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全向行走超前支架控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

2021-10-25 07:18:52徐亞軍張德生孫春廣黃園月
礦山機(jī)械 2021年10期
關(guān)鍵詞:乳化液推進(jìn)器馬達(dá)

徐亞軍,張德生,孫春廣,黃園月

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

2煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(xiàn)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(mǎn)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(jiàn)圖 1) 由全向行走部 (見(jiàn)圖2) 和單元式超前支架 (見(jiàn)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(guò)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(guò) 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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(guò)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(kāi)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(chē)?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(guò)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(kāi),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(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(méi)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(xiàn)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(kāi),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(xiàn)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(kāi)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(wèn)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。

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