自動化鉆桿輸送設(shè)備液壓系統(tǒng)設(shè)計

申晟，余億坤

(廣州寶力特液壓技術(shù)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(dǎo)致煤礦事故的主要災(zāi)害，目前相應(yīng)災(zāi)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(jìn)行鉆孔施工。常規(guī)煤礦鉆機(jī)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(tài)下，一旦發(fā)生孔口瓦斯突出或者涌水事故，操作人員人身安全面臨嚴(yán)重威脅[5]。鉆車裝卸鉆桿大多由工人手動進(jìn)行，當(dāng)前一根鉆桿在鉆機(jī)的作用下鉆入巖層，然后工人將下一根鉆桿搬運(yùn)至鉆機(jī)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(fèi)勞動力，還增加了鉆孔的附加時間，鉆機(jī)的工作效率較低，對工人產(chǎn)生巨大的安全隱患[6-8]。為此，中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司成功研發(fā)出地面遠(yuǎn)距離自動控制鉆機(jī)[9-10]，該套鉆桿自動輸送系統(tǒng)仍存在工作范圍較小、工作過程中系統(tǒng)沖擊振動較大、鉆桿料倉小等問題，限制了鉆機(jī)的適用范圍，制約了機(jī)械手的響應(yīng)速度，影響了鉆桿輸送效率。因此，新的鉆桿輸送裝卸設(shè)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(shè)備液壓系統(tǒng)開展研究。針對新的自動鉆桿輸送裝卸設(shè)備，研制出適用于配套煤礦鉆機(jī)井下施工的鉆桿輸送機(jī)械手及自動輸送料倉的液壓系統(tǒng)。通過此研究不僅可以實現(xiàn)鉆桿自動化輸送，減少鉆孔施工人員數(shù)量，保障鉆孔施工安全，而且與國家和各地方政府要求煤機(jī)裝備智能化發(fā)展的方向相一致，所研究新產(chǎn)品可直接用于煤礦鉆機(jī)的鉆桿自動輸送領(lǐng)域。

1 自動化鉆桿輸送設(shè)備工作原理

1.1 自動化鉆桿輸送裝卸設(shè)備

自動化鉆桿輸送裝卸設(shè)備主要是將鉆桿從料倉放置到鉆機(jī)上。如圖1所示，鉆機(jī)1與鉆桿裝卸設(shè)備2同放在一臺履帶車上，鉆桿輸送設(shè)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(shè)備放在鉆桿裝卸設(shè)備的上料框位置上，鉆桿裝卸設(shè)備將鉆桿移入鉆機(jī)中，從而實現(xiàn)鉆桿的輸送和裝卸。由于鉆桿輸送設(shè)備上有機(jī)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(yīng)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(jī)連續(xù)高效率的運(yùn)行，有效減少工人的工作強(qiáng)度。

圖1 鉆桿輸送裝卸設(shè)備示意

1.2 自動化鉆桿輸送設(shè)備

如圖2所示，自動化鉆桿輸送設(shè)備由五軸機(jī)械臂1、中轉(zhuǎn)平臺2、龍門架3、鉆桿4以及鉆桿料倉5組成，并統(tǒng)一安裝在履帶車上跟隨鉆桿裝卸設(shè)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(zhuǎn)平臺，根據(jù)步進(jìn)梁的原理，中轉(zhuǎn)平臺依次將鉆桿輸送到機(jī)械臂夾持位置，機(jī)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(jī)械臂從鉆桿料框中夾持鉆桿到中轉(zhuǎn)平臺，中轉(zhuǎn)平臺將鉆桿步進(jìn)輸送，當(dāng)鉆桿達(dá)到預(yù)設(shè)桿數(shù)，龍門架將鉆桿放置到鉆桿料倉中，實現(xiàn)鉆桿的自動化輸送。

圖2 鉆桿輸送設(shè)備示意

2 鉆桿輸送設(shè)備液壓執(zhí)行元件

由于鉆桿輸送設(shè)備在煤礦井下運(yùn)行，為了實現(xiàn)防爆和節(jié)省空間，所有動作皆由液壓執(zhí)行元件驅(qū)動。

2.1 液壓執(zhí)行元件參數(shù)

根據(jù)鉆桿輸送設(shè)備的工作原理，考慮到機(jī)械安裝的空間大小和油缸的壓桿穩(wěn)定性，其主要執(zhí)行元件如表1所示。

表1 鉆桿輸送設(shè)備液壓執(zhí)行元件參數(shù)

2.2 液壓執(zhí)行元件計算

根據(jù)鉆桿輸送設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及執(zhí)行元件參數(shù)，通過動力學(xué)計算可知各執(zhí)行元件的負(fù)載和速度，從而可分別計算各動作所需要的壓力和流量?？紤]到此系統(tǒng)的油缸都是受壓狀態(tài)，因此油缸所需最大的壓力主要出現(xiàn)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(jìn)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(fù)載力(N)；D為活塞直徑(m)；d為活塞桿直徑(m)；ηm為機(jī)械效率，取0.9。

油缸運(yùn)行流量：

(2)

式中：q為油缸運(yùn)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(dá)的進(jìn)出口壓差：

(3)

式中：Δp為液壓馬達(dá)和擺動缸進(jìn)出口壓差(Pa)；T為液壓馬達(dá)或擺動缸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)；V為液壓馬達(dá)或擺動缸的排量(m3/r)。

擺動缸和馬達(dá)的流量：

(4)

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

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

3 鉆桿輸送設(shè)備液壓系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)鉆桿輸送設(shè)備的結(jié)構(gòu)，液壓系統(tǒng)分為3部分：泵站部分、機(jī)械臂部分和輔助部分。泵站部分主要為液壓系統(tǒng)提供油源，機(jī)械臂部分主要是控制機(jī)械臂的運(yùn)動，輔助部分主要是控制中轉(zhuǎn)平臺和龍門架。

3.1 液壓系統(tǒng)泵站部分原理

執(zhí)行元件確定完后，需要確定系統(tǒng)的壓力、流量和功率。由表2可知各執(zhí)行元件所需的最大壓力和流量，結(jié)合實際工況下需要多個執(zhí)行元件同時動作，出現(xiàn)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(dá)同時動作，因此將上述執(zhí)行元件最大流量相加可知系統(tǒng)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(tǒng)壓力為25 MPa。由此可知系統(tǒng)功率為

(5)

式中：W為電機(jī)功率(kW)；p為系統(tǒng)總壓力(MPa)；Q為油泵流量(L/min)；η為電機(jī)效率系數(shù)，取0.9。因此選取電機(jī)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(jī)械臂需要涉及到電液控制，為保證電液閥能夠有穩(wěn)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(chǎn)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(wěn)定。定量泵1因為靠溢流閥15溢流會發(fā)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(jī)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(jī)械臂的控制閥臺T1口和輔助裝置控制閥臺T2口的油導(dǎo)入油箱中。其元件各作用如表3所示。

表2 鉆桿輸送設(shè)備液壓執(zhí)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(tǒng)機(jī)械臂部分原理

如圖4所示，根據(jù)機(jī)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(zhí)行元件需要位移或角度控制，所以需要防爆比例閥實現(xiàn)模擬量的電液控制，因此需對比例閥進(jìn)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(tǒng)流通較小，初步選定最小規(guī)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(tǒng)供油壓力，取25 MPa；pmax為執(zhí)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(jī)械臂液壓原理

防爆比例閥在負(fù)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(guī)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(fù)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(jī)械臂液壓各元件作用如表4所示。

表4 機(jī)械臂液壓元件主要配置說明

3.3 液壓系統(tǒng)輔助部分原理

輔助原理主要是驅(qū)動除機(jī)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(dǎo)軌移動和鉆桿在中轉(zhuǎn)平臺的步進(jìn)動作，其液壓原理如圖5所示?？紤]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(yùn)行時主要采用鉆桿移載馬達(dá)提供動力，為保證龍門架能夠到達(dá)指定位置，將鉆桿移動到中轉(zhuǎn)平臺上方。馬達(dá)帶有剎車，由電磁球閥6控制，當(dāng)電磁球閥得電時，會向剎車裝置供油，剎車松開，馬達(dá)可正常運(yùn)行；電磁球閥失電時，剎車抱緊，馬達(dá)無法動作。防爆比例閥1主要控制馬達(dá)速度提前減速，保證馬達(dá)不會出現(xiàn)急剎。其余元件作用如表5所示。

3.4 樣機(jī)試驗

為驗證理論計算和實際應(yīng)用，參照設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計出樣機(jī)。樣機(jī)中去除了履帶車，保留了機(jī)械臂、中轉(zhuǎn)平臺、龍門架和鉆桿料倉，同時制作了鉆桿料框，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。經(jīng)過測試，自動化鉆桿輸送設(shè)備能在1 min內(nèi)將料倉中的單根鉆桿放置到鉆機(jī)料框中。

圖6 自動化鉆桿輸送設(shè)備樣機(jī)

4 結(jié)論

文中根據(jù)自動化鉆桿輸送設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，依據(jù)運(yùn)行過程中的理論載荷，設(shè)計出相配套的液壓系統(tǒng)。最終通過制作樣機(jī)驗證該液壓系統(tǒng)能夠適用于鉆桿輸送設(shè)備中，為它提供可靠的動力和精準(zhǔn)的動作控制。由于液壓系統(tǒng)具有緊湊的執(zhí)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(yè)，具有廣闊的市場空間。