董榮寶

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

目前煤礦領域掘進巷道普遍采用懸臂式掘進機、連采機及掘錨機等分斷面掘進方式，這種方式制約煤礦生產(chǎn)，不適應形勢的發(fā)展。通過研究分析,研制了煤巷全斷面掘進機,其一次成型斷面為矩形(尺寸5.8×3.8 m)，采用步進式掘進，步距為1.5 m，由于該機頭與機尾之間存在1.5 m空頂距，需要在此布置多臺錨桿機。錨桿機作為掘進機的關鍵設備直接制約著掘進速度，故有必要設計合理的錨桿機液壓控制方案。

1 錨桿機組成及工作原理

錨桿鉆機的位置如圖1所示。錨桿鉆機主要有撐柱組件、長短進給油缸、滑架、鏈傳動、鉆箱、冷卻降塵系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)組成，采用全液壓驅(qū)動，如圖2所示。全斷面掘進機推進過程中同時打錨桿。

圖1 錨桿機位置

錨桿鉆機依靠長、短進給油缸的兩級進給和鉆箱的旋實現(xiàn)鉆孔和安裝錨桿作業(yè)。鉆孔前，首先將支撐柱撐頂，將鉆架穩(wěn)定好。布置于滑架的長短進給油缸將滑架及鉆箱由滑架底部推至頂部，兩次推進運動的完成共同實現(xiàn)鉆機鉆箱進給運動。

圖2 錨桿鉆機結(jié)構(gòu)

2 三種液壓系統(tǒng)方案

2.1 單泵-分流閥方案

采用分流閥將一臺液壓泵2輸出的流量等分給2臺錨桿機，錨桿機的3個執(zhí)行器采用中位機能為M的換向閥5串聯(lián)在一起。系統(tǒng)壓力由溢流閥3調(diào)節(jié)，推進缸與支撐缸的平衡閥9具有油缸保壓及平穩(wěn)下降的作用，如圖3所示。2臺錨桿機同時工作時，溢流閥溢流出少量高壓油液回油箱，其他油液等分到2臺錨桿機。當僅僅1臺錨桿機工作時，不工作回路的油液經(jīng)過分流閥、3個換向閥及管路直接回到油箱。

1-過濾器;2-液壓泵;3-溢流閥;4-分流閥;5-換向閥;6,7,8-執(zhí)行器;9-平衡閥。

分流閥由2個固定節(jié)流口及2個可變節(jié)流口組成，要產(chǎn)生分流效果，必須產(chǎn)生壓降，這樣會產(chǎn)生大量的熱，同時油液經(jīng)過串聯(lián)的換向閥也要產(chǎn)生熱量。系統(tǒng)產(chǎn)生大量的熱會造成系統(tǒng)泄漏及效率降低,故有必要在系統(tǒng)中采用強制冷卻。液壓馬達、推進缸及支撐缸串聯(lián)在一個回路中，各個元件的速度不容易匹配馬達和油缸同時工作時，馬達承受一定的背壓，對馬達使用壽命造成一定的影響。

2.2 雙泵-分流閥方案

該種方案采用大小流量的液壓泵3配備2個分流閥4。其中一個分流閥經(jīng)過2個換向閥5連接2臺馬達7,另一個分流閥經(jīng)過4個換向閥連接4個液壓缸。換向閥中位采用M機能。2個溢流閥2分別設置2臺液壓泵的系統(tǒng)壓力如圖4所示。

1-過濾器;2-液壓泵;3-溢流閥;4-分流閥;5-換向閥;6-平衡閥;7,8,9-執(zhí)行器。

由于2臺錨桿機參數(shù)一樣，回轉(zhuǎn)、推進及支撐的回路壓力可以按照工況進行調(diào)節(jié)，流量分配更加合理。2臺機器同時工作時，壓力、流量都可以得到充分利用。當僅僅一臺機器工作時另一路油液經(jīng)過分流閥、3個換向閥及管路直接回到油箱。仍然會造成壓力損失，會產(chǎn)生大量的熱。并且分2泵會造成系統(tǒng)管路復雜，結(jié)構(gòu)也不緊湊。

2.3 負載敏感方案

由圖5所示,負載敏感回路中，液壓泵出口處的換向閥5前后分別引出壓力油至泵的流量控制閥閥芯兩端，流量閥的彈簧力較小且預先設定(一般約相當于壓力2.0 MPa)。當換向閥閥口開度大一些，換向閥兩端的壓差就減小，從而調(diào)節(jié)變量機構(gòu)兩端壓差就減小，推動斜盤使之傾角增大，直到輸出的負載流量在節(jié)流閥上的壓差重新與流量閥的彈簧力達到平衡為止。通過改變換向閥的閥口大小來適應不同工況所需要的負載流量。

式中：FS為變量機構(gòu)的彈簧力;AF為閥芯有效作用面積。

泵的輸出流量：Q2=K·A·(Δp)m。

泵的輸出功率：P=P1+P2

式中：P1為有用功;P2為節(jié)流損失。

對于負載敏感泵來說，不存在溢流損失，盡管系統(tǒng)依然存在節(jié)流損失，但節(jié)流損失僅僅為比例節(jié)流口產(chǎn)生的壓差(2.0MPa)所造成的能量損失,且產(chǎn)生的損失較小，其損失功率為：P2=Q2×Δp。

1-過濾器;2-液壓泵;3-溢流閥;4-方向閥;5-單向閥;6-平衡閥;7,8,9-執(zhí)行器。

2個錨桿機同時工作時，負載敏感油路通過單向閥5進行壓力反饋，使系統(tǒng)始終滿足外負載的要求。只要系統(tǒng)中所有同時工作的回路總流量之和小于液壓泵的飽和流量，那么各個執(zhí)行器就可以同時工作，且互不干擾。當僅一臺錨桿機工作時，對回路沒有影響。

3 三種液壓系統(tǒng)方案分析

1) 方案1:結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉但發(fā)熱量較大，效率較低，馬達和液壓缸不能很好地分配流量。

2) 方案2:執(zhí)行器的壓力、流量分配合理，與方案1比較可靠性高，且有較大的發(fā)熱量。

3) 方案3:采用負載敏感控制液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)多個執(zhí)行器同時運行根據(jù)負載合理分配壓力與流量，執(zhí)行機構(gòu)都不運行時，液壓泵僅僅產(chǎn)生少量油液，用來彌補系統(tǒng)的泄漏。外部負載超過系統(tǒng)設置最大值時，液壓系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)到最小流量，對系統(tǒng)進行保護。

4 結(jié)論

為使錨桿機作為掘進機的關鍵設備能提升速度,合理的設計液壓控制方案很有必要。通過設計的3種液壓系統(tǒng)方案進行了比較結(jié)果,其中第3方案,即負載敏感方案,通過井下試驗，此方案效率最高，而且安全可靠。