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

近年來煤礦6～8m大采高工作面不斷增多，以往在給主巷道及輔助運(yùn)輸巷道打高位側(cè)幫錨桿支護(hù)以及布置水管、電纜、指示牌等施工項(xiàng)目時(shí)，主要是通過吊鏈將部件舉升到巷道頂部或搭建臨時(shí)高空作業(yè)臺(tái)進(jìn)行施工，由于工作面長(zhǎng)，施工人員要不斷進(jìn)行重復(fù)性的勞作，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)也存在一定的危險(xiǎn)性[1，2]。為改善神華神東煤炭集團(tuán)最新投產(chǎn)的8m大采高巷道類施工項(xiàng)目的工作現(xiàn)狀，降低其作業(yè)危險(xiǎn)性，簡(jiǎn)化繁雜的施工工序，設(shè)計(jì)了WC10E(G)-45礦用車載式升降平臺(tái)(如圖1所示)，在補(bǔ)連塔煤礦大采高工作面輔助巷道進(jìn)行了首次使用，效果良好，其在載重、移動(dòng)和高舉升方面都有很好的優(yōu)勢(shì)，避免了很多重復(fù)性工作，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了大采高巷道的工作狀況，保證了綜采工作面的高產(chǎn)高效。

1 礦用車載式升降平臺(tái)簡(jiǎn)介

根據(jù)井下施工環(huán)境，要求礦用車載式升降平臺(tái)可上下升降，適用于煤礦巷道高度4～8m，近水平路面，舉升高度≤4.5m，舉升重量≤1000kg?？紤]到施工的安全性，該設(shè)備還應(yīng)具有觸頂保護(hù)、過載保護(hù)、緊急閉鎖、行車閉鎖、平臺(tái)水平檢測(cè)及調(diào)節(jié)功能，能滿足大采高巷道各種高空作業(yè)施工要求。如圖1所示，此車載式升降平臺(tái)主要由車頭及動(dòng)力源、 升降機(jī)構(gòu)、觸頂機(jī)構(gòu)、操作臺(tái)(包含換向閥、緊急閉鎖按鈕和水平儀)等組成。

1—觸頂機(jī)構(gòu)；2—操作臺(tái)；3—升降機(jī)構(gòu)；4—車頭及動(dòng)力源；5—輔助支撐；6—支腿油缸組件；7—后機(jī)架；8—PSL多路閥；9—平臺(tái)；10—升降油缸圖1 礦用車載式升降平臺(tái)模型

2 升降平臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 支腿液壓系統(tǒng)及水平調(diào)整

礦用車載式升降平臺(tái)液壓系統(tǒng)如圖2所示，支腿液壓系統(tǒng)主要由4個(gè)帶雙向液壓鎖的支腿油缸1和PSL多路閥13組成。雙向液壓鎖可以保證支腿油缸在行駛或停放時(shí)，總處于縮回狀態(tài)，不會(huì)因?yàn)橹亓ψ杂上侣?；同時(shí)也因?yàn)橐簤烘i的泄露量極低，能夠保證在支腿油缸伸出承重后不會(huì)出現(xiàn)軟腿現(xiàn)象。

1—支腿油缸；2—雙向液壓鎖；3—凸輪換向閥控制的防觸頂機(jī)構(gòu)；4—舉升油缸；5—單向液壓鎖；6—雙向節(jié)流閥；7—手動(dòng)換向閥；8—停車制動(dòng)裝置；9—行車閉鎖閥；10—溢流閥；11—電磁換向閥；12—急停按鈕；13—PLS多路閥圖2 礦用車載式升降平臺(tái)液壓系統(tǒng)

支腿油缸又起到了調(diào)節(jié)平臺(tái)底座(后機(jī)架)趨于水平的作用，平臺(tái)升降前當(dāng)遇到煤礦井下巷道有小坡度的時(shí)候，可以通過觀察水平儀，用PLS多路閥對(duì)平臺(tái)底座進(jìn)行微調(diào)，當(dāng)平臺(tái)處于安全角度內(nèi)時(shí)方可起升。PLS多路閥為定量泵負(fù)載敏感多路閥，可以實(shí)現(xiàn)比例調(diào)節(jié)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，降低了使用成本。

2.2 升降液壓系統(tǒng)

2.2.1 升降過程的安全性

根據(jù)升降平臺(tái)的工作特點(diǎn)，升降過程中必須保證安全可靠，一旦出現(xiàn)異常情況，要有安全控制措施。

考慮到實(shí)際工況，升降系統(tǒng)首先要考慮到平臺(tái)不會(huì)在失控狀態(tài)墜落，否則會(huì)危及操作人員安全及損壞系統(tǒng)設(shè)備，造成極大的損失?？赡軐?dǎo)致這種狀態(tài)的原因大體可以歸納為三種，管路破裂、控制元件泄漏或損壞、液壓源失壓；而在本液壓系統(tǒng)中舉升液壓油缸都設(shè)計(jì)帶有單向液壓鎖5，且實(shí)際安裝方式為板式安裝，所以即使發(fā)生以上三種情況任何一種或幾種，都不會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)墜落[3-6]。

為防止升降平臺(tái)出現(xiàn)頭重腳輕現(xiàn)象，升降平臺(tái)設(shè)計(jì)要求舉升貨物重量不超過1000kg，可通過調(diào)節(jié)溢流閥10的開啟壓力實(shí)現(xiàn)。具體方法為，在平臺(tái)放置1000kg重物，打開手動(dòng)換向閥8至舉升一側(cè)，從低到高緩慢地調(diào)節(jié)溢流閥10，當(dāng)平臺(tái)開始起升時(shí)，固定鎖緊螺母，此時(shí)溢流閥的設(shè)定壓力即為液壓系統(tǒng)的最高壓力，當(dāng)平臺(tái)起升超重時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過溢流閥自動(dòng)泄壓，平臺(tái)將無法起升。

2.2.2 升降過程的平穩(wěn)性

升降平臺(tái)在升降過程中一定要平穩(wěn)，不能有劇烈沖擊。采用單向液壓鎖的回路，雖然可以使平臺(tái)在舉升重物的過程中能夠可靠地停在任何位置，但實(shí)際使用中，這種回路在平臺(tái)帶重物下降時(shí)，可能出現(xiàn)低頻抖動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)舉升油缸在重物的作用下下降時(shí)，由于單向液壓鎖全開，油缸下腔又沒有背壓，很可能接近自由落體，平臺(tái)下降速度很快，使泵來不及填充油缸上腔，導(dǎo)致油缸上腔壓力降低，甚至產(chǎn)生真空，導(dǎo)致單向液壓鎖控制壓力下降而關(guān)閉單向閥，平臺(tái)突然停止下降；單向閥關(guān)閉后，控制壓力再一次上升，單向閥又被打開，平臺(tái)又開始下降，當(dāng)平臺(tái)在下降過程中單向閥被重復(fù)的開啟與關(guān)閉時(shí)就導(dǎo)致了低頻抖動(dòng)現(xiàn)象[7]。

為了防止平臺(tái)在下降過程中發(fā)生低頻抖動(dòng)現(xiàn)象，在起升液壓系統(tǒng)中加入可調(diào)單向節(jié)流閥6，通過式(1)可知調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口面積可改變其通流量，在平臺(tái)下降時(shí)從大到小調(diào)節(jié)節(jié)流口大小，直到節(jié)流口流量≤泵出口流量，此時(shí)即可避免因平臺(tái)下降過快而產(chǎn)生的泵來不及填充油缸上腔的現(xiàn)象，從而避免低頻抖動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，還可以通過調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥來改變舉升系統(tǒng)的流量，從而改變平臺(tái)的起升或下降的速度[8]。

通過節(jié)流閥的流量Q為：

式中，Q為通過節(jié)流閥的流量，m3/s；Cd為出流系數(shù)，一般取0.6～0.8；Aj為節(jié)流閥的開口截面積，m2；ρ為油液密度，kg/m3；ΔP為節(jié)流口的前后壓差，Pa。

2.3 防觸頂液壓系統(tǒng)

觸頂機(jī)構(gòu)三維模型如圖3所示，在平臺(tái)起升前需先把觸頂機(jī)構(gòu)的觸頂桿安裝到合適的高度(一般為2m)。礦用車載升降平臺(tái)用在煤礦井下巷道內(nèi)，因?yàn)楦飨锏栏叩筒煌?，?dāng)平臺(tái)在舉升過程中遇到升降換向閥失靈或工作人員操作失誤時(shí)，平臺(tái)觸頂機(jī)構(gòu)的觸頂桿會(huì)首先碰到巷道頂部，此時(shí)觸頂桿連帶的碰撞塊會(huì)壓住凸輪，凸輪換向閥就會(huì)打開并泄壓(如圖2液壓原理)，由于系統(tǒng)壓力不足，平臺(tái)立刻停止上升，且一直保持在此高度，從而保障了施工人員的人生安全。

圖3 觸頂機(jī)構(gòu)模型

2.4 行車閉鎖液壓系統(tǒng)

行車閉鎖就是車輛在行駛中不能升降，同時(shí)平臺(tái)處于起升狀態(tài)時(shí)車輛不能行駛。如圖2所示，當(dāng)行車閉鎖閥9處于左位時(shí)，升降液壓系統(tǒng)與液壓源不通，升降平臺(tái)無法升降，而此時(shí)有高壓液進(jìn)入停車制動(dòng)器進(jìn)行解制動(dòng)，車輛可以正常行駛；當(dāng)行車閉鎖閥處于右位時(shí)，升降液壓系統(tǒng)與液壓源接通，升降平臺(tái)可以起升或降落，此時(shí)停車制動(dòng)液壓管路與油箱接通，壓力接近為零，無法打開停車制動(dòng)器，從而讓車輛在升降時(shí)無法行走。如此設(shè)計(jì)，防止了駕駛員在平臺(tái)起升狀態(tài)下的誤操作，保證了平臺(tái)在起升狀態(tài)時(shí)，車輛絕對(duì)不可以行走，在功能設(shè)計(jì)上防止了安全事故的發(fā)生。

2.5 緊急閉鎖液壓系統(tǒng)

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，設(shè)計(jì)緊急閉鎖功能是為了當(dāng)平臺(tái)在升降過程中突然遇到障礙物或有突發(fā)性事故發(fā)生時(shí)，操作人員可以立即按下急停按鈕12(如圖2所示)，平臺(tái)將停止升降，并保持在此高度。其工作原理是：在平臺(tái)升降狀態(tài)中防爆電磁閥處于通電狀態(tài)，閥芯處于右位，高壓液處于封閉狀態(tài)，系統(tǒng)可正常工作；當(dāng)遇到突發(fā)事件時(shí)，按下急停按鈕，防爆電磁閥斷電，閥芯處于左位，高壓液接通油箱，系統(tǒng)壓力趨近于零，液壓系統(tǒng)所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)停在原位，均無法動(dòng)作，再次工作時(shí)將急停按鈕復(fù)位即可，電磁閥工作表見表1。當(dāng)升降平臺(tái)不工作時(shí)，可將急停按鈕按下，電磁閥斷電，延長(zhǎng)電磁閥使用壽命。

表1 電磁閥工作表

3 主要液壓元器件的計(jì)算與選擇

3.1 舉升油缸的主要參數(shù)確定

升降平臺(tái)在升降時(shí)，工作機(jī)構(gòu)及4個(gè)舉升液壓缸做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)單個(gè)液壓缸必須克服的外負(fù)載：

F=Fe+Ff+Fi

(2)

式中，F(xiàn)為液壓缸克服的外負(fù)載，N；Fe為工作負(fù)載，N；Ff為摩擦負(fù)載，N；Fi為慣性負(fù)載，N。

根據(jù)要求設(shè)計(jì)最高載重1000kg計(jì)算，升降平臺(tái)單個(gè)舉升液壓缸的最大負(fù)載F=171.9kN，礦用防爆工程車液壓源工作壓力設(shè)定為P=10MPa，液壓缸靠活塞桿受壓工作，舉升油缸無桿腔的面積：

式中，A為舉升油缸無桿腔面積，m2；D為舉升油缸無桿腔直徑，m；P為系統(tǒng)壓力，Pa；F為單個(gè)舉升液壓缸克服的外負(fù)載，N。

計(jì)算得無桿腔直徑為0.074m，圓整后為80mm。由于升降平臺(tái)下降時(shí)有重力起作用，所以油缸桿徑選取常用值40mm即可。

3.2 液壓泵的參數(shù)計(jì)算

多個(gè)液壓油缸同時(shí)動(dòng)作時(shí)，液壓泵的流量要大于這幾個(gè)液壓油缸所需的最大流量，并考慮到系統(tǒng)的泄露和液壓泵磨損后容積效率的下降，液壓泵的流量：

qp≥K(∑q)max

(5)

式中，qp為液壓泵的流量，m3/s；K為系統(tǒng)泄露系數(shù)，一般取1.1～1.3；(∑q)max為4個(gè)舉升油缸同時(shí)動(dòng)作的最大總流量，m3/s。

液壓泵的排量：

式中，V為液壓泵的排量，mL/r；t為平臺(tái)從開始起升到最大高度的時(shí)間，min；υ為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；h為舉升油缸從開始起升到最大高度的伸出量，m。

要求升降平臺(tái)從開始起升到最大高度的時(shí)間為100s，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的轉(zhuǎn)速為1000r/min，根據(jù)最大工作壓力和排量，參照產(chǎn)品樣本就可選擇液壓泵的規(guī)格，最終選擇的主要液壓元件的型號(hào)見表2。

表2 主要液壓元件規(guī)格統(tǒng)計(jì)表

在選取液壓元件時(shí)，主要考慮元件能承受的最大工作壓力和最大流量，在產(chǎn)品樣本中選取能滿足系統(tǒng)要求的規(guī)格和型號(hào)，閥的額定壓力和流量不小于系統(tǒng)的最大工作壓力和最大流量，在選不到合適的元件時(shí)，可以選擇通過該閥的實(shí)際流量不大于該閥的額定流量的20%避免壓力損失過大，引起系統(tǒng)噪聲和油液過熱，選擇流量閥時(shí)還應(yīng)考慮最小穩(wěn)定流量[9]。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

礦用車載式升降平臺(tái)樣機(jī)如圖4所示，該礦用車載式升降平臺(tái)樣機(jī)于2017年10月交付神東補(bǔ)連塔煤礦，完成現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，并投入使用，已滿1年的試用期限，目前工作情況良好，其在補(bǔ)連塔煤礦井下試用期間主要用于6m高的巷道打錨桿支護(hù)，包括側(cè)壁和頂板支護(hù)，工作過程中會(huì)有大量的泥漿流到平臺(tái)車廂，每隔一段時(shí)間，需清理一次，減輕平臺(tái)載重?，F(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)平臺(tái)的升降高度和液壓系統(tǒng)的安全性評(píng)價(jià)很高，特別是行車閉鎖功能和防觸頂功能可以避免因工作人員失誤而導(dǎo)致的一些安全事故。通過實(shí)踐的檢驗(yàn)，此升降平臺(tái)在升降過程中比較平穩(wěn)，升降速度很人性化，消除了工作人員的恐懼感，與以往的搭建平臺(tái)相比還減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了工作效率。

圖4 礦用車載式升降平臺(tái)樣機(jī)

5 結(jié) 語

根據(jù)煤礦井下的施工特點(diǎn)，此液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既滿足了升降平臺(tái)的升降工作要求，又考慮了升降過程的安全性，進(jìn)行了過載保護(hù)，設(shè)計(jì)了防觸頂、行車閉鎖和緊急閉鎖裝置。液壓系統(tǒng)具有升降平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度控制功能，可以有效的避免平臺(tái)下降過程中的低頻抖動(dòng)現(xiàn)象。

防觸頂機(jī)構(gòu)及其液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且很有效，給部分煤礦機(jī)械提供了參考，具有一定的工程價(jià)值。行車閉鎖和緊急閉鎖的設(shè)計(jì)，提高了作業(yè)過程的安全性，對(duì)于煤礦井下復(fù)雜的工況很有實(shí)際意義。