呂保戰(zhàn)

（山西省霍州煤電集團(tuán)有限公司，山西 霍州 031400）

引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展以及不斷擴(kuò)展的工業(yè)規(guī)模，作為一次能源的煤炭在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要的地位。對于將產(chǎn)煤作為主要經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一些國家，為應(yīng)對快速經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源提出的需求，提高掘進(jìn)機(jī)的高機(jī)械化與自動化才能夠相應(yīng)地提升各項開采工作的速度與強(qiáng)度。各大科研團(tuán)隊也在積極開展研究新型高效的巷道掘進(jìn)機(jī)以及與其相關(guān)的一系列配套設(shè)備，如掘落機(jī)、支護(hù)、裝載機(jī)、降塵設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備等，這無疑加速了現(xiàn)代化懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展。早在20 世紀(jì)40 年代末期，懸臂式掘進(jìn)機(jī)就已被應(yīng)用于煤炭開采過程中，且作為掘進(jìn)機(jī)械之一的懸臂式掘進(jìn)機(jī)在整個施工過程中扮演著重要的角色。[1]目前，應(yīng)現(xiàn)代化的掘進(jìn)要求，不但要求掘進(jìn)機(jī)具有高工作效率而且需要低采掘成本。與國外掘進(jìn)機(jī)的自動化控制相比，我國在用掘進(jìn)機(jī)還有待提高，需針對其控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與改進(jìn)研究，通過提高掘進(jìn)機(jī)的自動化、機(jī)械化以提高工作效率，同時，通過優(yōu)化工作環(huán)境以提升安全性。

1 AM-50型掘進(jìn)機(jī)簡介

針對我國煤礦開采的特點(diǎn)，早在20 世紀(jì)70 年代，我國就已引進(jìn)并使用AM-50型號掘進(jìn)機(jī)。該型號掘進(jìn)機(jī)具有較大的切割斷面，可針對一些較硬的煤巖完成切割。它的外形尺寸較小，長寬高為7 500 mm×2 105 mm×1 645 mm，具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)重，約26 t。該掘進(jìn)機(jī)的組成部分總體主要包括切割機(jī)構(gòu)（切割頭、切割懸臂、回轉(zhuǎn)臺）、裝載機(jī)構(gòu)、中間刮板運(yùn)輸機(jī)、橋式膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)、行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)。該掘進(jìn)機(jī)安全性高，對一些異常工作情況，包括低水溫、短路、過載等可實(shí)施監(jiān)測以及保護(hù)[2]。

該型號的掘進(jìn)機(jī)優(yōu)點(diǎn)眾多：在上下坡的掘進(jìn)過程中為防止其自溜下滑，采用具有自鎖作用的單頭窩桿傳動方式；掘進(jìn)機(jī)中連接組件所用到的螺母、螺釘以及緊固螺栓的材質(zhì)均為乳狀料膠，可靠性較高；其切割方式為軸向，主要依靠回轉(zhuǎn)臺中的齒輪-齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)切割；其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，所涉及到的元件與部件均符合高質(zhì)量、嚴(yán)格制造的選用要求。

該型號的掘進(jìn)機(jī)也有一些缺點(diǎn)：在機(jī)器的兩側(cè)分別設(shè)有配電箱和操作臺，因此需要在機(jī)器的兩側(cè)留有操作空間，這在一定程度上縮小了設(shè)備應(yīng)有的斷面范圍；切割機(jī)構(gòu)及裝載機(jī)構(gòu)較為固定，前者無法自由伸縮，后者則不能左右擺動，導(dǎo)致操作難度加大，工作效率降低；內(nèi)部缺乏噴霧設(shè)備，且使用外噴霧降塵時，噴嘴數(shù)量少，效果差。

2 原有液壓控制系統(tǒng)的分析

該液壓系統(tǒng)使用的壓力油主要基于一臺交流電機(jī)，通過在油箱內(nèi)的軸向柱塞變量泵經(jīng)聯(lián)軸器予以提供。該電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1450 r/min、功率為11 kW。當(dāng)切割煤巖的軟硬程度不同時，則需要有不同的切割速度，而切割頭所需的不同速度，主要依靠泵體的輸出流量得以調(diào)控。主要的調(diào)控過程為，通過操作油箱上的回轉(zhuǎn)立軸調(diào)整所需輸出流量對應(yīng)的泵體位置。如果調(diào)整泵體在位置1，使其切割頭切割硬巖，則輸出的流量為34 L/min，相應(yīng)供給切割頭速度73.6 r/min；如果調(diào)整泵體在位置2，使其切割頭切割軟巖，則輸出的流量為40 L/min，相應(yīng)供給切割頭速度88.5 r/min。在整個施工工程中，固定好泵體的位置，將其作為定量泵，使輸出流量保持不變。

垂直擺動和左右擺動油缸的控制系統(tǒng)，由兩個手動的換向閥來控制切割壁的擺動，其擺動方向主要是通過工人操作手柄進(jìn)行控制，操作方向與實(shí)際擺動方向一致。垂直擺動油缸的控制回路主要包括2個油缸、3 個液控單向閥以及1 個單向節(jié)流閥。液控單向閥的主要作用是使油缸達(dá)到自鎖且工作更加穩(wěn)定；單向節(jié)流閥的主要作用是提升掘進(jìn)安全性，防止由于切割臂崩裂造成下降事故的發(fā)生，其背壓可被調(diào)定為12～13 MPa。左右擺動油缸的控制回路則包括2 個齒條油缸、2 個液控單向閥以及2 個溢流閥。2 個液控單向閥的作用與上述垂直擺動油缸中的作用一致，用于提高設(shè)備的工作穩(wěn)定性；2 個溢流閥實(shí)則為安全閥，主要針對回轉(zhuǎn)臺中的齒條油缸以及齒條-齒輪副中的壓縮張緊彈力圈進(jìn)行安全控制。該型號掘進(jìn)機(jī)的傳統(tǒng)控制回路如圖1 所示。

圖1 AM-50型號掘進(jìn)機(jī)的傳統(tǒng)控制回路

3 新改液壓控制系統(tǒng)的分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在工作過程中主要依靠切割電機(jī)使切割頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并通過液壓控制系統(tǒng)來擺動懸臂且控制其擺動的速度和擺動的方向進(jìn)行切割煤巖。鑒于原液壓控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中面臨控制精度不足、響應(yīng)速度慢的問題，對原液壓控制系統(tǒng)做如下改進(jìn)：采用電液比例中的比例節(jié)流進(jìn)行調(diào)速，采用比例方向閥替代原方向閥實(shí)現(xiàn)對方向的控制。

比例節(jié)流調(diào)速方式涉及的節(jié)流元件主要包括比例方向閥、比例調(diào)速閥以及比例節(jié)流閥，供油方式是定量泵供油，主要調(diào)節(jié)節(jié)流口前后的壓差以及通流的面積，進(jìn)而控制執(zhí)行器的進(jìn)入流量完成最終調(diào)速。該方法適合被應(yīng)用于具有較小功率的場景，具有高控制精度、快速響應(yīng)的能力、簡單結(jié)構(gòu)、低損失以及高效率。對速度與方向的控制均采用比例方向閥，方向的控制主要基于電磁鐵的得失電。

除此之外，整個液壓系統(tǒng)的速度傳感器與位移傳感器分別檢測并調(diào)控該掘進(jìn)機(jī)的速度以及方向。采用速度傳感器可檢測活塞的速度，并輸出相關(guān)的電信號，通過信號放大器對比設(shè)置速度的信號，控制方向閥的開口程度基于電磁鐵，完成調(diào)節(jié)速度；采用位移傳感器檢測活塞的位置，通過信號放大器比較與原設(shè)置位置的信號并放大[3-4]。AM-50型號掘進(jìn)機(jī)的新改控制回路如圖2 所示。

圖2 AM-50型號掘進(jìn)機(jī)的新改控制回路

4 結(jié)論

對掘進(jìn)機(jī)原液壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行改進(jìn)，通過比例方向閥來控制掘進(jìn)機(jī)的速度和方向，達(dá)到了提升掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)控制效率、掘進(jìn)效率和運(yùn)行安全性的目的。