掘進(jìn)機(jī)鏟板防碰撞液壓系統(tǒng)

左 奪 李忠豹

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027）

0 引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要是由截割部工作機(jī)構(gòu)、履帶行走機(jī)構(gòu)、鏟板裝載機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成，其中截割部工作機(jī)構(gòu)在油缸作用下可以上下擺動(dòng)和左右擺動(dòng)，進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜巷道成形截割。鏟板裝載機(jī)構(gòu)在油缸作用下實(shí)現(xiàn)繞鉸點(diǎn)的上下擺動(dòng)，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況進(jìn)行收料。

1 機(jī)械干涉的發(fā)生

實(shí)際工作中，為了擴(kuò)大掘進(jìn)機(jī)的截割工作范圍，可以使截割部工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)區(qū)間和鏟板裝載機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)區(qū)間重疊，以增大設(shè)備的臥底量。這也導(dǎo)致了截割部工作機(jī)構(gòu)和鏟板裝載機(jī)構(gòu)在使用過(guò)程中，存在機(jī)械干涉風(fēng)險(xiǎn)，掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)圖

在實(shí)際作業(yè)中，為改善掘進(jìn)機(jī)的裝煤效果，鏟板需要盡量前伸，而掘進(jìn)機(jī)在行走過(guò)程中鏟板往往需要抬起，因此，當(dāng)切割機(jī)構(gòu)切割底部的煤巖或挖柱窩時(shí)，司機(jī)沒(méi)有及時(shí)調(diào)整鏟板，將鏟板放在最低位置，切割機(jī)構(gòu)與鏟板間就可能會(huì)發(fā)生干涉，造成機(jī)械事故。因此，在實(shí)際作業(yè)中機(jī)械碰撞時(shí)有發(fā)生，旋轉(zhuǎn)的截割頭劃傷鏟板，造成機(jī)械損傷，后果嚴(yán)重。鏟板截割部干涉簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2 鏟板截割部干涉簡(jiǎn)圖

2 現(xiàn)階段避免干涉的方式

現(xiàn)階段防止發(fā)生干涉的方法主要有兩種，部分廠商通過(guò)調(diào)整整機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)行程來(lái)防止碰撞，即采用無(wú)干涉設(shè)計(jì)，當(dāng)切割機(jī)構(gòu)處于下極限位置，而鏟板處于上極限位置時(shí)，也不會(huì)發(fā)生干涉情況。該方式一方面需要大幅改變主機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，增加掘進(jìn)機(jī)整機(jī)高度和截割部長(zhǎng)度，進(jìn)而增加截割部和鏟板部的間距。整機(jī)高度受礦井條件和掘進(jìn)機(jī)穩(wěn)定性等很多因素影響，截割部懸伸高度只能在有限的范圍內(nèi)調(diào)整，如果保持裝載裝置結(jié)構(gòu)尺寸不變，僅增加截割部長(zhǎng)度，會(huì)導(dǎo)致鏟板端部與截割頭距離增加，將影響一次裝凈率，出現(xiàn)漏料、散落浮煤的情況。鏟板裝載裝置的總體高度尺寸因掘進(jìn)機(jī)地隙要求和鏟板剛度的限制，想要大幅度縮減裝載裝置的尺寸極為困難，多數(shù)采用縮短鏟板裝載裝置長(zhǎng)度的方式實(shí)現(xiàn)。該方式雖然會(huì)取得較好的干涉效果，但是鏟板尺寸的縮短，意味著鏟板裝載面收料坡度會(huì)相對(duì)增大，這將增大裝載過(guò)程中的插入阻力，進(jìn)而導(dǎo)致主機(jī)裝載時(shí)的行走功耗增大，同時(shí)也降低了裝載效率。另一方面，這種設(shè)計(jì)勢(shì)必會(huì)大大增加機(jī)器高度，降低機(jī)器的穩(wěn)定性和適用性，限定機(jī)械行程同時(shí)需要犧牲掘進(jìn)機(jī)的截割范圍，往往降低了設(shè)備性能指標(biāo)，削弱產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。另一種方式是防干涉設(shè)計(jì)，也是國(guó)內(nèi)外目前為止掘進(jìn)機(jī)防干涉設(shè)計(jì)應(yīng)用較多的方案。

2.1 防干涉操作控制法

該方法是目前各機(jī)型掘進(jìn)機(jī)普遍應(yīng)用的防干涉方法。它的宗旨是嚴(yán)格地培訓(xùn)操作手，使其在作業(yè)中按防干涉規(guī)程操作設(shè)備，設(shè)備本身是存在干涉的機(jī)型，通過(guò)操作手的技能來(lái)避免干涉的發(fā)生。礦井工況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，能見度低，在該條件下憑借司機(jī)直接觀察操作設(shè)備實(shí)現(xiàn)防干涉，難度較大。

2.2 固定限位塊法

該方法本質(zhì)上是一種接觸式防干涉設(shè)計(jì)，首先在掘進(jìn)機(jī)本體龍門架左右兩側(cè)鏟板鉸接的銷軸后方，各焊裝一塊限位擋塊，然后在截割部運(yùn)動(dòng)部下方相應(yīng)接觸位置焊接防撞擋塊。當(dāng)截割部與鏟板在發(fā)生干涉前，兩個(gè)建委擋塊先發(fā)生干涉碰撞，防止截割頭與鏟板直接碰撞，達(dá)到防止干涉的目的。該方式將截割頭與鏟板的碰撞轉(zhuǎn)移到限位塊件間的碰撞，沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。

2.3 傳統(tǒng)液壓控制法

該方法即采用外加液壓控制元件的方法。液壓防干涉系統(tǒng)僅在掘進(jìn)機(jī)原液壓系統(tǒng)中增加兩個(gè)傳感油缸及一個(gè)卸荷補(bǔ)油閥。傳感油缸及卸荷閥儲(chǔ)油腔的油液不能泄漏，在井下的惡劣工作環(huán)境中幾乎是不可能的，為保證防干涉系統(tǒng)能正常工作，防干涉系統(tǒng)必須有自動(dòng)補(bǔ)油功能，這便降低了液壓防干涉系統(tǒng)的工作可靠性。

3 鏟板防碰撞液壓系統(tǒng)概述

該文設(shè)計(jì)一種非接觸式防碰撞液壓系統(tǒng)，在液壓先導(dǎo)控制層面引入防碰撞預(yù)警策略，結(jié)合油缸運(yùn)動(dòng)控制與位移監(jiān)測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)截割部工作機(jī)構(gòu)和鏟板裝載機(jī)構(gòu)的碰撞預(yù)防，該方式無(wú)須改變機(jī)械結(jié)構(gòu)，不影響整機(jī)性能，同時(shí)還可應(yīng)用防碰撞液壓系統(tǒng)，對(duì)老舊機(jī)型進(jìn)行升級(jí)改造，使其具備防碰撞功能。

3.1 液壓控制方案的實(shí)現(xiàn)

近年來(lái)，隨著礦山開采裝備智能化水平的提升，智能元件在惡劣工況下的可靠性和穩(wěn)定性也有了大幅提升。位移傳感器油缸已經(jīng)成為礦山設(shè)備的常用產(chǎn)品。位移傳感器液壓缸，結(jié)構(gòu)形式如圖3，磁致伸縮位移傳感器通過(guò)非接觸式的測(cè)控技術(shù)精確地檢測(cè)活動(dòng)磁環(huán)的絕對(duì)位置來(lái)測(cè)量被檢測(cè)產(chǎn)品的實(shí)際位移值，該傳感器可以實(shí)時(shí)反饋液壓缸實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)油缸位移和油缸鉸點(diǎn)位置模型，計(jì)算出截割部和鏟板部軸線成角，進(jìn)而判斷其是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。

圖3 位移傳感器油缸簡(jiǎn)圖

該文闡述的液壓系統(tǒng)防碰撞方案中的主要元件就是配有位移傳感器的液壓油缸。首先在掘進(jìn)機(jī)主機(jī)液壓系統(tǒng)中，加入電磁通斷閥，其功能是實(shí)現(xiàn)鏟板部油缸先導(dǎo)級(jí)控制油路的通斷和截割部油缸先導(dǎo)級(jí)控制油路的通斷，電磁閥通過(guò)接收電信號(hào)控制所在油路的通斷，兩組電磁通斷閥均處于常開狀態(tài)，即沒(méi)有電信號(hào)輸入時(shí)，先導(dǎo)控制油路正常導(dǎo)通，設(shè)備正常運(yùn)行。當(dāng)有電信號(hào)接入時(shí)，電磁通斷閥斷開油路，所在油路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作。其次，將控制鏟板部升降的油缸替換成同規(guī)格的鑲嵌有位移傳感器的油缸，替換截割部升降油缸。至此，鏟板部和截割部油缸均配有位移傳感器，可以實(shí)時(shí)獲取液壓缸運(yùn)動(dòng)行程數(shù)據(jù)，反饋油缸活塞桿缸伸出位移量，將鏟板部和截割部位置信息反饋給電控系統(tǒng)，以此為依據(jù)分別列出油缸的變幅方程，計(jì)算獲得鏟板部與水平夾角和截割部與水平夾角。系統(tǒng)通過(guò)獲取的液壓缸位移數(shù)據(jù)，計(jì)算出鏟板部和截割部的實(shí)際距離和空間夾角，在距離達(dá)到碰撞預(yù)警范圍時(shí)，系統(tǒng)輸出電信號(hào)，控制液壓系統(tǒng)先導(dǎo)級(jí)電磁通斷閥向，自動(dòng)鎖停鏟板部液壓油缸和截割部液壓缸，同時(shí)發(fā)出碰撞警報(bào)，提示操作人員修正動(dòng)作。避免出現(xiàn)碰撞事故。

4 干涉臨近條件設(shè)定

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)與鏟板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如圖4所示。為截割部下擺安全角度，為截割部下擺極限角度 ,為鏟板部上擺安全角度，為鏟板部上擺極限角度。截割部向下擺動(dòng)，通過(guò)極限位置與水平夾角，鏟板部上擺極限，可計(jì)算運(yùn)動(dòng)疊加區(qū)間Δ=+-90°，設(shè)定安全區(qū)間，截割擺角小于時(shí)，或鏟板擺角小于時(shí)，系統(tǒng)安全。當(dāng)截割部擺角先進(jìn)圖示陰影區(qū)域時(shí)，鏟板部擺角不允許大于，當(dāng)鏟板部擺角先進(jìn)入陰影區(qū)域時(shí)，截割部擺角不允許大于，以此作為安全判定條件。運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖見圖4。

圖4 鏟板部截割部運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

5 具體實(shí)施方案

如圖5所示，液壓系統(tǒng)先導(dǎo)控制回路中已經(jīng)接入電磁通斷閥，控制器可實(shí)時(shí)獲取液壓缸位置信息，并計(jì)算出鏟板部和截割部的實(shí)際距離，當(dāng)距離處于碰撞預(yù)警范圍時(shí)，控制器會(huì)發(fā)訊控制電磁通斷閥，同時(shí)切斷鏟板部和截割部先導(dǎo)級(jí)控制油路，鎖停鏟板部液壓油缸和截割部油缸，并發(fā)出碰撞警報(bào)。避免碰撞事故。下面分別以液控液壓系統(tǒng)和電控液壓系統(tǒng)進(jìn)行舉例說(shuō)明。

圖5 防碰撞液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

首先，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)為液控系統(tǒng)時(shí)，主機(jī)動(dòng)作由液壓手柄操作執(zhí)行，液壓手柄處在先導(dǎo)控制級(jí)。該系統(tǒng)使用先導(dǎo)手柄操作設(shè)備時(shí)，先導(dǎo)控制油首先進(jìn)入先導(dǎo)手柄，經(jīng)過(guò)先導(dǎo)手柄的操縱動(dòng)作，控制油可分別進(jìn)入鏟板部油缸多路閥和截割部油缸多路閥，控制多路閥輸出，實(shí)現(xiàn)鏟板部和截割部的上下擺動(dòng)。鑲嵌在鏟板部升降油缸內(nèi)部的位移傳感器和截割部油缸的位移傳感器可實(shí)時(shí)反饋對(duì)應(yīng)油缸的位移數(shù)據(jù)，將獲取的信息傳輸給控制器，控制器根據(jù)位移信息計(jì)算出鏟板部和截割部的實(shí)際距離，當(dāng)實(shí)際距離處于碰撞預(yù)警范圍時(shí)，輸出信號(hào)，分別控制電磁通斷閥換向，切斷先導(dǎo)控制油路，使鏟板部多路閥和截割部多路閥控制端卸荷，多路閥回到中位，停止輸出。對(duì)應(yīng)的油缸動(dòng)作停止，防止鏟板部和截割部相互的靠近。避免設(shè)備碰撞，并同時(shí)發(fā)出碰撞聲光警報(bào)，提示操作者避免碰撞事故。

其次，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)為電控液壓系統(tǒng)時(shí)，主機(jī)使用遙控器操作設(shè)備，多路閥為電磁閥，受電信號(hào)控制。此時(shí)，防碰撞邏輯比較容易實(shí)現(xiàn)，同樣，鏟板部升降油缸內(nèi)部的位移傳感器和截割部油缸的位移傳感器可實(shí)時(shí)反饋對(duì)應(yīng)油缸的位移數(shù)據(jù)，將獲取的信息輸入給控制器，控制器根據(jù)位移信息，計(jì)算出鏟板部和截割部的實(shí)際距離達(dá)到碰撞預(yù)警范圍時(shí)，控制器輸出信號(hào)，該控制信號(hào)直接作用于電磁多路閥，可直接控制多路閥回到中位，停止輸出?？刂平馗畈亢顽P板部停止動(dòng)作。

6 系統(tǒng)測(cè)試

防碰撞液壓系統(tǒng)按圖紙組裝后，在廠內(nèi)進(jìn)行極端工礦測(cè)試，條件一，保持鏟板部臥底不動(dòng)，單獨(dú)操作截割部向鏟板部方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)截割部和鏟板部夾角小于設(shè)定值時(shí)，防碰撞液壓系統(tǒng)介入，截割部油缸控制油路被主動(dòng)切斷，截割部停止動(dòng)作并鎖定在當(dāng)前位置，聲光報(bào)警器警示音響起。反方向操作截割部手柄，截割部反向運(yùn)動(dòng)，脫離危險(xiǎn)區(qū)間，警報(bào)解除。功能恢復(fù)正常。條件二，保持截割部處在低位，停止不動(dòng)。單獨(dú)操作鏟板部，使其向截割部方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鏟板部靠近截割部時(shí)，防碰撞液壓系統(tǒng)介入，當(dāng)檢測(cè)到截割部和鏟板部夾角小于設(shè)定值時(shí)，鏟板部油缸控制油路被主動(dòng)切斷，鏟板部停止動(dòng)作并鎖定在當(dāng)前位置，聲光報(bào)警器警示音響起。反方向操作鏟板部手柄，鏟板部反向運(yùn)動(dòng)，脫離危險(xiǎn)區(qū)間，警報(bào)解除。功能恢復(fù)正常。條件三，同時(shí)操作鏟板部和截割部，使其以最大速度相向動(dòng)作，當(dāng)截割部和鏟板部接近時(shí)，防碰撞液壓系統(tǒng)介入，檢測(cè)到兩者夾角小于設(shè)定值時(shí)，截割部油缸和鏟板部油缸控制油路被主動(dòng)切斷，截割部油缸和鏟板部同時(shí)停止動(dòng)作，并鎖定在當(dāng)前位置，同時(shí)聲光報(bào)警器警示音響起。任意操作鏟板部或截割部手柄，使其反向運(yùn)動(dòng)，增大兩者夾角，脫離危險(xiǎn)區(qū)域，警報(bào)解除，功能恢復(fù)正常。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該套防碰撞液壓系統(tǒng)能夠以非接觸的方式有效地避免碰撞的發(fā)生，并可在鎖定油缸后通過(guò)反向操作進(jìn)行功能復(fù)位。

7 結(jié)語(yǔ)

該非接觸防碰撞方式優(yōu)勢(shì)明顯，防碰撞液壓系統(tǒng)構(gòu)件簡(jiǎn)單，該系統(tǒng)在不改變主機(jī)設(shè)備機(jī)械部件結(jié)構(gòu)和設(shè)備工作范圍的前提下，僅通過(guò)調(diào)整液壓系統(tǒng)，便可實(shí)現(xiàn)鏟板部截割部的防碰撞保護(hù)。該防碰撞液壓系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，可對(duì)行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有老舊設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，這一措施能夠有效保護(hù)設(shè)備，避免機(jī)械碰撞損壞。該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)防碰撞功能。防碰撞液壓系統(tǒng)已在某公司全系掘進(jìn)機(jī)上應(yīng)用，客戶現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好。