， ， ， ， 　(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 淮南　232001)

引言

煤礦井下巷道的支護(hù)方式中如采用錨噴、錨噴網(wǎng)或純噴射混凝土等，都需要對(duì)巷道巖石表面噴射混凝土，凝結(jié)硬化后達(dá)到支護(hù)的目的。噴射的噴漿料是將一定配比的水泥、砂子、石子和速凝劑拌合的混合物。因此，噴漿料的混合程度，直接影響噴漿工藝和支護(hù)的質(zhì)量。

目前，國(guó)內(nèi)各大煤礦對(duì)噴漿料的拌合主要存在以下問題：① 需要二次上料或二次攪拌，不能直接利用礦車進(jìn)行攪拌[1]；② 需要在井下設(shè)置多個(gè)儲(chǔ)料倉(cāng)，建立較大的攪拌站，且不能充分利用[2]；③ 攪拌不充分，難以達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度要求，回彈率高；④ 大多仍采用人力現(xiàn)場(chǎng)攪拌，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、粉塵污染、影響健康。

為克服以上缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種噴漿料攪拌裝置，適合用在中小型巷道中，可遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面，直接在礦車中進(jìn)行攪拌。攪拌充分，結(jié)構(gòu)緊湊易拆裝，機(jī)械自動(dòng)化程度較高，系統(tǒng)安全可靠，實(shí)現(xiàn)噴漿料的機(jī)械自動(dòng)化攪拌。

1　工作原理

本裝置由兩個(gè)龍門立柱、水平架、攪拌螺旋、礦車牽引裝置和液壓泵站組成。如圖1所示，立柱由底板、外方鋼、內(nèi)方鋼和升降油缸組成，分別通過底板由地腳螺栓固定在水泥基礎(chǔ)上。升降液壓缸安裝在內(nèi)方鋼內(nèi)并留有油管出口，內(nèi)方鋼由兩個(gè)規(guī)格吻合的空心型鋼加工而成。整個(gè)立柱通過螺栓與底板和水平架連接，方便拆卸。水平架上進(jìn)給油缸固定在油缸固定板上，推動(dòng)攪拌螺旋橫向運(yùn)動(dòng)。采用低速大扭矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)攪拌螺旋對(duì)物料進(jìn)行攪拌，攪拌螺旋的受力通過軸承座傳遞到機(jī)架上。攪拌螺旋底部包絡(luò)面的形狀按照礦車內(nèi)部形狀進(jìn)行加工，確保攪拌螺旋在任何位置都不與礦車干涉。攪拌螺旋運(yùn)動(dòng)軌跡通過進(jìn)給油缸和牽引油缸控制實(shí)現(xiàn)。礦車通過鉸接在卡軌裝置上的牽引液壓缸推動(dòng)。系統(tǒng)壓力源是可以移動(dòng)的液壓泵站。

1.底板　2.外方鋼　3.水平架　4.進(jìn)給油缸　5.油缸固定板 6.低速大扭矩馬達(dá)　7.聯(lián)軸器軸承座　8.攪拌螺旋 9.內(nèi)方鋼　10.升降油缸圖1　攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

攪拌過程如圖2所示，泵站開啟，為裝置提供壓力油液，升降油缸升起，進(jìn)給油缸和牽引油缸分別到達(dá)準(zhǔn)備位置。連接好礦車，低速大扭矩馬達(dá)正轉(zhuǎn)，升降油缸下降，攪拌螺旋在礦車內(nèi)按照設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)攪拌。攪拌完成后，低速大扭矩馬達(dá)反轉(zhuǎn)，升降油缸升起，到達(dá)準(zhǔn)備位置后，斷開礦車，升降油缸下降，停止泵站。綜上所述，可以實(shí)現(xiàn)攪拌螺旋在四個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)，對(duì)噴漿料進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛?/p>

圖2　攪拌工作流程圖

2　液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

攪拌裝置液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。為了避免馬達(dá)回路對(duì)油缸回路的干擾，采用雙聯(lián)泵為系統(tǒng)供油。采用雙單向節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)速，對(duì)每個(gè)回路均采用雙單向節(jié)流閥進(jìn)行出油節(jié)流調(diào)速，可以使回油側(cè)產(chǎn)生背壓以抗拒負(fù)載的突然變化，動(dòng)作平穩(wěn)。采用液壓鎖鎖緊同步油缸，可以有效防止油缸在靜止后受外力干擾突然竄動(dòng)。

1.油箱　2.溢流閥　3.電動(dòng)機(jī)　4.雙聯(lián)泵　5.壓力表 6.低速大扭矩馬達(dá)　7.電磁換向閥　8.升降油缸 9.雙單向節(jié)流閥　10.液控單向閥　11.牽引油缸　12.進(jìn)給油缸圖3　攪拌裝置液壓系統(tǒng)原理圖

(1) 液壓馬達(dá)選型攪拌過程需要較大的扭矩和較低的轉(zhuǎn)速，所以選用可承受徑向和軸向外力的QJM系列低速大扭矩馬達(dá)。根據(jù)垂直式螺旋輸送機(jī)的工作原理，估算出攪拌螺旋的輸送量Q=219.6 t/h。攪拌螺旋最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

式中：P0為軸功率；H為輸送高度，由攪拌螺旋知為600 mm；n為最小轉(zhuǎn)速，由受力分析求得為30 r/min；η為螺旋輸送效率，取0.1[3]。

由手冊(cè)[4]知排量qm=0.496 L/r，取Δpm=10 MPa，機(jī)械效率ηmm=0.97，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩：

=766 N·m

因?yàn)門m>Tmax，故所選馬達(dá)滿足工作要求。

(2) 采用雙聯(lián)泵為系統(tǒng)供油由于低速大扭矩馬達(dá)所需流量較大，為了避免回路間干擾采用雙聯(lián)泵供油。大排量泵用于馬達(dá)回路，小排量泵用于油缸回路。

(3) 疊加集成對(duì)液壓系統(tǒng)原理圖的雙點(diǎn)劃線部分進(jìn)行集成，選用四聯(lián)疊加閥塊。疊加閥式集成結(jié)構(gòu)緊湊，可以減少管路連接和壓力損失，操作和維修方便，使系統(tǒng)更加安全可靠和美觀緊湊[5]。

(4) 泵站設(shè)計(jì)系統(tǒng)壓力初選為10 MPa，考慮到外部空間和散熱，油箱容積取800 L。閥組和泵組及濾油器等均安裝在油箱蓋上。油箱內(nèi)設(shè)置隔板，設(shè)有放油塞，底部?jī)A斜坡度為1/20[5]。泵站可以在巷道內(nèi)軌道上移動(dòng)，工作時(shí)置于一側(cè)，通過膠管與裝置連接。

3　PLC硬件設(shè)計(jì)

本噴漿料攪拌裝置電控系統(tǒng)組成如圖4所示，主要由PLC、觸摸屏組成。以PLC為中心，接收系統(tǒng)所有輸入信號(hào)，主要是針對(duì)電機(jī)啟動(dòng)的開關(guān)信號(hào)、手動(dòng)運(yùn)行時(shí)的開關(guān)信號(hào)和限位開關(guān)的信號(hào)，包括物理元器件和來自觸摸屏的軟元件[6]；與觸摸屏通信，完成對(duì)輸出信號(hào)的控制，用來控制電機(jī)啟動(dòng)繼電器、電磁閥和指示燈。計(jì)算機(jī)用于設(shè)計(jì)修改PLC程序和觸摸屏人機(jī)操作界面。

圖4　攪拌裝置電控系統(tǒng)組成

根據(jù)噴漿料攪拌裝置的實(shí)際控制需要，選用了FX1N-60MR的PLC，采用基本模塊，繼電器輸出。FX1N-60MR共有60個(gè)I/O點(diǎn)的基本單元，其工作環(huán)境、抗噪聲和抗沖擊的能力均滿足要求。系統(tǒng)實(shí)際I/O端口分配如表1所示。X0～X1連接方式是選擇開關(guān)，X2～X13連接方式是手動(dòng)開關(guān)，X14～X24連接方式是行程開關(guān)，Y0連接方式是繼電器，Y1～Y10是電磁閥，Y11～Y13是指示燈。噴漿料攪拌裝置PLC控制系統(tǒng)的外部接線圖如圖5所示。

4　PLC軟件及觸摸屏界面設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)根據(jù)具體工作過程，主要分為公共程序的設(shè)計(jì)和手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行程序的設(shè)計(jì)[7]。公共程序主要包括對(duì)泵站啟動(dòng)、到達(dá)準(zhǔn)備位置、連接礦車及返回準(zhǔn)備位置、斷開礦車和泵站停止步驟的控制。手動(dòng)和自動(dòng)程序則主要為攪拌過程中對(duì)攪拌螺旋運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。系統(tǒng)控制流程圖如圖6所示。

表1　PLC輸入輸出接口分配表

圖5　PLC控制系統(tǒng)輸入輸出接線圖

圖6　系統(tǒng)控制流程圖

采用某公司FX系列PLC相配套的編程軟件GX Developer 7.0設(shè)計(jì)梯形圖，還可以使用仿真軟件GX Simulator 6.1進(jìn)行仿真和調(diào)試[8]。

PLC的上位機(jī)是觸摸屏，針對(duì)煤礦井下惡劣的工作環(huán)境，可以選擇GT1150HS-QLBD型觸摸屏。它是一種具有先進(jìn)功能的小巧圖形操作終端，320×240分辨率和256色顯示，完全滿足系統(tǒng)的需要，尤其是5.7英寸的外形和手持的優(yōu)點(diǎn)，更是方便操作。采用三菱GOT1000系列設(shè)計(jì)軟件GT Designer 3創(chuàng)建人機(jī)操作界面，如圖7所示。打開觸摸屏電源，顯示開機(jī)動(dòng)畫后首先進(jìn)入主界面，一切準(zhǔn)備工作完成后點(diǎn)擊開始正式開始攪拌工作流程，進(jìn)入工作界面，電機(jī)泵站啟動(dòng)，升降油缸伸出進(jìn)給油缸和牽引油缸到達(dá)中間行程，即到達(dá)準(zhǔn)備位置，等待礦車連接好后，然后需要人為選擇攪拌過程的手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行模式。手動(dòng)運(yùn)行主要是控制液壓馬達(dá)、進(jìn)給油缸和牽引油缸三個(gè)執(zhí)行元件的動(dòng)作，自動(dòng)運(yùn)行是對(duì)攪拌螺旋所到達(dá)的每一個(gè)位置通過指示燈進(jìn)行監(jiān)控。每一頁(yè)界面均有暫停、繼續(xù)、返回和急停按鈕。

對(duì)于圖7的人機(jī)操作界面，可以使用仿真軟件GT Simulator 3和GX Simulator配合，對(duì)創(chuàng)建好的界面進(jìn)行仿真和調(diào)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，縮短調(diào)試時(shí)間[8]。然后再將調(diào)試好的界面程序通過USB下載到觸摸屏運(yùn)行。

圖7　觸摸屏人機(jī)操作界面

5　結(jié)論

煤礦井下噴漿料攪拌裝置的結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，液壓系統(tǒng)安全可靠，以FX系列PLC為中心設(shè)計(jì)攪拌裝置電控系統(tǒng)硬件，繪出PLC接線圖和分配I/O地址，采用GOT1000系列觸摸屏對(duì)攪拌過程的手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行模式進(jìn)行監(jiān)控。采用配套的梯形圖設(shè)計(jì)軟件和觸摸屏設(shè)計(jì)仿真軟件對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。本裝置可實(shí)現(xiàn)攪拌作業(yè)的機(jī)械化和自動(dòng)化，可以遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面工作，工作效率高、減少勞動(dòng)量，在煤礦井下具有較大的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]祝太平.井下混凝土制備及輸送系統(tǒng)工程改造[J].采礦技術(shù)，2012,12(3)：29-31.

[2]張仕同，張慶和.井下攪拌站的設(shè)置與應(yīng)用[J].煤炭工程，2010，(9):39-40.

[3]《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》委員會(huì).運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991.

[4]路甬祥.液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[5]張利平.液壓站[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[6]齊繼陽(yáng)，吳倩，何文燦.基于PLC和觸摸屏的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2013,(4):19-22.

[7]郭劍暉.機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].江西：南昌大學(xué)，2012.

[8]蓋超會(huì)，陽(yáng)勝峰.三菱PLC與變頻器、觸摸屏綜合培訓(xùn)教程[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[9]三菱電機(jī).三菱圖形操作終端GOT1000系列樣本[Z].2012.