全向行走超前支架控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

徐亞軍，張德生，孫春廣，黃園月

1天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部 北京 100013

2煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院 北京 100013

3鑫天地設(shè)備科技有限公司 天津 300454

4北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司 北京 100013

目前，超前支架主要采用推移千斤頂作為行走部。超前支架在推千斤頂?shù)耐评饔孟马樞蚯耙?，這種移動(dòng)方法的最大問題是支架前移時(shí)會(huì)反復(fù)支撐，破壞巷道頂板[1-3]。為此發(fā)明了全向行走超前支架[4]，該支架采用螺旋推進(jìn)器作為行走部，在乳化液馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，支架能夠前進(jìn)、后退、平移、旋轉(zhuǎn)，全方位行走，可以直接將最后一架支架移到超前支架組前方，通過尾架變首架的換位移架方式，有效解決了現(xiàn)有超前支架反復(fù)支撐破壞巷道頂板問題[5-6]。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)存在幾個(gè)問題需要改進(jìn)：由于乳化液馬達(dá)驅(qū)動(dòng)液壓支架行走時(shí)回液管路壓力較大，會(huì)對(duì)液壓支架管路系統(tǒng)造成影響，液壓支架經(jīng)常出現(xiàn)伸立柱、收行走平臺(tái)等誤動(dòng)作；乳化液馬達(dá)需要設(shè)置簡(jiǎn)單可靠的制動(dòng)裝置，防止支架爬坡或旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)誤動(dòng)作。為此，對(duì)全向行走式超前支架的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，有效地解決了該型支架直線行走、支架千斤頂誤動(dòng)作和乳化液馬達(dá)制動(dòng)等難題，較好地滿足了巷道支護(hù)需要。

1 全向行走超前支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與控制裝置

1.1 全向行走超前支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

全向行走超前支架 (見圖 1) 由全向行走部 (見圖2) 和單元式超前支架 (見圖 3) 2 部分組成。其中，全向行走部由螺旋推進(jìn)器、乳化液馬達(dá)、鏈輪、鏈條、軸承和行走平臺(tái)組成，單元式超前支架由頂板、立柱和底座組成。2 臺(tái)乳化液馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)螺旋參數(shù)相同但旋向相反的左右螺旋推進(jìn)器 (左螺旋推進(jìn)器為左旋，右螺旋推進(jìn)器為右旋)，通過左右螺旋推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向組合，實(shí)現(xiàn)超前支架全方位行走[7]。支架的移動(dòng)方向與左右螺旋推進(jìn)器旋向的關(guān)系如表 1 所列[8-9]。

圖1 全向行走超前支架Fig.1 Omnidirectional walking advanced powered support

圖2 全向行走部Fig.2 Omnidirectional walking unit

圖3 單元式超前支架Fig.3 Unit advanced support

表1 全向行走支架的螺旋推進(jìn)器動(dòng)作組合Tab.1 Action combination of screw propeller of omnidirectional walking advanced powered support

單元式超前支架位于行走平臺(tái)內(nèi)部，通過 4 根舉升千斤頂與全向行走部連接在一起，共同組成全向行走超前支架。超前支架行走時(shí)，先收縮立柱，將支架高度降到最低位置，防止支架行走時(shí)重心過高失穩(wěn)倒架。當(dāng)支架降到最低結(jié)構(gòu)高度時(shí)，伸出舉升千斤頂活塞桿，單元式超前支架底座離開巷道底板，螺旋推進(jìn)器與巷道底板接觸，在乳化液馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下，螺旋推進(jìn)器轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)超前支架根據(jù)需要進(jìn)行移動(dòng)。為避免支架行走時(shí)接觸到底板，底座與底板的間隙一般不小于300 mm。當(dāng)超前支架行走到指定位置時(shí)，收回舉升千斤頂活塞桿，螺旋推進(jìn)器離開巷道底板，單元式超前支架底座巷道底板接觸。當(dāng)舉升千斤頂活塞桿全部收回后，伸出立柱，讓支架頂梁充分接觸巷道頂板進(jìn)行巷道支護(hù)。為防止支架支護(hù)承載螺旋推進(jìn)器受力損壞，舉升千斤頂活塞桿全部收回時(shí)，螺旋推進(jìn)器與底板的間隙一般不小于 300 mm。

1.2 全向行走超前支架控制裝置

全向行走支架是通過控制左右兩側(cè)螺旋推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向來(lái)實(shí)現(xiàn)超前支架前進(jìn)、后退、平移和旋轉(zhuǎn)等行走功能，因此須要研發(fā)合理的控制裝置。為了避免人工近身操作，采用電液控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，利用遙控器進(jìn)行操作。如圖 4 所示，遙控器按鍵有支架動(dòng)作控制和行走部動(dòng)作控制 2 部分組成。其中，支架動(dòng)作控制包括降前柱、升前柱、降后柱、升后柱、降平臺(tái)、升平臺(tái)；行走部動(dòng)作控制包括前進(jìn) (左馬達(dá)左轉(zhuǎn)、右馬達(dá)右轉(zhuǎn))、后退 (左馬達(dá)右轉(zhuǎn)、右馬達(dá)左轉(zhuǎn))、左側(cè)平移 (左馬達(dá)左轉(zhuǎn)、右馬達(dá)左轉(zhuǎn))、右側(cè)平移 (左馬達(dá)右轉(zhuǎn)、右馬達(dá)右轉(zhuǎn))、旋轉(zhuǎn) (左右馬達(dá)一個(gè)旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)不旋轉(zhuǎn))，根據(jù)表 1 列舉的組合方式控制超前支架行走方式。支架控制器上設(shè)有控制面板，除了遙控器外，支架控制器也可以對(duì)全向行走支架進(jìn)行動(dòng)作控制，其在支架上的安裝位置和外形結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。為簡(jiǎn)化超前支架結(jié)構(gòu)，由 24 V、4 000 mA·h 隔爆直流穩(wěn)壓充電電源給電液控制系統(tǒng)控制器供電，其在支架上的安裝位置和外形結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。采用充電電源可以省去支架供電電纜，整個(gè)支架只有進(jìn)、回液 2 根管路與外部相連，最大限度簡(jiǎn)化了支架管路系統(tǒng)。

圖4 遙控器Fig.4 Remote controller

圖5 支架控制器Fig.5 Support controller

螺旋推進(jìn)器是通過流量來(lái)控制轉(zhuǎn)速。研究表明，為了讓螺旋推進(jìn)器前進(jìn)、后退時(shí)依直線行走，必須要保持左、右馬達(dá)流量的一致性，為此在控制系統(tǒng)中加裝了同步閥。最早加裝了流量為 200 L/min 的同步閥，試驗(yàn)結(jié)果表明，同步閥有一定限流作用，最終選用流量為 400 L/min 的同步閥，實(shí)現(xiàn)了左右乳化液馬達(dá)流量的均衡分配，超前支架前進(jìn)、后退時(shí)基本可以保持直線行走，提高了超前支架行走能力與行走穩(wěn)定性。

2 全向行走式超前支架液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化

2.1 全向行走超前支架液壓系統(tǒng)

如圖 7 所示，全向行走超前支架液壓系統(tǒng)分支架動(dòng)作控制和螺旋推進(jìn)器動(dòng)作控制 2 部分。其中，6 功能電液換向閥組主要進(jìn)行支架動(dòng)作控制，2 個(gè) 2 功能電液換向閥組主要進(jìn)行左右螺旋推進(jìn)器動(dòng)作控制。支架動(dòng)作控制分為升前立柱、降前立柱、升后立柱、降后立柱、升平臺(tái)、降平臺(tái) 6 個(gè)動(dòng)作；螺旋推器動(dòng)作控制分為馬達(dá)左轉(zhuǎn)、馬達(dá)右轉(zhuǎn) 2 個(gè)動(dòng)作，通過表 1 所列的動(dòng)作組合實(shí)現(xiàn)超前支架全方位行走。為了防止乳化液雜質(zhì)對(duì)液壓控制部件造成損壞，在支架進(jìn)液管中設(shè)有過濾器。2 功能電液換向閥組進(jìn)液口設(shè)有同步閥，利用同步閥讓左右乳化液馬達(dá)流量保持一致。在 4 個(gè)舉升千斤頂進(jìn)回液管路上設(shè)有雙向液壓鎖，以保證升降平臺(tái)在任何高度都能夠懸停。前后柱進(jìn)回管路設(shè)有液控單向閥，并配有壓力表和安全閥，能夠顯示立柱壓力。當(dāng)支架達(dá)到工作阻力時(shí)，立柱下腔安全閥開啟泄壓，保護(hù)立柱結(jié)構(gòu)不受破壞。

圖7 全向行走超前支架液壓系統(tǒng)原理Fig.7 Principle of hydraulic system of omnidirectional walking advanced powered support

液壓系統(tǒng)主進(jìn)、回液膠管規(guī)格為 DN25，電液換向閥進(jìn)、回液膠管規(guī)格為 DN20，同步閥進(jìn)口膠管規(guī)格為 DN25，出口膠管規(guī)格為 DN20，其他膠管規(guī)格如表 2 所列。

表2 全向行走超前支架膠管規(guī)格Tab.2 Size of rubber tube for omnidirectional walking advanced powered support

2.2 全向行走超前支架液壓系統(tǒng)優(yōu)化

試驗(yàn)表明，由于舉升千斤頂?shù)耐叫砸蟛皇呛車?yán)格，無(wú)需采用同步閥來(lái)保證各舉升千斤頂流量的一致性，其同步性可利用行走平臺(tái)與超前支架的導(dǎo)向槽配合間隙進(jìn)行調(diào)整。為了防止行走平臺(tái)升降時(shí)支架擺動(dòng)量過大，導(dǎo)向槽單側(cè)間隙＜3.5 mm。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，單個(gè)螺旋推進(jìn)器動(dòng)作時(shí)，回液管路的壓力為 0～2 MPa；2 個(gè)螺旋推進(jìn)器同時(shí)動(dòng)作時(shí)，回液管路壓力增大，最大可達(dá) 6 MPa。為防止回液管路壓力增大引起液壓支架立柱和舉升千斤頂誤動(dòng)作，需要在液壓支架回液管路與乳化液馬達(dá)回液管路之間設(shè)置回液斷路閥，利用回液斷路閥使液壓支架回液管路與乳化液馬達(dá)回液管路分開，避免乳化液馬達(dá)動(dòng)作時(shí)支架誤動(dòng)作。

為防止螺旋推進(jìn)器誤動(dòng)作，在乳化液馬達(dá)端部設(shè)置制動(dòng)裝置。制動(dòng)裝置采用液壓止動(dòng)，利用交替單向閥進(jìn)行控制：乳化液馬達(dá)不動(dòng)作時(shí)，交替單向閥不向制動(dòng)裝置供液，制動(dòng)裝置處于鎖緊狀態(tài)；乳化液馬達(dá)動(dòng)作時(shí)，交替單向閥向制動(dòng)裝置供液，打開乳化液馬達(dá)制動(dòng)裝置，乳化液馬達(dá)根據(jù)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液壓支架行走動(dòng)作控制。交替單向閥的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，無(wú)論乳化液馬達(dá)左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，都能打開制動(dòng)裝置；而乳化液馬達(dá)不旋轉(zhuǎn)時(shí)，能夠有效地起到制動(dòng)作用。

3 應(yīng)用實(shí)例

2020 年在陽(yáng)煤集團(tuán)新元煤礦進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn) (見圖 8)，達(dá)到了預(yù)期效果?；匾簲嗦烽y有效地解決了支架和馬達(dá)回液管路隔離難題，乳化液馬達(dá)動(dòng)作時(shí)，支架沒有出現(xiàn)任何誤動(dòng)作現(xiàn)象。同步閥對(duì)左右馬達(dá)流量控制效果明顯，支架前進(jìn)、后退和平移時(shí)基本依照直線行走，在 1 個(gè)機(jī)身范圍內(nèi)，支架前移時(shí)的最大偏移量約為 14 mm。交替單向閥對(duì)乳化液馬達(dá)制動(dòng)效果較好，支架旋轉(zhuǎn)時(shí)，不需要旋轉(zhuǎn)的乳化馬達(dá)基本不轉(zhuǎn)動(dòng)，與其連接的螺旋推進(jìn)器主要進(jìn)行滑動(dòng)，支架轉(zhuǎn)動(dòng)效果比較理想。

圖8 超前支架現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.8 Field test for advanced support

4 結(jié)論

(1) 由于乳化液馬達(dá)流量較大，2 個(gè)馬達(dá)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，回液管路壓力較大，必須利用回液斷路閥將支架回液管路與乳化液馬達(dá)回液管路斷開，以免乳化液馬達(dá)動(dòng)作時(shí)，支架的立柱和千斤頂出現(xiàn)誤動(dòng)作。

(2) 超前支架前進(jìn)、后退時(shí)依直線行走的前提是左右螺旋推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速需要保持一致，因此必須采用同步閥對(duì)左、右螺旋推進(jìn)器進(jìn)行均衡供液，以減小超前支架前移或后退時(shí)的偏擺量。

(3) 為了防止螺旋推進(jìn)器誤動(dòng)作，乳化液馬達(dá)必須要有制動(dòng)裝置。乳化液馬達(dá)不動(dòng)作時(shí)，與其連接的螺旋推進(jìn)器處于鎖緊狀態(tài)；乳化液馬達(dá)動(dòng)作時(shí)，在壓力作用下打開制動(dòng)裝置，與其連接的螺旋推進(jìn)器可以左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。實(shí)踐證明，采用交替單向閥能夠較好地解決該問題。

全向行走式支架利用螺旋推進(jìn)器作為行走部，操作方便，只需控制左右螺旋推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，就可以實(shí)現(xiàn)超前支架前進(jìn)、后退、平移和旋轉(zhuǎn)全方位行走，較好地解決了超前支架全方位行走難題。