丁永成

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司,太原 030006)

隨著國(guó)內(nèi)外科技的發(fā)展,井下煤礦所使用的設(shè)備種類及功能日益豐富,并且針對(duì)不同的煤層地質(zhì)條件,所采用的開采工藝及煤機(jī)產(chǎn)品也不盡相同。同時(shí),國(guó)內(nèi)外煤礦也逐漸開始注重煤機(jī)產(chǎn)品的節(jié)能環(huán)保、數(shù)字化、智能化等方面的性能,其中煤機(jī)數(shù)字化、智能化是國(guó)內(nèi)外煤機(jī)產(chǎn)品今后主要的發(fā)展趨勢(shì)[1],這就對(duì)煤機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了更高的要求。神華集團(tuán)[2]、陜煤集團(tuán)等煤炭集團(tuán)均對(duì)錨桿鉆車、掘錨機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等煤機(jī)產(chǎn)品提出了降低人工錨桿支護(hù)工作強(qiáng)度、提高錨桿支護(hù)安全性與支護(hù)效率、減少錨護(hù)操作人員的要求,并且煤礦逐步向智能化、自動(dòng)化、綠色開采方向發(fā)展。在此發(fā)展背景下,錨桿鉆車為適應(yīng)不同巷道條件下的工況,在滿足自動(dòng)化錨鉆的同時(shí)節(jié)省空間,逐漸向小型化、自動(dòng)化、智能化趨勢(shì)發(fā)展。以兩臂錨桿鉆車[3]為例,介紹的錨護(hù)大臂錨鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置合理,集成度高,穩(wěn)定性好,并且搭載電液控制系統(tǒng)及健康診斷監(jiān)控系統(tǒng),適應(yīng)性強(qiáng),減時(shí)省力,能夠滿足今后煤機(jī)產(chǎn)品智能化發(fā)展的要求。

1 錨鉆結(jié)構(gòu)姿態(tài)分析

錨護(hù)大臂結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括鉸接座、大臂伸縮套筒、舉升油缸、站人平臺(tái)、升降套筒以及鉆架等。采用模塊化設(shè)計(jì),左右對(duì)稱,具有多自由度、高集成度,能夠?qū)崿F(xiàn)錨護(hù)大臂的前后左右傾斜擺動(dòng)、兩級(jí)伸縮功能、錨護(hù)鉆架多角度自由旋轉(zhuǎn)、內(nèi)側(cè)站人平臺(tái)高度調(diào)節(jié)等多種動(dòng)作。在錨護(hù)大臂的前端鉸接座上依次連接有左右擺動(dòng)馬達(dá)、水平擺動(dòng)馬達(dá),通過(guò)這兩個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)可實(shí)現(xiàn)錨護(hù)鉆架任意角度的旋轉(zhuǎn)和舉升動(dòng)作。為保證錨護(hù)作業(yè)時(shí)的安全性及操作舒適性,在鉆架上還裝有自動(dòng)夾釬機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾釬和護(hù)釬動(dòng)作,錨護(hù)工人在作業(yè)時(shí)僅僅需要將錨桿或錨索旋轉(zhuǎn)放入鉆箱頂部的鉆套中,隨后在電液操作箱上操作電液控面板自動(dòng)進(jìn)給按鈕,即可將錨桿或錨索打入對(duì)應(yīng)的頂部或者側(cè)幫工作面。在這一過(guò)程中,由于工人站在站人平臺(tái)上,距離錨桿等較近,在鉆架頂端安裝的自動(dòng)夾釬機(jī)此時(shí)能夠起到很好的穩(wěn)釬作用,從而保證作業(yè)人員的安全及操作舒適性。

該錨鉆結(jié)構(gòu)主要可實(shí)現(xiàn)頂部錨桿及側(cè)幫錨桿的支護(hù)。當(dāng)進(jìn)行頂錨支護(hù)時(shí),通過(guò)操作按鈕使得兩個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn),進(jìn)而調(diào)節(jié)鉆架角度,將鉆架調(diào)整對(duì)準(zhǔn)頂幫,再通過(guò)內(nèi)外舉升油缸實(shí)現(xiàn)在豎直方向上一定范圍內(nèi)的移動(dòng),水平方向上0°～45°范圍內(nèi)的擺動(dòng)。

大臂上還具有鉆架補(bǔ)償套筒,可在500 mm范圍內(nèi)延伸,提高了作業(yè)面的工作范圍。在進(jìn)行側(cè)幫錨桿支護(hù)時(shí),將鉆架調(diào)整到水平放置,對(duì)準(zhǔn)側(cè)幫工作面,通過(guò)內(nèi)外擺動(dòng)油缸在上下方向?qū)崿F(xiàn)-8°～40°的移動(dòng),水平方向上實(shí)現(xiàn)0°～45°范圍內(nèi)的擺動(dòng)調(diào)整。根據(jù)其工作特點(diǎn),該錨護(hù)大臂能夠?qū)崿F(xiàn)從側(cè)幫最底部到頂部的錨桿支護(hù),且滿足拱形巷道和矩形巷道的使用條件,錨護(hù)覆蓋范圍大。

2 不同工作狀態(tài)下錨鉆結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

現(xiàn)以雙臂錨桿鉆車為載體,采用adams對(duì)其在不同工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.1 輸入模型描述及參數(shù)設(shè)置

輸入后的模型以及參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

圖2 輸入模型及參數(shù)設(shè)置

2.2 邊界條件

車在底盤上建立如圖3中的A—H個(gè)點(diǎn),其中A—D點(diǎn)代表前后穩(wěn)定油缸穩(wěn)定靴接地點(diǎn),E—F點(diǎn)代表左右側(cè)履帶接地長(zhǎng)度4個(gè)邊緣點(diǎn),O點(diǎn)代表履帶架及其附屬機(jī)構(gòu)中心點(diǎn),將A—H的8個(gè)點(diǎn)和O點(diǎn)固連為一體。在重心點(diǎn)O處施加整機(jī)重力181.3 kN,在8個(gè)支撐點(diǎn)施加bushing,模擬支撐反力。在伸縮臂前端鉆架重心點(diǎn)處施加18.13 kN的鉆架自重力。在油缸與底座,底座與底盤,油缸與底盤之間分別施加轉(zhuǎn)動(dòng)副。在油缸筒和桿之間、內(nèi)外套筒之間施加平移副。

圖3 模擬接地點(diǎn)

1)模擬履帶接地:令A(yù)—D點(diǎn)失效,E—F點(diǎn)上的bushing支撐有效;

2)模擬前后支撐油缸撐地:令E—F點(diǎn)失效,點(diǎn)A—D上的bushing支撐有效;

3)模擬打頂錨:在鉆架鉆箱作用點(diǎn)上施加17.64 kN的豎直向下的外力;

4)模擬打側(cè)錨:當(dāng)單側(cè)大臂舉升擺角為55°時(shí),在鉆架鉆箱作用點(diǎn)上施加垂直整機(jī)側(cè)面向里的外力17.64 kN。

2.3 結(jié)果分析

1)無(wú)前后支撐,大臂最高打側(cè)幫(圖4)時(shí),整機(jī)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖4 大臂最高打側(cè)幫狀態(tài)(無(wú)前后支撐)

表1 無(wú)前后支撐時(shí)的整機(jī)穩(wěn)定性

2)有前后支撐,大臂最高打側(cè)幫(圖5)時(shí),整機(jī)穩(wěn)定性,測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖5 大臂最高打側(cè)幫狀態(tài)(有前后支撐)

表2 有前后支撐時(shí)的整機(jī)穩(wěn)定性

通過(guò)分析可以得出,當(dāng)錨護(hù)大臂在兩臂錨桿鉆車上安裝時(shí)具有良好的穩(wěn)定性,不會(huì)發(fā)生前傾翻車等事故。

3 錨護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

通過(guò)有限元分析軟件COSMOSWorks 2004,根據(jù)虛擬樣機(jī)ADAMS 12.0所求出的各主要結(jié)構(gòu)件的受力情況進(jìn)行有限元分析[4],計(jì)算出錨護(hù)大臂各處的應(yīng)力。三維模型是按照實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行建模生成的,在分析過(guò)程中對(duì)分析精度影響不大的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化,焊縫處也做了簡(jiǎn)化處理。在設(shè)計(jì)中實(shí)際使用的材料為16Mn和Q550。施加載荷機(jī)架的受力填加在大臂鉸接座底部,施加約束以及載荷過(guò)程省略,分析結(jié)果如圖6所示。

(a)錨護(hù)大臂整體應(yīng)力

根據(jù)圖6中錨護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果可知,錨護(hù)結(jié)構(gòu)上各個(gè)零件的應(yīng)力值均在安全范圍內(nèi),該錨護(hù)大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

4 錨護(hù)電液控制系統(tǒng)

錨護(hù)大臂電液控制系統(tǒng)主要包括控制箱、遙控器、接收機(jī)、電液操作箱以及轉(zhuǎn)速、壓力、位移傳感器等主要原部件[5]。在電液操作箱上集成有相應(yīng)的防爆電液比例閥等操作閥塊,工人可通過(guò)操作箱上的電液控制面板按鈕進(jìn)行錨護(hù)作業(yè),可單獨(dú)進(jìn)給、錨鉆動(dòng)作,也可實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)進(jìn)給動(dòng)作。當(dāng)煤巷工作條件較為惡劣時(shí),也可以通過(guò)遙控器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作,放置在錨護(hù)臂外套筒上的接收機(jī)可以接收到電信號(hào),進(jìn)而控制錨護(hù)大臂進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。錨護(hù)大臂電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和系統(tǒng)原理分別如圖7和圖8所示。轉(zhuǎn)速、壓力、位移傳感器則放置在對(duì)應(yīng)的位置,進(jìn)行錨護(hù)大臂馬達(dá)、鉆箱、舉升油缸等各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集,再通過(guò)采集到的數(shù)據(jù)分析得出實(shí)際工況,從而反饋給系統(tǒng),并設(shè)置合理的位移、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù),高效地完成錨護(hù)大臂在工作面的錨桿支護(hù)作業(yè)。

圖7 錨護(hù)大臂電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖8 錨護(hù)大臂電液控制系統(tǒng)原理圖

同時(shí)該錨護(hù)大臂還搭載健康診斷功能[6],用來(lái)實(shí)現(xiàn)錨桿鉆臂運(yùn)行中的故障檢測(cè)、故障類型判斷、故障定位及故障恢復(fù)等。健康診斷系統(tǒng)保證了故障檢測(cè)的及時(shí)性、魯棒性和自適應(yīng)能力以及故障辨識(shí)、分離能力。搭建錨鉆系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái),根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)及分析開發(fā)了故障診斷算法軟件,通過(guò)防爆監(jiān)測(cè)主機(jī)實(shí)時(shí)地顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障診斷結(jié)果。防爆監(jiān)測(cè)主機(jī)如圖9所示。

圖9 錨護(hù)大臂電液控制監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了如下功能:具有故障實(shí)時(shí)智能診斷分析功能,實(shí)現(xiàn)故障準(zhǔn)確定位與維修指導(dǎo);故障程度、類別可視化直觀顯示,系統(tǒng)可實(shí)時(shí)直觀顯示設(shè)備故障等級(jí),其中故障等級(jí)按照以往常見故障[7]經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分類;預(yù)警報(bào)警功能,實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)報(bào)警與診斷報(bào)告自動(dòng)生成,能動(dòng)態(tài)地顯示門限值、故障報(bào)警,工作人員可隨時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),發(fā)生超限、故障時(shí),系統(tǒng)能發(fā)出聲音報(bào)警;全壽命周期跟蹤分析功能,通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息,實(shí)現(xiàn)設(shè)備全壽命周期運(yùn)行狀態(tài)分析。

5 結(jié)論

在日益緊迫的煤礦智能化發(fā)展趨勢(shì)下,本文對(duì)錨護(hù)大臂進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)分析研究,并以兩臂錨桿機(jī)為載體,分析得出錨護(hù)大臂具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)對(duì)錨護(hù)大臂進(jìn)行了有限元分析,得出的錨護(hù)大臂結(jié)構(gòu)合理,功能完善。此外,還建立了相對(duì)獨(dú)立的錨護(hù)大臂電液控制系統(tǒng),搭載對(duì)應(yīng)的健康監(jiān)控診斷系統(tǒng),大大提高了錨護(hù)作業(yè)效率及錨桿智能化程度,提高了工人作業(yè)時(shí)的安全性,并對(duì)后續(xù)進(jìn)一步研究智能化錨桿鉆車提供了基礎(chǔ)。