礦用重型風(fēng)鎬推進(jìn)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)研究

原紅飛

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

全氣動重型風(fēng)鎬破煤機(jī)是相比于現(xiàn)有小風(fēng)鎬，具有更大破煤沖擊能量、更大功率的裝置。不同于小風(fēng)鎬需工人手持靠體力搬運(yùn)推進(jìn)，重型風(fēng)鎬本身具有較大質(zhì)量，因此加裝氣腿實現(xiàn)機(jī)動推進(jìn)，不僅可以提供比人力更大的推進(jìn)力提高破煤效率，還解放了人力，降低了工人勞動強(qiáng)度。因此氣腿推力的控制不僅影響破煤效率，還是重型風(fēng)鎬實現(xiàn)機(jī)動作業(yè)的關(guān)鍵。

重型風(fēng)鎬的氣腿機(jī)動推進(jìn)靈感來源于氣腿式鑿巖機(jī)，但又與其不同。我國已定型的氣腿式鑿巖機(jī)全都采用了節(jié)流型復(fù)合式調(diào)壓閥(如YT26型，YT24型，7655型等)，但該方式在礦山的使用中普遍感到氣腿調(diào)壓不穩(wěn)(不大就小)以及有效調(diào)節(jié)區(qū)間較窄，不易得到最佳軸推力。而全氣動重型風(fēng)鎬的氣腿推進(jìn)采用的是降壓型調(diào)壓方案，相比于節(jié)流型調(diào)壓，降壓型調(diào)壓可以實現(xiàn)壓力的精確控制，而且大大減少了耗氣量[1]。該推進(jìn)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)基本實現(xiàn)了操作集中于柄體這樣一有利于單人單機(jī)作業(yè)的條件，具有氣路短、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，可靠地實現(xiàn)了無級調(diào)壓。

1 推進(jìn)機(jī)構(gòu)的工作原理

推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要包括氣腿及其控制系統(tǒng)，主要功能是實現(xiàn)氣腿伸出推力的線性可控，以及氣腿的回收。氣腿的控制氣路由換向閥、調(diào)壓閥和單向閥組成。其氣路結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示，氣源壓縮空氣連接換向閥進(jìn)氣口P，換向閥有兩個出氣口A和B，A通過氣管連接調(diào)壓閥進(jìn)氣口，再由調(diào)壓閥出氣口連接氣腿上腔，同時調(diào)壓閥進(jìn)、出氣口兩端并聯(lián)單向閥，B由氣管直接連接氣腿下腔。換向閥常態(tài)為P連通A口，B接通大氣。工作時，操作人員按壓調(diào)壓閥手柄，使得氣腿上腔壓力升高，氣腿伸出，通過調(diào)節(jié)手柄松緊可調(diào)節(jié)氣腿力的大小；破煤完成后，松開手柄，氣腿內(nèi)壓力會由調(diào)壓閥緩慢釋放，如需收回氣腿，只需按下?lián)Q向閥按鈕，使得P連通B口，A連通大氣，氣腿即可收回。

圖1 推進(jìn)機(jī)構(gòu)氣路原理

2 降壓型調(diào)壓閥的設(shè)計

降壓型調(diào)壓閥通過調(diào)節(jié)將進(jìn)口壓力減至需要的出口壓力，并依靠介質(zhì)本身的能量，使出口壓力自動保持穩(wěn)定。在本方案中主要用于調(diào)節(jié)氣腿上腔壓力，使得氣腿推力穩(wěn)定可控[2]。本方案的特點(diǎn)是設(shè)計出特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以人工實時調(diào)節(jié)彈簧力的大小，實現(xiàn)輸出端壓力快速便捷調(diào)節(jié)。

杠桿直動式調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。把調(diào)壓閥安裝進(jìn)殼體內(nèi)，鎖緊螺絲將閥定位固定，按壓手柄可以直接壓縮調(diào)壓彈簧，彈簧壓縮從而將力傳遞給膜片，將膜片下壓，膜片帶動調(diào)壓柱、閥芯下移將閥口打開，于是P2口壓力上升。當(dāng)P2口壓力上升到調(diào)定壓力時，壓力經(jīng)反饋導(dǎo)管傳遞到膜片下腔，將膜片上頂，調(diào)壓柱、閥芯在復(fù)位彈簧作用下上移，閥口關(guān)閉，出口處壓力維持穩(wěn)定，實現(xiàn)調(diào)壓作用。通過手柄的不同按壓程度可實現(xiàn)不同壓力的調(diào)節(jié)，而且直接放開手柄可以迅速泄壓，提高了機(jī)具的安全可靠性能。

圖2 調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)

3 仿真模型

在AMESim軟件中使用氣動元件設(shè)計庫(PCD)對元件進(jìn)行建模[3]。根據(jù)對調(diào)壓閥的原理分析，應(yīng)用AMESim PCD庫構(gòu)造圖3所示的仿真模型。在仿真過程中，調(diào)壓閥通過活塞連接組裝并通過彈簧、傳感器完成信號的轉(zhuǎn)換。通過給定信號來調(diào)節(jié)輸出端壓力的大小，以達(dá)到所需的壓力。

圖3 調(diào)壓閥仿真模型

在圖3中，左端帶彈簧氣動活塞相當(dāng)于調(diào)壓閥復(fù)位彈簧腔，氣動活塞(左PNA0011)相當(dāng)于調(diào)壓閥閥芯，活塞桿相當(dāng)于調(diào)壓柱，氣動活塞(右PNA0042)相當(dāng)于調(diào)壓閥膜片，彈簧相當(dāng)于調(diào)壓彈簧，右側(cè)杠桿相當(dāng)于手柄結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)按壓省力和操作快速便捷的效果。

建立的推進(jìn)機(jī)構(gòu)仿真模型如圖4所示。參照各部件的相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，見表1。

圖4 推進(jìn)機(jī)構(gòu)仿真模型

部位名稱子模型參數(shù)設(shè)置壓力源PNCS001壓力設(shè)為0.6MPa帶彈簧氣動活塞PNPA003活塞直徑5mm活塞桿直徑4mm彈簧剛度5N/mm氣動活塞PNA0011活塞直徑5mm活塞桿直徑3mm氣動活塞PNA0042活塞直徑20mm活塞桿直徑3mm氣孔直徑1.5mm活塞初始位置0.5mm限位質(zhì)量塊MAS005質(zhì)量0.1kg粘性摩擦系數(shù)100N/(m·s)最高位置界限0mm最低位置界限-4mm彈簧SPR000彈簧剛度30N/mm線性機(jī)械杠桿LML031端口1到支點(diǎn)距離0.18m端口2到支點(diǎn)距離0.025m換向閥PNSV241氣孔通徑50mm2氣腿PNJ0001質(zhì)量16kg活塞直徑65mm活塞桿直徑33mm行程長度1000mm

4 仿真分析

將表1所示的參數(shù)輸入調(diào)壓閥仿真模型，進(jìn)行仿真，由仿真結(jié)果分析所構(gòu)建調(diào)壓閥模型的壓力特性。手柄位移與調(diào)壓閥閥芯位移變化曲線如圖5所示，系統(tǒng)負(fù)載壓力變化曲線如圖6所示。負(fù)載壓力隨閥芯位移的變化曲線如圖7所示。

圖5 手柄位移與閥芯位移變化曲線

1) 手柄位移與閥芯位移關(guān)系。由圖5可以看出，閥芯位移變化趨勢基本跟隨手柄位移變化，這一特性保證了閥控制響應(yīng)的快速靈敏。閥芯位移曲線在5 s、10 s、15 s三個時間節(jié)點(diǎn)處發(fā)生突變，這說明閥芯在啟動和停止時會有振動，這是由于閥芯動作時腔內(nèi)壓力發(fā)生變化引起的。由手柄位移與閥芯位移變化關(guān)系曲線可以看出，調(diào)壓閥在負(fù)載增壓和降壓過程中手柄位移與閥芯位移關(guān)系曲線不重合，這是因為降壓時負(fù)載端口存在殘余壓力造成的。

2) 負(fù)載壓力與閥芯位移關(guān)系。由圖6可以看出，負(fù)載壓力曲線與手柄位移曲線具有高度重合性，這表明調(diào)壓閥具有良好的壓力控制特性，滿足調(diào)節(jié)氣腿推力的要求，快速響應(yīng)可以保證緊急情況下的安全要求。由圖7可以看出，在增壓和降壓的兩個過程中，相同閥芯位移對應(yīng)兩個不同的負(fù)載壓力，這是由于降壓時負(fù)載端殘余壓力釋放緩慢，使得壓力較增壓時高。這表明快速降壓時負(fù)載端壓力釋放會有延時，這與實際情況相符合。

圖6 調(diào)壓閥負(fù)載壓力變化曲線

圖7 負(fù)載壓力隨閥芯位移變化曲線

3)單向閥對氣路的影響。將表1所示的參數(shù)輸入推進(jìn)機(jī)構(gòu)仿真模型，進(jìn)行仿真，仿真模擬了氣路完整的工作過程，檢測了各閥在回路中的作用。5 s時按壓手柄，到10 s時壓力調(diào)到最大，保持5 s后放開手柄，到20 s時換向回收氣腿。仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 氣腿位移變化

由圖8可以看出，氣腿在閥的控制下可以實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的伸出和回收。有單向閥相比無單向閥可以使回收時間縮短7 s，效果顯著。

圖9 有單向閥時氣腿壓力變化

圖10 無單向閥時氣腿壓力變化

由圖9和圖10對比可知，單向閥僅在氣腿回收時起作用，主要作用是使氣腿上腔更快泄壓，降低背壓，使得氣腿回收更為快速順暢。

5 結(jié) 語

通過對推進(jìn)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)氣路的建模與仿真，驗證了該設(shè)計方案的合理性。根據(jù)該氣路原理制作了試驗樣機(jī)，并對樣機(jī)進(jìn)行了測試，得到以下結(jié)論：

1) 樣機(jī)的控制機(jī)構(gòu)操作方便，結(jié)構(gòu)簡單可靠，實現(xiàn)了操作集中于柄體這樣一有利于單人單機(jī)作業(yè)的條件。

2) 調(diào)壓閥的使用方便快捷，在使用過程中雙手把持風(fēng)鎬的情況下，僅手指即可完成調(diào)壓工作，且壓力調(diào)節(jié)穩(wěn)定可靠，可實現(xiàn)壓力無級調(diào)換。與壓力仿真結(jié)果相吻合。

3) 整個推進(jìn)機(jī)構(gòu)的動作特性與仿真結(jié)果一致，證明了該控制原理的正確性和合理性。表明仿真模型是實際模型的正確反映，為該系統(tǒng)的設(shè)計和改進(jìn)提供了依據(jù)。