自動化鉆桿輸送設備液壓系統設計

申晟，余億坤

(廣州寶力特液壓技術有限公司，廣東廣州 510000)

0 前言

煤與瓦斯突出、突水、沖擊地壓是導致煤礦事故的主要災害，目前相應災害常用且有效的防治措施分別為鉆孔抽采、疏水及卸壓[1-3]。以上防治措施的共同點是都需要進行鉆孔施工。常規煤礦鉆機在井下鉆孔施工過程中，鉆桿的裝卸由人工完成[4]。在這種狀態下，一旦發生孔口瓦斯突出或者涌水事故，操作人員人身安全面臨嚴重威脅[5]。鉆車裝卸鉆桿大多由工人手動進行，當前一根鉆桿在鉆機的作用下鉆入巖層，然后工人將下一根鉆桿搬運至鉆機上，將鉆桿與前一根對齊、裝接、擰緊，整個過程需要3～5 min，2-3人合作完成。這樣不僅浪費勞動力，還增加了鉆孔的附加時間，鉆機的工作效率較低，對工人產生巨大的安全隱患[6-8]。為此，中煤科工集團重慶研究院有限公司成功研發出地面遠距離自動控制鉆機[9-10]，該套鉆桿自動輸送系統仍存在工作范圍較小、工作過程中系統沖擊振動較大、鉆桿料倉小等問題，限制了鉆機的適用范圍，制約了機械手的響應速度，影響了鉆桿輸送效率。因此，新的鉆桿輸送裝卸設備將鉆桿裝卸和鉆桿輸送分開。

本文作者對鉆桿自動輸送設備液壓系統開展研究。針對新的自動鉆桿輸送裝卸設備，研制出適用于配套煤礦鉆機井下施工的鉆桿輸送機械手及自動輸送料倉的液壓系統。通過此研究不僅可以實現鉆桿自動化輸送，減少鉆孔施工人員數量，保障鉆孔施工安全，而且與國家和各地方政府要求煤機裝備智能化發展的方向相一致，所研究新產品可直接用于煤礦鉆機的鉆桿自動輸送領域。

1 自動化鉆桿輸送設備工作原理

1.1 自動化鉆桿輸送裝卸設備

自動化鉆桿輸送裝卸設備主要是將鉆桿從料倉放置到鉆機上。如圖1所示，鉆機1與鉆桿裝卸設備2同放在一臺履帶車上，鉆桿輸送設備3放在另一臺履帶車上。鉆桿料倉中的鉆桿通過鉆桿輸送設備放在鉆桿裝卸設備的上料框位置上，鉆桿裝卸設備將鉆桿移入鉆機中，從而實現鉆桿的輸送和裝卸。由于鉆桿輸送設備上有機械臂，即使2臺履帶車按不同的方位擺放，鉆桿仍能放置到夾持位置上，所以可以適應窄小的坑道。而且料倉可以放置200根鉆桿，從而保證了鉆桿鉆機連續高效率的運行，有效減少工人的工作強度。

圖1 鉆桿輸送裝卸設備示意

1.2 自動化鉆桿輸送設備

如圖2所示，自動化鉆桿輸送設備由五軸機械臂1、中轉平臺2、龍門架3、鉆桿4以及鉆桿料倉5組成，并統一安裝在履帶車上跟隨鉆桿裝卸設備移動。鉆桿裝載的具體工作原理為：龍門架抱夾多根鉆桿至中轉平臺，根據步進梁的原理，中轉平臺依次將鉆桿輸送到機械臂夾持位置，機械臂將鉆桿放入另一臺履帶車上的鉆桿料框。鉆桿卸載時則機械臂從鉆桿料框中夾持鉆桿到中轉平臺，中轉平臺將鉆桿步進輸送，當鉆桿達到預設桿數，龍門架將鉆桿放置到鉆桿料倉中，實現鉆桿的自動化輸送。

圖2 鉆桿輸送設備示意

2 鉆桿輸送設備液壓執行元件

由于鉆桿輸送設備在煤礦井下運行，為了實現防爆和節省空間，所有動作皆由液壓執行元件驅動。

2.1 液壓執行元件參數

根據鉆桿輸送設備的工作原理，考慮到機械安裝的空間大小和油缸的壓桿穩定性，其主要執行元件如表1所示。

表1 鉆桿輸送設備液壓執行元件參數

2.2 液壓執行元件計算

根據鉆桿輸送設備的機械結構以及執行元件參數，通過動力學計算可知各執行元件的負載和速度，從而可分別計算各動作所需要的壓力和流量。考慮到此系統的油缸都是受壓狀態，因此油缸所需最大的壓力主要出現在油缸伸出動作時的無桿腔。且無桿腔所需流量更多，所以主要是對無桿腔進行計算。

油缸無桿腔壓力：

(1)

式中：p1為無桿腔壓力(Pa)；p2為有桿腔壓力，取0.5×106Pa；F為油缸伸出時的最大負載力(N)；D為活塞直徑(m)；d為活塞桿直徑(m)；ηm為機械效率，取0.9。

油缸運行流量：

(2)

式中：q為油缸運行所需流量(m3/s)；D為活塞直徑(m)；u為活塞與缸體的相對速度(m/s)。

擺動缸和液壓馬達的進出口壓差：

(3)

式中：Δp為液壓馬達和擺動缸進出口壓差(Pa)；T為液壓馬達或擺動缸的負載轉矩(N·m)；V為液壓馬達或擺動缸的排量(m3/r)。

擺動缸和馬達的流量：

(4)

式中：qv為油缸運行所需流量(m3/s)；nm為液壓馬達或擺動缸的轉速(r/min)；ηv為容積效率，取0.95。

根據公式(1)(2)(3)(4)，將各執行元件的最大負載和最大轉速代入，可計算得到各執行元件動作所需的壓力和流量。

3 鉆桿輸送設備液壓系統設計

根據鉆桿輸送設備的結構，液壓系統分為3部分：泵站部分、機械臂部分和輔助部分。泵站部分主要為液壓系統提供油源，機械臂部分主要是控制機械臂的運動，輔助部分主要是控制中轉平臺和龍門架。

3.1 液壓系統泵站部分原理

執行元件確定完后，需要確定系統的壓力、流量和功率。由表2可知各執行元件所需的最大壓力和流量，結合實際工況下需要多個執行元件同時動作，出現最大流量主要是在大小臂油缸動作，鉆桿提升油缸和鉆桿移載馬達同時動作，因此將上述執行元件最大流量相加可知系統最大流量23.46 L/min。由于小臂油缸為22.36 MPa，考慮到需要比例閥控制油缸，且小臂油缸流量少，所以選取系統壓力為25 MPa。由此可知系統功率為

(5)

式中：W為電機功率(kW)；p為系統總壓力(MPa)；Q為油泵流量(L/min)；η為電機效率系數，取0.9。因此選取電機功率為15 kW。選取泵的額定壓力為25 MPa，排量為23 mL/r。

泵站部分原理如圖3所示，考慮到機械臂需要涉及到電液控制，為保證電液閥能夠有穩定的供油壓力和緊湊的空間，泵站采用定量齒輪泵1和小型蓄能器13組合。由于定量齒輪泵只會產生壓力脈沖而不會變量，所以用小型蓄能器可使供油壓力穩定。定量泵1因為靠溢流閥15溢流會發熱，所以需配冷卻器10和溫度繼電器7，保證油溫控制在合理的范圍。泵站通過P管將油輸出到機械臂的控制閥臺P1口和輔助裝置控制閥臺P2，通過T管將機械臂的控制閥臺T1口和輔助裝置控制閥臺T2口的油導入油箱中。其元件各作用如表3所示。

表2 鉆桿輸送設備液壓執行元件最大壓力和速度

圖3 泵站液壓原理

表3 泵站液壓元件主要配置說明

3.2 液壓系統機械臂部分原理

如圖4所示，根據機械臂的工作原理，除考慮手爪開合油缸不需要位移控制之外，其余各執行元件需要位移或角度控制，所以需要防爆比例閥實現模擬量的電液控制，因此需對比例閥進行選型。由于大臂油缸、小臂油缸和底座擺動缸為主要控制元件，考慮到系統流通較小，初步選定最小規格防爆比例閥為6通徑。實際工作中，閥的實際壓降為

Δp=ps-Δp0-pmax

(6)

式中：ps為系統供油壓力，取25 MPa；pmax為執行元件最大壓力，查詢表2可得；Δp0為液壓泵站到比例閥的壓力損失，此處可取0.5 MPa。

圖4 機械臂液壓原理

防爆比例閥在負載壓力下的空載流量為

(7)

式中：qN為比例閥的額定流量，取最小8 L/min；ΔpN為比例閥通過額定流量時的規定閥壓降，取1 MPa。

由式(6)(7)可知大臂油缸、小臂油缸和底座擺動缸在負載壓力下的流量分別為15.03、11.70、25.76 L/min，滿足表2中所需最大流量。機械臂液壓各元件作用如表4所示。

表4 機械臂液壓元件主要配置說明

3.3 液壓系統輔助部分原理

輔助原理主要是驅動除機械臂以外的輔助元件，主要為抱夾裝置的上下移動、抱夾裝置的夾緊鉆桿、龍門架沿導軌移動和鉆桿在中轉平臺的步進動作，其液壓原理如圖5所示。考慮到輔助裝置的要求精度不高，所以主要以防爆換向閥的控制為主。

圖5 輔助裝置液壓原理

由于鉆桿移載即龍門架在履帶車沿軌道運行時主要采用鉆桿移載馬達提供動力，為保證龍門架能夠到達指定位置，將鉆桿移動到中轉平臺上方。馬達帶有剎車，由電磁球閥6控制，當電磁球閥得電時，會向剎車裝置供油，剎車松開，馬達可正常運行；電磁球閥失電時，剎車抱緊，馬達無法動作。防爆比例閥1主要控制馬達速度提前減速，保證馬達不會出現急剎。其余元件作用如表5所示。

3.4 樣機試驗

為驗證理論計算和實際應用，參照設計結構設計出樣機。樣機中去除了履帶車，保留了機械臂、中轉平臺、龍門架和鉆桿料倉，同時制作了鉆桿料框，其結構如圖6所示。經過測試，自動化鉆桿輸送設備能在1 min內將料倉中的單根鉆桿放置到鉆機料框中。

圖6 自動化鉆桿輸送設備樣機

4 結論

文中根據自動化鉆桿輸送設備的機械結構和工作原理，依據運行過程中的理論載荷，設計出相配套的液壓系統。最終通過制作樣機驗證該液壓系統能夠適用于鉆桿輸送設備中，為它提供可靠的動力和精準的動作控制。由于液壓系統具有緊湊的執行元件、良好的防爆性和較好的控制精度，因此非常適合用于需要高防爆要求和狹窄的煤礦井下作業，具有廣闊的市場空間。