錨桿鉆機液壓系統(tǒng)設計研究

尹繼仁

（晉能控股煤業(yè)集團有限公司四臺礦， 山西 大同 037003）

引言

錨桿鉆機作為錨桿支護過程中的主要配套設備，對地下開采支護的速度與質量影響十分巨大。在日常生產過程中，機載錨桿鉆機由于啟動、停止以及換向等操作較多，使得錨桿鉆機的液壓系統(tǒng)遭受震動沖擊頻次較高，液壓系統(tǒng)動作不協(xié)調、噪聲等故障發(fā)生頻繁。經分析，主要原因為傳統(tǒng)的錨桿鉆機液壓系統(tǒng)設計技術較為落后，已無法適應生產要求。針對這一現(xiàn)象，本文對錨桿鉆機的液壓系統(tǒng)進行優(yōu)化設計研究，通過優(yōu)化錨桿鉆機液壓系統(tǒng)性能，提升錨桿鉆機運行穩(wěn)定性，保證企業(yè)的安全高效生產。

1 錨桿鉆機運動過程分析

錨桿鉆機的運動主要分為打頂部錨桿孔與打側幫錨桿孔兩部分。掘進機切割巷道一段距離后，會縮回截割頭，掘進機將開動前進到下一個掘進位置，將掘進機的截割臂停止于巷道中心線位置，即可開始打頂部錨桿孔。首先，控制伸縮液壓缸使錨桿鉆機向截割頭方向伸出，再控制翻轉油缸使錨桿機豎直，然后人工將錨網放置在錨桿機支護架上，啟動支護油缸，使支護裝置升高并使錨網升高至巷道頂部，此時，巷道的支護主要依靠支護裝置。支護架上的錨桿機隨支護裝置一同上升，達到指定位置后啟動馬達與推進油缸，鉆孔操作開始。當推進油缸行駛到行程極限后，油缸縮回，退出錨桿。若此時的錨桿孔無法達到錨桿支護設計要求時，人工進行錨桿鉆桿接入，然后按上述鉆孔步驟重新操作，直至符合要求。鉆孔完畢后，移動伸縮油缸位置，進行下一個鉆孔的施工。

側幫錨桿孔鉆孔過程與頂錨桿孔鉆孔過程前幾步類似，控制伸縮液壓缸使錨桿機伸出，再控制翻轉油缸使錨桿機豎直。這時，側幫錨桿孔鉆孔需啟動側翻液壓缸，將錨桿鉆機調節(jié)為側幫錨桿支護所需角度，然后再按頂錨桿孔鉆孔步驟進行。完成上述步驟后，縮回各液壓缸，完成頂錨桿孔鉆孔過程[1-3]。

2 錨桿鉆機液壓系統(tǒng)設計

2.1 錨桿鉆機液壓系統(tǒng)結構設計

液壓系統(tǒng)設計主要包含的部件包括手動換向閥、三球通閥、分流集流閥、伸縮液壓缸、液壓鎖、側翻液壓缸、翻轉液壓缸、支護液壓缸、液壓馬達以及雙倍程進給液壓缸。本文以EBZ-160 型掘進機為研究對象進行設計。EBZ-160 型掘進機的機載錨桿鉆機液壓系統(tǒng)按油路進行設計可分為馬達連接油路設計與液壓缸連接油路設計兩部分。

馬達連接油路主要是通過分流集流閥、手動換向閥以及三通球閥與EBZ-160 型掘進機的一運馬達油路相連接的，其原理示意圖如圖1 所示。其中，三通球閥的主要作用為換向，當三通球閥處于右側位置時，分流集流閥將與一運馬達管路接通，左側位置則斷開。分流集流閥的主要作用為分流，當分流集流閥聯(lián)通時，分流集流閥可對油液分流，使油液同時進入兩個馬達，對兩個馬達起到供油作用。同時，也可起到一定的流量調節(jié)作用。手動換向閥的作用為對馬達進行換向操作。

圖1 液壓馬達原理示意圖

液壓缸的連接油路包括支護液壓缸連接油路設計、翻轉液壓缸連接油路設計以及雙行程推進液壓缸連接油路設計三部分。其中，由于伸縮液壓缸以及側翻液壓缸與翻轉液壓缸油路相同。支護液壓缸連接油路如圖2-1 所示，翻轉液壓缸連接油路如圖2-2 所示，雙行程推進液壓缸連接油路如圖2-3 所示。

圖2 液壓缸的連接油路設計示意圖

支護液壓缸的主要作用為將對巷道進行臨時支護的支護架推至巷道頂部。若巖石發(fā)生松動或脫落等現(xiàn)象，會使液壓缸發(fā)生縮回，從而導致意外事故的發(fā)生，故本文進行了液壓鎖設置，防止事故的發(fā)生。

翻轉液壓缸油路采用了手動換向閥與平衡閥設計。平衡閥的作用為對翻轉液壓缸進行背壓建立，提高液壓缸的工作穩(wěn)定性。手動換向閥主要進行翻轉液壓缸伸出與縮回的調節(jié)作用。

雙倍程推進液壓缸主要是對鉆機馬達進行推進作用，與三位六通換向閥直接連接即可[4-6]。

2.2 液壓缸參數(shù)確定與選型

2.2.1 液壓缸行程

液壓缸行程參數(shù)的確定包括伸縮液壓缸行程、雙倍程液壓缸行程、翻轉液壓缸行程以及支護液壓缸行程四部分。其中，伸縮液壓缸行程主要與掘進機截割頭伸縮距離有關，需使錨桿鉆機與截割臂工作互不干涉。EBZ-160 型掘進機截割頭伸縮距離為500 mm，經綜合分析伸縮液壓缸行程設定為800 mm；雙倍程液壓缸的行程主要與一次成孔深度有關，其數(shù)值應為成孔深度的一半，實際成孔深度要求為1400 mm，故選取雙倍程液壓缸行程為700 mm；翻轉液壓缸的主要作用為對錨桿鉆機進行翻轉，其行程計算原理圖如圖3-1 所示。巷道高為4.8 m 時，翻轉液壓缸所需轉角最大，為防止翻轉油缸與伸縮滑板干涉，取翻轉角度為115°，則翻轉液壓缸行程為OB-OA=750 mm；支護液壓缸的行程與巷道高度有關，當巷道高度為4800 mm 時，其計算原理圖如圖3-2 所示。截割臂與水平面夾角為25°，翻轉液壓缸角度為115°，伸縮液壓缸行程為800 mm，通過計算則b=800 mm；當巷道高為2400 mm 時，其計算原理圖如圖3-3 所示。截割頭與水平夾角為15°，為防止鉆機與頂棚的干涉，應使支護裝置縮回一段距離。經計算，該縮回行程為300 mm。故支護液壓缸行程為平衡位置伸出800 mm，縮回300 mm。

圖3 液壓缸行程計算原理圖

2.2.2 液壓缸穩(wěn)定性計算

由于活塞桿與導向套、缸壁之間的間隙以及設備負載偏心、自重等因素，液壓缸在壓縮狀態(tài)會產生縱向彎曲現(xiàn)象，故液壓缸在實際工作中需滿足受壓狀態(tài)下的穩(wěn)定性要求。

液壓缸的實際壓縮載荷與極限載荷的關系式為：

式中：nk為安全系數(shù)，通常取3；F 為液壓缸實際壓縮載荷，經分析，F(xiàn)=75000 N；Fk為液壓缸極限載荷。則液壓缸極限載荷最小應為Fk=225000 N。

3 液壓系統(tǒng)測試

按上述設計方案對錨桿鉆機液壓系統(tǒng)進行設計研究并應用于實際生產后發(fā)現(xiàn)，錨桿鉆機液壓系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠。應用于某煤礦實際生產1 年內未發(fā)生動作不協(xié)調、噪聲等故障現(xiàn)象，符合液壓系統(tǒng)設計要求，可應用于實際生產之中[7-10]。

4 結論

錨桿鉆機是巷道錨桿支護的主要配套設備，對錨桿支護效果的好壞影響巨大。隨著煤炭開采環(huán)境的日益復雜，傳統(tǒng)的錨桿鉆機液壓系統(tǒng)性能已無法滿足實際的生產需求。針對這一現(xiàn)象，本文對錨桿鉆機的液壓系統(tǒng)進行了針對性的設計研究，通過分析得出了以下結論：

1）錨桿鉆機液壓系統(tǒng)故障頻發(fā)的主要原因為液壓系統(tǒng)設計技術較為落后，需進行改進設計。

2）按上述方案完成錨桿鉆機液壓系統(tǒng)設計并應用于實際后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，1年內未發(fā)生噪聲與動作不協(xié)調等故障，液壓系統(tǒng)性能得到了提升。