唐振鵬

（神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司石圪臺(tái)煤礦，陜西省榆林市，719315）

錨桿機(jī)是一種鉆孔并安裝緊固錨桿用以加固巖石的機(jī)械，在煤礦掘進(jìn)生產(chǎn)時(shí)能較好的保障井下作業(yè)人員的人身安全及后續(xù)工作正常開展，然而在錨桿機(jī)鉆錨桿孔洞時(shí)，忽遇硬巖或推進(jìn)過猛，將會(huì)出現(xiàn)鉆桿突然受力彎曲、旋擺，甚至出現(xiàn)掃傷操作人員的情況，嚴(yán)重地影響了煤礦的安全生產(chǎn)，所以亟需設(shè)計(jì)出一種能在錨桿機(jī)鉆桿出現(xiàn)較大彎曲弧度之前迅速切斷液壓泵電機(jī)電源，使鉆桿立即停止旋擺的保護(hù)裝置，從而保護(hù)操作人員免受傷害。

1 錨桿機(jī)鉆桿彎曲的原因及危害

ARO 自移式錨桿機(jī) （以下簡(jiǎn)稱錨桿機(jī)）鉆機(jī)的推力約為27.5kN，錨桿機(jī)在鉆錨桿孔洞時(shí)，當(dāng)頂板巖石硬度超過70 MPa時(shí)，極易致使鉆桿發(fā)生彎曲變形。當(dāng)鉆桿出現(xiàn)變形情況后，鉆機(jī)的進(jìn)給阻力驟降，進(jìn)而引起速度劇增，使得鉆桿彎曲弧度突變，鉆桿彎曲前后情形如圖1所示。

圖1 鉆桿彎曲變形前后對(duì)比示意圖

由圖1 可見，已知鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速為600r／min，旁邊的操作人員一旦被如此高速旋擺的鉆桿擊中，后果將不堪設(shè)想，本文設(shè)計(jì)出一種保護(hù)裝置，能在鉆桿彎曲的第一時(shí)間終止鉆機(jī)工作。

2 解決方案

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，操作人員與鉆桿之間通常保持在300mm 左右的距離 （稱之為警戒距離）。當(dāng)鉆桿發(fā)生彎曲變形后，雖然它的彎曲弧度逐漸增大，旋轉(zhuǎn)半徑也隨之增大，但只要不讓旋轉(zhuǎn)半徑達(dá)到警戒距離通常不會(huì)致使操作人員受到傷害。鉆桿在未彎曲時(shí)、輕度彎曲時(shí)和嚴(yán)重彎曲時(shí)彎曲弧度與旋轉(zhuǎn)圓周的對(duì)比示意圖見圖2。

圖2 鉆桿彎曲弧度與旋轉(zhuǎn)圓周的對(duì)比示意圖

由圖2的對(duì)比可知，只要利用某種保護(hù)裝置，將保護(hù)裝置的常閉觸點(diǎn)與錨桿機(jī)急停按鈕的常閉觸點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)，當(dāng)鉆桿發(fā)生輕度彎曲時(shí)，即旋轉(zhuǎn)半徑達(dá)到警戒距離時(shí)，保護(hù)裝置就會(huì)立即動(dòng)作，使得與急停按鈕串聯(lián)的常閉觸點(diǎn)斷開，鉆機(jī)立即停止運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)保護(hù)操作人員人身安全的功能。

3 保護(hù)裝置所用傳感器的選擇

由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，對(duì)保護(hù)裝置所需的器件選擇提出了嚴(yán)格的要求。接觸式行程開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其存在響應(yīng)速度低、精度差、接觸檢測(cè)極易造成損壞等缺點(diǎn)；而晶體管接近開關(guān)的作用距離太短，根本無(wú)法滿足要求；然而新型光電傳感器則彌補(bǔ)了它們的不足，而且其擁有體積小、功能多、壽命長(zhǎng)、精度高、響應(yīng)速度快、檢測(cè)距離遠(yuǎn)、抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以初步確定利用光電傳感器對(duì)鉆桿彎曲進(jìn)行保護(hù)。

3.1 光電傳感器的原理及分類

光電傳感器主要由發(fā)射器、接收器和檢測(cè)電路這3部分組成，其原理是根據(jù)發(fā)射器發(fā)出的光束，被物體阻擋或部分反射，接收器根據(jù)接收到光的強(qiáng)弱做出判斷響應(yīng)。光電傳感器的檢測(cè)模式分為如下幾類：對(duì)射式、反射板式、偏振反射板式、直反式、寬光束式、聚焦式、定區(qū)域式和可調(diào)區(qū)域式。其中，直反式、寬光束式，聚焦式、定區(qū)域式和可調(diào)區(qū)域式有時(shí)又歸類于 “光電接近檢測(cè)模式”，超聲波傳感器分為對(duì)射式和接近式兩種檢測(cè)模式。

3.2 各類光電傳感器的比較

光電傳感器的種類繁多，其工作性能、使用條件和適應(yīng)場(chǎng)合也各有不同，究竟哪種類型的光電傳感器能在煤礦這種要求苛刻的環(huán)境下正常工作，還需要做進(jìn)一步詳細(xì)的對(duì)比和分析。

3.2.1 對(duì)射式光電傳感器

對(duì)射式光電傳感器的發(fā)射器和接收器相互對(duì)射安裝，發(fā)射器的光直接對(duì)準(zhǔn)接收器。當(dāng)被測(cè)物擋住光束時(shí)，接收器將不能接收到足夠的光強(qiáng)，致使檢測(cè)電路會(huì)迅速做出響應(yīng)，對(duì)外輸出變化量，即已檢測(cè)到物體，對(duì)射式檢測(cè)模式見圖3。

對(duì)射式光電傳感器的優(yōu)點(diǎn)：（1）能夠辨別不透明的反光物體，有效距離大；（2）發(fā)射器和接收器在同一軸線上可以分開布置的距離長(zhǎng)達(dá)50m；（3）不易受到干擾，能安全可靠的使用在野外或者有灰塵、煤塵的環(huán)境。缺點(diǎn)是裝置的消耗高，2個(gè)單元都必須敷設(shè)電纜，連接電源。

圖3 對(duì)射式檢測(cè)模式

3.2.2 反射板式光電傳感器

在反射板式的檢測(cè)模式中，一個(gè)傳感器本身既有發(fā)射器又有接收器，發(fā)射器發(fā)射出的光束照到反射板上后會(huì)再次返回到接收器上。當(dāng)物體擋住光束時(shí)，接收器接收的光強(qiáng)會(huì)發(fā)生變化，輸出變化量以指示被測(cè)物被檢測(cè)到了，反射板式檢測(cè)模式見圖4。

圖4 反射板式檢測(cè)模式

反射板式光電傳感器的檢測(cè)距離為從傳感器到反射板的距離，其有效光束通常為圓臺(tái)形狀，從鏡頭邊沿可以到反射板邊沿。如果光亮的被測(cè)物體積很小、表面是圓形的或者以某種特殊的角度進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，則有可能造成傳感器拒動(dòng)作，因?yàn)槿杂泻艽笠徊糠止饬慷氵^被測(cè)物的遮擋，順利的回到了接收器。即使反射板的反光率很高，但是對(duì)于反光率很強(qiáng)的被測(cè)物來(lái)說(shuō)，光束被擋住了也可能將很強(qiáng)的光反射回接收器而使其誤認(rèn)為被測(cè)物并未出現(xiàn)，致使傳感器拒動(dòng)作。

反射板式光電傳感器的有效作用距離是由5部分決定的，分別是目標(biāo)的反射能力；目標(biāo)的表面性質(zhì)和顏色；較小的裝配開支，由單個(gè)元件集合而成，控制要求不高的場(chǎng)合，通常是可以達(dá)到粗定位；采用背景抑制功能調(diào)節(jié)測(cè)量距離；對(duì)灰塵敏感和對(duì)目標(biāo)的反射性能敏感。

3.2.3 接近檢測(cè)模式的光電傳感器

接近檢測(cè)模式的光電和超聲波傳感器是通過檢測(cè)從被測(cè)物反射回來(lái)的能量來(lái)判斷是否有被測(cè)物。當(dāng)傳感器接收到被測(cè)物反射回來(lái)的足夠能量時(shí)，檢測(cè)電路就會(huì)迅速做出響應(yīng)，輸出變化量以示被測(cè)物被檢測(cè)到了，接近檢測(cè)模式的3 種常見類型見圖5。

圖5 接近檢測(cè)模式的3種常見類型

這種檢測(cè)模式的光電傳感器的發(fā)射器和接收器是組裝在一起的，且在傳感器的同一側(cè)，與對(duì)射式檢測(cè)模式中那種因光被擋住而動(dòng)作的機(jī)理不同，它必須接收到從被測(cè)物上返回的足夠光強(qiáng)才能動(dòng)作。

接近檢測(cè)模式又分為直反式、寬光束式、聚焦式、定區(qū)域式和可調(diào)區(qū)域式，其中直反式傳感器是一種常用的檢測(cè)模式。在這種方式中，發(fā)射器發(fā)出的光以多種角度照到被測(cè)物表面上，被測(cè)物表面同樣以多種角度對(duì)入射光進(jìn)行反射，其中只有很小的一部分被反射回接收器。直反式檢測(cè)模式對(duì)光能的利用率相對(duì)較低，也極易受到被測(cè)物表面反光率的影響。對(duì)于反光率高的被測(cè)物要比暗黑表面的被測(cè)物檢測(cè)效果要好些。多數(shù)直反式傳感器都加裝鏡頭來(lái)校準(zhǔn)發(fā)射光，使其更加集中，以便獲得更多的反射光，但是如果被測(cè)物表面形狀不規(guī)則或被檢測(cè)的物體經(jīng)常發(fā)生顫動(dòng)、旋擺，則檢測(cè)起來(lái)就會(huì)很不可靠。

3.2.4 槽式光電傳感器

槽式光電傳感器通常是標(biāo)準(zhǔn)的 “U”型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于 “U”型槽的兩邊，并形成一個(gè)光軸，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過 “U”型槽阻斷光軸時(shí)，光電傳感器就檢測(cè)到開關(guān)量信號(hào)。槽式光電傳感器既可以比較安全可靠的檢測(cè)高速變化，又可以分辨透明與半透明的物體。

3.2.5 光纖式光電傳感器

光纖式光電傳感器是采用塑料或玻璃光纖傳感器來(lái)引導(dǎo)光纖，以實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)物體不在相近區(qū)域的檢測(cè)。事實(shí)上，光纖式并不是一種具體的檢測(cè)模式，使用不同的光纖可以組成不同的檢測(cè)模式。使用分離式光纖可以組成對(duì)射式的檢測(cè)模式，使用一體式光纖可以組成反射板式或接近式檢測(cè)模式，特殊的光纖可以定制。通常光纖傳感器分為對(duì)射式和漫反射式，其特征是檢測(cè)距離遠(yuǎn)、造價(jià)相對(duì)高且功能強(qiáng)大。

在對(duì)光電傳感器進(jìn)行選擇時(shí)，必須結(jié)合煤礦生產(chǎn)的特殊條件，對(duì)各類光電傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)做了對(duì)比分析見表1，便于選擇出最合適的光電傳感器。

表1 幾種常見類型光電傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)比較

從表1中的對(duì)比結(jié)果可以看出，對(duì)射式光電傳感器的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他幾類傳感器，縱然該裝置消耗高，發(fā)射器和接收器都需要敷設(shè)電纜，但這樣的結(jié)構(gòu)正是其性能可靠的需要，更重要的原因是可以在有灰塵的環(huán)境中使用，所以最終確定以對(duì)射式光電傳感器作為這次 錨桿機(jī)鉆桿防彎保護(hù)裝置設(shè)計(jì)的核心器件。

4 保護(hù)裝置的電氣原理圖

對(duì)射式光電傳感器為主要器件的錨桿機(jī)鉆桿防彎保護(hù)裝置電氣原理圖見圖6。

圖6 保護(hù)裝置的電氣原理圖

由圖6可見，24V 直流電源取自錨桿機(jī)電控箱內(nèi)小斷路器的出線端。當(dāng)對(duì)射式光電傳感器在正常工作時(shí)，即發(fā)射器發(fā)出的光束正常被接收器接收時(shí)，KS觸點(diǎn)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，對(duì)外不輸出24 V 電壓；反之，當(dāng)錨桿機(jī)鉆桿發(fā)生彎曲變形后，鉆桿將會(huì)旋擺，當(dāng)旋擺的鉆桿遮擋住發(fā)射器發(fā)出的光束時(shí)，接收器會(huì)在0.5～1ms的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，致使KS觸點(diǎn)從斷開狀態(tài)變成常閉狀態(tài)，對(duì)外輸出24V電壓使中間繼電器KA 吸合，其輔助觸點(diǎn)KA斷開，錨桿機(jī)緊急停車，鉆機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)出一種可靠、安全、靈敏的錨桿機(jī)鉆桿防彎保護(hù)裝置，可以對(duì)錨桿機(jī)操作人員的人身安全起到良好的保護(hù)作用，進(jìn)而提升煤礦安全生產(chǎn)的整體水平，使神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司的本質(zhì)安全型煤礦建設(shè)進(jìn)一步向前發(fā)展。

［1］ 趙玉剛，邱東.傳感器基礎(chǔ) ［M］.北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2006

［2］ 李英明，石建軍，馬念杰等.新型玻璃鋼錨桿及其在煤幫支護(hù)中的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)煤炭，2009 （7）