煤礦井下坑道鉆機(jī)自動(dòng)卸桿裝置研究

＊寧建東

（山西沁新煤業(yè)有限公司 山西 046500）

鉆機(jī)為煤礦開采作業(yè)中重要的鉆探設(shè)備，過去因?yàn)榧夹g(shù)手段落后，使用鉆機(jī)設(shè)備通常具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，操作不當(dāng)會(huì)引發(fā)安全隱患。為了保證作業(yè)生產(chǎn)安全，設(shè)計(jì)更加適合煤礦井下坑道的鉆機(jī)自動(dòng)卸桿裝置就非常有必要。在設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了智能鉆機(jī)自動(dòng)卸桿功能，自動(dòng)卸桿裝置系統(tǒng)中包括硬件系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)借助智能控制器，全面收集作業(yè)中各種形式信號(hào)，從而調(diào)整脈寬，及時(shí)驅(qū)動(dòng)電磁閥，進(jìn)而調(diào)節(jié)油缸自身的伸縮速度?？刂破鹘邮丈炜s長度信號(hào)之后，會(huì)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，完成整個(gè)自動(dòng)卸桿裝置操作流程。系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)之后應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，運(yùn)用智能控制器就可以進(jìn)行鉆機(jī)調(diào)控，滿足各種作業(yè)環(huán)境要求，鉆孔工作更加高效、可靠，鉆孔質(zhì)量也符合安全生產(chǎn)要求，實(shí)現(xiàn)了向自動(dòng)化操作的過渡。

1.背景分析

煤炭是社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展重要能源，但是開采過程中，容易發(fā)生各種安全事故。為此推動(dòng)煤炭安全生產(chǎn)就尤為關(guān)鍵，可以為社會(huì)生產(chǎn)提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)[1]。而采用井下鉆孔可以有效防止瓦斯、水害等災(zāi)害的發(fā)生，為煤礦生產(chǎn)高效開展提供了必要的保障。當(dāng)下我國煤礦開采使用的鉆機(jī)有很多類型，如高轉(zhuǎn)速鉆機(jī)、套管鉆機(jī)、多變福鉆機(jī)、大功率定向鉆機(jī)等。然而鉆探設(shè)備自動(dòng)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(yè)，降低了鉆孔效率，且耗費(fèi)的人力資源相對(duì)較多，增加了施工中的安全隱患。就目前我國煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，主要是向集約化方向發(fā)展，應(yīng)該重點(diǎn)做好技術(shù)研發(fā)工作，促進(jìn)鉆孔自動(dòng)卸桿裝置研究，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉆孔施工，提升作業(yè)質(zhì)量。

2.裝置需求

自動(dòng)卸桿裝置需要與鉆機(jī)配合實(shí)現(xiàn)鉆桿裝卸，在這個(gè)過程中不能影響鉆井作業(yè)，所以應(yīng)保證卸桿裝置具備豐富的工作狀態(tài)以及位置。原有的煤礦坑道鉆機(jī)卸桿裝置有優(yōu)勢、有不足，其中優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在能夠滿足煤礦坑道生產(chǎn)發(fā)展需求，結(jié)構(gòu)緊湊，可以根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是也有顯著的不足，表現(xiàn)為需要人工進(jìn)行調(diào)節(jié)，在煤礦這樣的環(huán)境下，容易發(fā)生危險(xiǎn)，且靈活性不是很強(qiáng)，不能滿足當(dāng)下生產(chǎn)發(fā)展需求。對(duì)此，為了提高生產(chǎn)發(fā)展效率，就應(yīng)該重點(diǎn)做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研發(fā)自動(dòng)卸桿裝置，提高生產(chǎn)效率。通常情況下卸桿裝置應(yīng)包括運(yùn)輸、裝卸、等待等各種狀態(tài)，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝卸，在設(shè)計(jì)中需要充分利用空間，控制鉆機(jī)整體尺寸，確保全面維護(hù)鉆機(jī)系統(tǒng)，使各項(xiàng)功能得以發(fā)揮。在設(shè)計(jì)自動(dòng)卸桿裝置時(shí)，應(yīng)該在保證發(fā)揮各項(xiàng)功能的同時(shí)，使整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加緊湊，同時(shí)還能給控制系統(tǒng)各硬件設(shè)置留下必要的安裝空間，這樣整個(gè)鉆機(jī)部件布置才會(huì)更加合理。鉆機(jī)主要應(yīng)用了整體式履帶結(jié)構(gòu)，自動(dòng)換桿裝置使用傳感器檢測鉆機(jī)動(dòng)力頭位置以及鉆機(jī)夾持器，可以掌握鉆機(jī)工作情況，保證自動(dòng)卸桿工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jī)狀態(tài)。第二，掌握鉆機(jī)動(dòng)力頭與機(jī)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(jī)當(dāng)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(duì)鉆機(jī)夾持動(dòng)作進(jìn)行檢測，保證夾持手可以與鉆機(jī)夾持器鉆桿之間實(shí)現(xiàn)高效傳遞，確保自動(dòng)裝卸功能實(shí)現(xiàn)，為順利開展鉆孔工作提供保障。

3.鉆機(jī)自動(dòng)卸桿裝置設(shè)計(jì)

結(jié)合鉆機(jī)自動(dòng)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(jī)鉆孔要求，設(shè)計(jì)內(nèi)容具體如下：

（1）硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。自動(dòng)卸桿裝置需要使用智能控制器，充分發(fā)揮電液控制系統(tǒng)功能，正逐步得到推廣。當(dāng)下這種控制器相比于傳統(tǒng)的PLC控制器，在計(jì)算能力方面更加突出，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)卸桿智能化控制計(jì)算，整體驅(qū)動(dòng)能力得到改進(jìn)，同時(shí)因?yàn)椴恍枰^電器配合，因此可以獲得較大電流，控制電磁閥，驅(qū)動(dòng)其可以正常發(fā)揮功能。為了使用靈活便捷，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該保證結(jié)構(gòu)緊湊，且可以設(shè)置一定數(shù)量的硬件接口，實(shí)現(xiàn)各種施工環(huán)境下自由卸桿，使鉆孔工作可以正常進(jìn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用了智能控制器，可以實(shí)現(xiàn)隔爆功能，在電氣隔離保護(hù)設(shè)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(yīng)性良好，在應(yīng)用過程中，不會(huì)產(chǎn)生較大的功耗，其設(shè)計(jì)模式也可以應(yīng)用于其他設(shè)備電液控制設(shè)計(jì)中。對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要是將智能控制器作為設(shè)計(jì)的主要核心部分，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了換桿裝置控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 換桿裝置控制系統(tǒng)

圖1中換桿裝置包括5組油缸以及與此對(duì)應(yīng)的電磁閥，其主要功能就是進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。同時(shí)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(gè)控制系統(tǒng)中，將智能控制器作為自動(dòng)卸桿裝置核心驅(qū)動(dòng)。在計(jì)算機(jī)終端設(shè)備中，直接輸入PWM信號(hào)以及開關(guān)信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁閥的驅(qū)動(dòng)。使用PWM信號(hào)，能夠有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(gè)油缸的伸縮情況。在系統(tǒng)中磁致位移傳感器可以將自動(dòng)卸桿伸縮長度信號(hào)直接上傳到控制器中，最后在系統(tǒng)中會(huì)形成一個(gè)針對(duì)油缸伸縮位置的閉環(huán)控制系統(tǒng)，使各項(xiàng)操作措施能夠充分發(fā)揮出來。傳感器可以監(jiān)測鉆機(jī)工作狀態(tài)，在控制器中輸出模擬量，控制器可以掌握鉆機(jī)工作狀態(tài)，并依據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的邏輯計(jì)算，最后全面把握鉆機(jī)的工作情況?？刂破骼肅AN總線，可以實(shí)現(xiàn)與遙控器之間的雙向通信，在接收到信號(hào)之后，可以將操作指令傳輸給控制器，當(dāng)遙控器接收到工作狀態(tài)以及故障信息之后，將其展示給操作人員，并對(duì)其開展相應(yīng)的操作，從而發(fā)揮自動(dòng)卸桿各項(xiàng)功能。

（2）給進(jìn)裝置、自動(dòng)上下桿裝置設(shè)計(jì)。給進(jìn)裝置需要精準(zhǔn)把握開孔、鉆進(jìn)狀態(tài)，由給進(jìn)油缸、連接架、后頂裝置等多個(gè)部分組合而成，其中給進(jìn)油缸選擇的是單根單桿雙作用油缸，并在油缸中設(shè)置了位移標(biāo)準(zhǔn)，能夠準(zhǔn)確掌握油缸所處的具體位置。在給進(jìn)油缸中，主要包括活塞桿與托板，且在缸體之上還有耳環(huán)與整個(gè)機(jī)身相互固定，這樣在油缸進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)之后，就可以帶動(dòng)托板順著機(jī)身實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌移動(dòng)，保證回轉(zhuǎn)器正常移動(dòng)，穩(wěn)定性更好[3]。機(jī)身在與連接架之間相互連接時(shí)，主要是使用螺栓實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)連接架應(yīng)該與左右調(diào)角裝置相連接，可以借助液驅(qū)回轉(zhuǎn)支撐，實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并運(yùn)用給進(jìn)裝置，保證角度調(diào)整的合理性。在機(jī)身下側(cè)還裝置了傾角傳感器，能夠顯示裝置機(jī)身工作狀態(tài)下的角度，并可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。在整個(gè)裝置左側(cè)還安裝了開關(guān)組件，可以準(zhǔn)確判定機(jī)械手位置是否正確，并給予必要的加卸桿操作。在整個(gè)機(jī)身后面還設(shè)置了后頂裝置，其功能就是調(diào)整好機(jī)身的整體姿態(tài)，起到良好的穩(wěn)固作用，保證鉆機(jī)過程機(jī)身平穩(wěn)。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)卸桿裝置

圖2自動(dòng)上下桿是鉆桿實(shí)現(xiàn)自由裝卸的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要包括鉆桿托架、機(jī)械手總成、回轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)托板可以使托板實(shí)現(xiàn)向下傾斜的目標(biāo)。在自動(dòng)卸鉆環(huán)節(jié)，鉆桿可以實(shí)現(xiàn)自由下落，保證了鉆桿的使用效率。機(jī)械手總成借助右側(cè)轉(zhuǎn)支撐，可以和左調(diào)角裝置之間相互聯(lián)系起來，這樣整個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)了四聯(lián)電磁手動(dòng)換向閥的控制，保證了鉆桿實(shí)現(xiàn)連續(xù)的裝卸，滿足復(fù)雜煤炭生產(chǎn)環(huán)境需求，確保在各種復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)操作。

（3）軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)功能發(fā)揮，還需要設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。在本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用了CoDeSys V3PLC軟件編程平臺(tái)開發(fā)，在這個(gè)平臺(tái)上具有完善的程序編輯器以及調(diào)試器功能，可以實(shí)現(xiàn)各種編程語言的編輯工作。在設(shè)計(jì)自動(dòng)卸桿裝置控制程序時(shí)，應(yīng)該結(jié)合鉆機(jī)工作狀態(tài)、工作環(huán)境以及各種動(dòng)作，進(jìn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)，明確動(dòng)作互鎖關(guān)系。例如，鉆機(jī)在鉆孔中進(jìn)行動(dòng)力頭動(dòng)作時(shí)，自動(dòng)卸桿中換桿裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)，避免發(fā)生不必要的碰撞。同時(shí)因?yàn)殂@孔會(huì)有各種差異化的動(dòng)作，工作狀態(tài)自然也是不同的，先進(jìn)行什么狀態(tài)、后進(jìn)行什么狀態(tài)需要確定優(yōu)先級(jí)，這樣才能保證鉆孔動(dòng)作安全水平。先進(jìn)行軟件部分設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合自動(dòng)卸桿裝置完成軟件部分的設(shè)計(jì)。

（4）雙向通信設(shè)計(jì)。煤礦井下坑道鉆機(jī)自動(dòng)卸桿裝置需要進(jìn)行雙向通信設(shè)計(jì)，雙向通信即在控制器與遙控器之間實(shí)現(xiàn)通信，通信媒介利用了CAN總線實(shí)現(xiàn)，并借助遙控器實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。就遙控器來說需要具備顯示功能，控制器依據(jù)自動(dòng)卸桿裝置工作狀態(tài)信息，可以將其傳輸?shù)竭b控器上，并顯示出來，包括的狀態(tài)主要有換桿機(jī)構(gòu)狀態(tài)、鉆機(jī)工作狀態(tài)以及鉆桿數(shù)量統(tǒng)計(jì)。但是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)顯示異常信號(hào)，并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息，展示報(bào)警狀態(tài)。

4.裝置應(yīng)用

因?yàn)榻M件自動(dòng)卸桿裝置具有非常顯著的特殊性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該保證鉆機(jī)狀態(tài)具備實(shí)時(shí)顯示功能，這樣才能更加高效地控制鉆孔情況。鉆機(jī)狀態(tài)參數(shù)能夠借助軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器中接收到鉆機(jī)工作中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并借助計(jì)算機(jī)顯示出鉆機(jī)的工作運(yùn)行狀態(tài)，例如，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)壓力、轉(zhuǎn)速、鉆機(jī)方位角等信息。利用顯示軟件可以接收鉆頭處信號(hào)，先對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，最后實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)。利用控制系統(tǒng)，收集到不同鉆進(jìn)參數(shù)之后，將這些信息轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，最后將其編制成自動(dòng)卸桿裝置控制程序，在作業(yè)環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸桿操作，提高了系統(tǒng)運(yùn)作的綜合效率。

因?yàn)樽詣?dòng)卸桿裝置具有鮮明的特征，在設(shè)計(jì)完成之后，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，檢測設(shè)計(jì)效果，各項(xiàng)功能是否可以正常發(fā)揮。在應(yīng)用時(shí)首先選擇試驗(yàn)坑道，選擇好場地之后，在土層中開展鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)土層主要是黃土，在遇到水分之后，黏性較大，很難鉆進(jìn)，所以需要借助空氣實(shí)現(xiàn)鉆孔。需要使用到空壓機(jī)、配套鉆具、外平鉆桿以及鉆頭。在作業(yè)中共計(jì)鉆孔12個(gè)，平均孔深度可以達(dá)到30.5m。在作業(yè)中自動(dòng)卸桿在軟件系統(tǒng)以及硬件系統(tǒng)共同控制之下，完成了作業(yè)活動(dòng)，尤其是在作業(yè)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜的地域，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)，在預(yù)定的時(shí)間范圍內(nèi)完成了作業(yè)活動(dòng)，且孔的綜合質(zhì)量都能滿足生產(chǎn)作業(yè)要求，說明本次鉆機(jī)自動(dòng)卸桿裝置設(shè)計(jì)符合生產(chǎn)作業(yè)需求，各部分設(shè)計(jì)合理，且工作過程中穩(wěn)定可靠。在使用系統(tǒng)時(shí)，按下控制鍵之后，便能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)卸桿功能，替代了傳統(tǒng)人工進(jìn)行替換的目標(biāo)。尤其是對(duì)于一些復(fù)雜的施工環(huán)境，不再需要人力資源進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，為開展鉆孔工作提供了必要的設(shè)備保障。

5.總結(jié)

綜上所述，本文圍繞煤礦井下坑道鉆機(jī)自動(dòng)卸桿裝置進(jìn)行了分析，可以看出當(dāng)下隨著技術(shù)手段的飛速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸桿裝置功能提供了必要的條件。這種裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)用了計(jì)算機(jī)信息技術(shù)手段，通過選用恰當(dāng)?shù)挠布O(shè)備以及軟件系統(tǒng)，可以借助智能控制器操作自動(dòng)卸桿裝置，這樣在坑道鉆孔作業(yè)時(shí)，使用系統(tǒng)就能進(jìn)行自由卸桿工作，克服了各種困難環(huán)境下鉆孔出現(xiàn)的各種問題，保障了作業(yè)的整體質(zhì)量和水平，為安全開展煤炭開采工作提供了基礎(chǔ)條件，需要在未來發(fā)展中充分利用好這一技術(shù)手段，從而保障煤炭開采工作順利進(jìn)行。