應用過程中，不會產生較大的功耗，其設計模式也可以應用于其他設備電液控制設計中。對整個結構進行設計時，主要是將智能控制器作為設計的主要核心部分，并以此為基礎設計了換桿裝置控制系統，系統結構如圖1所示。

圖1 換桿裝置控制系統

圖1中換桿裝置包括5組油缸以及與此對應的電磁閥，其主要功能就是進行相應的驅動。同時其中還含有1組帶位置反饋油缸以及比例電磁閥，4組伸縮油缸、換向電磁閥。在整個控制系統中，將智能控制器作為自動卸桿裝置核心驅動。在計算機終端設備中，直接輸入PWM信號以及開關信號，能夠實現對電磁閥的驅動。使用PWM信號，能夠有效調節系統中電流情況，并掌握比例電磁閥使用中的開合水平，這樣才能更加高效地保證整個油缸的伸縮情況。在系統中磁致位移傳感器可以將自動卸桿伸縮長度信號直接上傳到控制器中，最后在系統中會形成一個針對油缸伸縮位置的閉環控制系統，使各項操作措施能夠充分發揮出來。傳感器可以監測鉆機工作狀態，在控制器中輸出模擬量，控制器可以掌握鉆機工作狀態，并依據這些信息進行相應的邏輯計算，最后全面把握鉆機的工作情況。控制器利用CAN總線，可以實現與遙控器之間的雙向通信，在接收到信號之后，可以將操作指令傳輸給控制器，當遙控器接收到工作狀態以及故障信息之后，將其展示給操作人員，并對其開展相應的操作，從而發揮自動卸桿各項功能。

（2）給進裝置、自動上下桿裝置設計。給進裝置需要精準把握開孔、鉆進狀態，由給進油缸、連接架、后頂裝置等多個部分組合而成，其中給進油缸選擇的是單根單桿雙作用油缸，并在油缸中設置了位移標準，能夠準確掌握油缸所處的具體位置。在給進油缸中，主要包括活塞桿與托板，且在缸體之上還有耳環與整個機身相互固定，這樣在油缸進行往復運動之后，就可以帶動托板順著機身實現導軌移動，保證回轉器正常移動，穩定性更好[3]。機身在與連接架之間相互連接時，主要是使用螺栓實現的，同時連接架應該與左右調角裝置相連接，可以借助液驅回轉支撐，實現自由轉動，并運用給進裝置，保證角度調整的合理性。在機身下側還裝置了傾角傳感器，能夠顯示裝置機身工作狀態下的角度，并可以隨時進行調整。在整個裝置左側還安裝了開關組件，可以準確判定機械手位置是否正確，并給予必要的加卸桿操作。在整個機身后面還設置了后頂裝置，其功能就是調整好機身的整體姿態，起到良好的穩固作用，保證鉆機過程機身平穩。結構如圖2所示。

圖2 自動卸桿裝置

圖2自動上下桿是鉆桿實現自由裝卸的重要執行機構，主要包括鉆桿托架、機械手總成、回轉支撐部分，其中鉆桿托架主要功能就是可以存放鉆桿，最多可以容納7根鉆桿。借助調節托板可以使托板實現向下傾斜的目標。在自動卸鉆環節，鉆桿可以實現自由下落，保證了鉆桿的使用效率。機械手總成借助右側轉支撐，可以和左調角裝置之間相互聯系起來，這樣整個裝置實現了四聯電磁手動換向閥的控制，保證了鉆桿實現連續的裝卸，滿足復雜煤炭生產環境需求，確保在各種復雜環境下的作業操作。

（3）軟件結構設計。系統功能發揮，還需要設計軟件系統。在本結構設計中主要應用了CoDeSys V3PLC軟件編程平臺開發，在這個平臺上具有完善的程序編輯器以及調試器功能，可以實現各種編程語言的編輯工作。在設計自動卸桿裝置控制程序時，應該結合鉆機工作狀態、工作環境以及各種動作，進行狀態設計，明確動作互鎖關系。例如，鉆機在鉆孔中進行動力頭動作時，自動卸桿中換桿裝置處于靜止狀態，避免發生不必要的碰撞。同時因為鉆孔會有各種差異化的動作，工作狀態自然也是不同的，先進行什么狀態、后進行什么狀態需要確定優先級，這樣才能保證鉆孔動作安全水平。先進行軟件部分設計時，需要結合自動卸桿裝置完成軟件部分的設計。

（4）雙向通信設計。煤礦井下坑道鉆機自動卸桿裝置需要進行雙向通信設計，雙向通信即在控制器與遙控器之間實現通信，通信媒介利用了CAN總線實現，并借助遙控器實現信息的傳輸。就遙控器來說需要具備顯示功能，控制器依據自動卸桿裝置工作狀態信息，可以將其傳輸到遙控器上，并顯示出來，包括的狀態主要有換桿機構狀態、鉆機工作狀態以及鉆桿數量統計。但是當系統發生異常情況時，系統會顯示異常信號，并發出相應的報警信息，展示報警狀態。

4.裝置應用

因為組件自動卸桿裝置具有非常顯著的特殊性，系統設計過程中，應該保證鉆機狀態具備實時顯示功能，這樣才能更加高效地控制鉆孔情況。鉆機狀態參數能夠借助軟件系統數據采集器中接收到鉆機工作中的各項數據，并借助計算機顯示出鉆機的工作運行狀態，例如，鉆機回轉壓力、轉速、鉆機方位角等信息。利用顯示軟件可以接收鉆頭處信號，先對信號進行分析處理，最后實現實時顯示目標。利用控制系統，收集到不同鉆進參數之后，將這些信息轉化為控制信號，最后將其編制成自動卸桿裝置控制程序，在作業環節可以實現自動卸桿操作，提高了系統運作的綜合效率。

因為自動卸桿裝置具有鮮明的特征，在設計完成之后，應該對其進行現場應用，檢測設計效果，各項功能是否可以正常發揮。在應用時首先選擇試驗坑道，選擇好場地之后，在土層中開展鉆進實驗。實驗土層主要是黃土，在遇到水分之后，黏性較大，很難鉆進，所以需要借助空氣實現鉆孔。需要使用到空壓機、配套鉆具、外平鉆桿以及鉆頭。在作業中共計鉆孔12個，平均孔深度可以達到30.5m。在作業中自動卸桿在軟件系統以及硬件系統共同控制之下，完成了作業活動，尤其是在作業環境相對復雜的地域，實現了自動調節，在預定的時間范圍內完成了作業活動，且孔的綜合質量都能滿足生產作業要求，說明本次鉆機自動卸桿裝置設計符合生產作業需求，各部分設計合理，且工作過程中穩定可靠。在使用系統時，按下控制鍵之后，便能夠實現自動卸桿功能，替代了傳統人工進行替換的目標。尤其是對于一些復雜的施工環境，不再需要人力資源進行人工調節，為開展鉆孔工作提供了必要的設備保障。

5.總結

綜上所述，本文圍繞煤礦井下坑道鉆機自動卸桿裝置進行了分析，可以看出當下隨著技術手段的飛速發展，為實現自動卸桿裝置功能提供了必要的條件。這種裝置設計中應用了計算機信息技術手段，通過選用恰當的硬件設備以及軟件系統，可以借助智能控制器操作自動卸桿裝置，這樣在坑道鉆孔作業時，使用系統就能進行自由卸桿工作，克服了各種困難環境下鉆孔出現的各種問題，保障了作業的整體質量和水平，為安全開展煤炭開采工作提供了基礎條件，需要在未來發展中充分利用好這一技術手段，從而保障煤炭開采工作順利進行。