婁磊，蘭三東，陳孟舉，秦偉業(yè)

( 1.南京工業(yè)職業(yè)技術大學機械工程學院，江蘇南京 210023；2.四川航天烽火伺服控制技術有限公司，四川成都 611130；3.貴州中煙工業(yè)有限公司畢節(jié)卷煙廠，貴州畢節(jié) 551700)

0 前言

在煤礦瓦斯抽采、強排水、通風、送料、礦山救援逃生等領域，輸送通道掘進常采用集束式潛孔錘進行作業(yè)。集束式潛孔錘作業(yè)時需要集中供氣，氣體由空壓機集中輸出，經輸氣管路分配至集束潛孔錘內的各個潛孔錘，氣體的流量和壓力要根據巖層及工況的變化不斷調整。當前采用集束式潛孔錘進行作業(yè)時，往往采用高壓、大流量、大功率的空壓機集中供氣，在巖層及工況發(fā)生變化時，不能調節(jié)氣流的壓力及流量，造成鉆孔鑿巖能耗過大。在現(xiàn)有集束式潛孔鑿巖技術的基礎上，本文作者設計一種氣流調節(jié)機構，能使集束式潛孔錘在不同工況作業(yè)時，氣流得到有效調節(jié)與分配，從而提高鑿巖效率，減少能耗。

集束式潛孔錘工作時，如空壓機的流量較小則會造成上返巖屑不利、堵鉆現(xiàn)象，如空壓機的流量較大會出現(xiàn)空壓機憋壓，如流量過大還會出現(xiàn)潛孔錘頭斷裂，造成潛孔錘不沖擊等惡劣事故。因此，如何保證攜巖和鉆進所需的風量和壓力，并使之合理分配，顯得極其重要。因此，研究集束式潛孔錘的氣流調節(jié)機構，分析氣流調節(jié)機構的工作原理，并采取相應措施控制機構的合理運動使氣流得到合理分配，是十分必要的。

針對集束式潛孔錘的作業(yè)效率問題，石智軍等對大直徑集束式潛孔錘的掘進工藝進行分析并進行了相關試驗， 結果表明大直徑集束式潛孔錘比普通牙輪鉆孔效率提高了3倍。高文強對集束式潛孔錘的配氣機構進行了優(yōu)化設計，并利用Fluent對配氣機構進氣通道中氣體的運動過程進行了模擬。

針對多油缸同步控制問題，方子帆、許立等人采用AMESim軟件，分析了同步閥的閥芯直徑、彈簧剛度及節(jié)流孔孔徑對同步閥流量特性的影響。蔣淋和姚平喜設計了一種新型三級結構同步閥，該同步閥增加了流量和壓力補償功能，提高了它在負載均勻工況時的流量分配精度。李洪龍、汪飛雪等對雙缸液壓機的同步控制系統(tǒng)進行了研究，分析了不同控制策略、不同負載特性對雙缸同步特性的影響。王寶山等設計了高地隙履帶作業(yè)車，采用分流集流閥對履帶車的履帶馬達進行控制，研究了不同負載下履帶車的跑偏特性。吳娜、李勝永等對鍛造液壓機的雙缸同步控制系統(tǒng)進行了研究，分析了PID及模糊-單神經元PID對液壓缸同步特性的影響。李海軍等基于灰色預測理論，設計了雙缸同步控制器，并進行了雙缸同步誤差研究。劉佑民等針對航天領域的雙液壓缸舉升系統(tǒng)，設計了智能同步控制器并進行了相關試驗驗證，結果表明設計的智能同步控制器同步控制效果良好。田英等人采用蟻群PID算法對串聯(lián)及并聯(lián)型的雙缸系統(tǒng)進行了同步控制，結果表明蟻群PID算法對并聯(lián)型雙缸系統(tǒng)的同步控制效果優(yōu)于串聯(lián)型系統(tǒng)。

上述研究人員對不同工程裝備的雙缸或多缸系統(tǒng)進行了同步控制研究，主要集中在同步控制策略及同步閥同步性能的研究，研究結果為文中集束式潛孔錘氣流調節(jié)機構的同步研究提供了參考。本文作者設計并制作了集束式潛孔錘的氣流調節(jié)機構。采用同步閥對調節(jié)機構的驅動油缸進行控制，對比分析不同偏載工況下，氣流調節(jié)閥驅動油缸的同步特性。

1 集束式潛孔錘及氣流調節(jié)機構原理

集束式潛孔錘模型如圖1所示，主要由潛孔錘段、氣流調節(jié)端及鉆桿段組成。鉆桿為中空型鉆桿，保證鉆桿內部可以通過氣流，氣流調節(jié)段主要對鉆桿內流入的氣流進行控制，從而實現(xiàn)對氣流的分配。

圖1 集束式潛孔錘模型

集束式潛孔錘氣流調節(jié)機構原理如圖2所示，鉆桿內腔的壓縮空氣流經氣流調節(jié)段時，調節(jié)閥在驅動油缸的作用下動作，調節(jié)閥片打開，高壓氣流經過調節(jié)閥流向低壓分流氣室，經排氣孔進行吹渣作業(yè)。通過調節(jié)閥門的開度可以調節(jié)分流氣流量，從而可實現(xiàn)對高壓氣室壓力和流量的調節(jié)。經排氣孔排出的氣體可對孔底巖屑進行吹洗，合理調節(jié)閥門可以實現(xiàn)鉆進和攜巖氣流的有效分配。

圖2 集束式潛孔錘氣流調節(jié)原理

氣流調節(jié)機構模型如圖3所示，調節(jié)機構由外筒、內筒、驅動油缸及調節(jié)閥組成。調節(jié)機構的內筒和鉆桿內部的氣流通道對應，外筒和潛孔錘的低壓分流腔對應。當調節(jié)機構在驅動油缸的作用下動作時，調節(jié)閥片打開，鉆桿內部的高壓氣體被分流至低壓分流氣室，起到調節(jié)集束式潛孔錘氣流壓力和流量的作用。

圖3 氣流調節(jié)機構

2 同步閥控模型建立

2.1 同步閥結構及工作原理

同步閥結構如圖4所示。同步閥由閥體、左右彈簧、左右主閥芯、左右通流閥、中間彈簧、閥蓋及定差減壓閥組成。左右兩側主閥芯通過中間彈簧及掛鉤相連。分流時，在壓力油作用下掛鉤起作用；集流時，在壓力油的作用下，左右兩側主閥芯壓縮中間彈簧。

圖4 同步閥裝配圖

同步閥工作時，P口進液壓油，經定差減壓閥后油液分為三部分，一部分經節(jié)流孔a流向主閥芯的左側彈簧腔，一部分經節(jié)流孔b流向主閥芯的右側彈簧腔，另外一部分經節(jié)流孔c流向主閥芯的中間彈簧腔。流經左側彈簧腔的油液經可變節(jié)流孔e流向工作油口A，流經右側彈簧腔的油液經可變節(jié)流孔k流向工作油口B，從而實現(xiàn)油液的分流。當一側負載口壓力變化時，如A口負載增大，則左側彈簧腔壓力升高，推動主閥芯向右移動，增大節(jié)流孔e的開口面積，減小節(jié)流孔k的開口面積，提高右側通道的阻力，增大壓降，直至左右主閥芯兩側受到的力平衡，A口和B口的流量又恢復至相同。圖5所示為同步閥的實物拆解圖，可以看到主閥芯為左右兩半，通過掛鉤相連接。

圖5 同步閥體及閥芯實物

圖6所示為定差減壓閥的裝配圖。定差減壓閥由閥蓋、閥體、減壓閥閥套、彈簧、閥芯及下活塞組成。圖7所示為定差減壓閥的實物拆解圖。定差減壓閥的工作原理：主閥體P口進油，油液經過減壓閥閥套上的進油孔，一部分作用于下活塞的上表面，一部分經過閥套上的節(jié)流孔a流向左側彈簧腔，另一部分經過閥套上的節(jié)流孔b流向右側彈簧腔。流向左側彈簧腔的油液經節(jié)流孔d流向閥芯的上表面，流向右側彈簧腔的油液經節(jié)流孔f流向下活塞的下表面。經過節(jié)流孔a和b分別流向左右兩側彈簧腔的油液壓差僅與閥芯上方的彈簧力有關，形成定差減壓閥。節(jié)流孔a和b的開口面積與系統(tǒng)流量的變化相一致，保證流量突變時通過其壓降恒定，可使同步閥能適應的流量范圍增大。節(jié)流孔d和節(jié)流孔f由減壓閥閥套外表面切割而成。

圖6 定差減壓閥裝配圖

圖7 定差減壓閥實物

2.2 同步閥數(shù)學模型

同步閥的控制原理如圖8所示。

圖8 同步閥控原理

節(jié)流孔a的流量方程為

(1)

節(jié)流孔b的流量方程為

(2)

節(jié)流孔c的流量方程為

(3)

節(jié)流孔e的流量方程為

(4)

節(jié)流孔k的流量方程為

(5)

同步閥總的流量連續(xù)性方程為

(6)

同步閥左側閥芯的受力方程為

(7)

同步閥右側閥芯的受力方程為

(8)

式中:、、分別為節(jié)流孔a、b和c的面積；為主閥芯的移動量；為同步閥定差減壓閥閥套內扣除閥芯部分的容積；為左右側彈簧腔內彈簧的剛度；為中間彈簧剛度。

3 試驗原理及方案

集束式潛孔錘氣流調節(jié)機構同步試驗的液壓原理如圖9所示。3個驅動油缸由電磁閥及2個同步閥控制驅動調節(jié)閥門。加載油缸由減壓閥及電磁閥組控制，減壓閥可以設定不同壓力，加載油缸主要作用是為驅動油缸設定不同阻力，驗證不同載荷工況下，驅動油缸的同步特性。

圖9 同步試驗液壓系統(tǒng)原理

圖10所示為加載油缸布置圖。3個加載油缸間隔120°布置，其一端固定與頂板上，另一端固定于加載板上，設定3個加載油缸的減壓閥壓力，即可設定不同的加載狀態(tài)。

圖10 加載油缸布置示意

圖11所示為閥門上移示意。驅動油缸推動閥門上移，漏出氣孔。為驗證驅動油缸的同步特性，此次設計的閥門機構內筒和閥門的間隙為15 mm。加載油缸的壓力通過減壓閥設定，其不同載荷組合如表1所示。

圖11 閥門上移示意

表1 加載油缸設置參數(shù) 單位:MPa

4 三缸同步試驗研究

三缸同步試驗裝置如圖12所示，其液壓系統(tǒng)控制原理如圖9所示，加載方案如表1所示。調節(jié)閥門控制系統(tǒng)如圖13所示。

試驗系統(tǒng)主要參數(shù)：主溢流閥設定壓力為25 MPa，油源最大輸出流量為100 L/min，驅動油缸的行程為120 mm。試驗時采用研華工控機進行控制，控制板卡為PCI-1716，編程控制驅動油缸的運動及加載油缸的加載，檢測信號由閥板上的位移傳感器傳給工控機。加載油缸設定參數(shù)分為3組，每組設定載荷見表1。為檢測閥門的運動誤差，工控機控制驅動油缸以三角波的形式往返運動。

圖12 調節(jié)閥門試驗裝置

圖13 調節(jié)閥門控制系統(tǒng)

對氣流調節(jié)閥門進行均載及偏載試驗，試驗結果分別如圖14、圖15及圖16所示。試驗過程中為避開油缸的起始位置，從油缸行至20～95 mm處進行往返試驗。

圖14 均載試驗曲線 圖15 偏載模式1試驗曲線

圖16 偏載模式2試驗曲線

圖14所示為調節(jié)閥門均載試驗曲線。圖中為0～15 s時，驅動油缸為伸出工況，為15～30 s時，驅動油缸小腔(有桿腔)進油，為縮回工況?？芍涸跒?～15 s時，驅動電磁閥換向時，3個驅動油缸大腔接通壓力油，同時驅動閥門向前移動，當閥門到達95 mm處，驅動電磁閥換向，3個驅動油缸小腔接通壓力油，帶動閥門向后移動至20 mm處。之后驅動油缸循環(huán)往復運動，運行至120 s時，停止運動。驅動油缸在均載狀態(tài)下循環(huán)往復運動，3個油缸在同步閥控制作用下，同步精度較好，位移曲線幾乎重合，位移誤差在1%以內。

圖15所示為偏載模式1試驗曲線。可知：在為0～15 s時，在起始階段，3個驅動油缸的位移曲線重合度較好；隨著位移的增加，由于負載不均勻，同步閥芯在偏載載荷的作用下，自動調整重新分配流量，但由于閥芯不平衡力、內漏及節(jié)流孔加工誤差的影響，3個驅動油缸的位移誤差逐漸增大，到達終點時，位移誤差達8 mm。

圖16所示為偏載模式2試驗曲線。可知：在位移為20～40 mm時，3個驅動油缸的位移曲線重合度較好，由于負載不均勻，隨著位移的增加，3個驅動油缸的位移誤差逐漸增大，到達終點時，位移誤差達12 mm。

對比圖14—圖16可知：在均載狀態(tài)下，3個驅動油缸的位移曲線重合度較好，位移誤差在1%以內，隨著偏載載荷的增加，3個驅動油缸的位移誤差逐漸增大，由偏載模式1變化到偏載模式2時，驅動閥門的最大位移誤差由10%增大到15%。

5 結論

(1)設計了集束式潛孔沖擊器的氣流調節(jié)機構，分析了其運動原理。針對氣流調節(jié)機構閥門的同步控制，分析了同步閥的機械結構及原理，推導了同步閥的流量方程及主閥芯受力方程。

(2)搭建氣流調節(jié)機構試驗臺，測試了均載狀態(tài)和偏載狀態(tài)下氣流調節(jié)機構的同步特性。結果表明：在均載狀態(tài)下，3個驅動油缸的位移曲線重合度高，同步閥的同步性能好，隨著偏載載荷的增加，3個驅動油缸的位移誤差逐漸增大，由偏載模式1變化到偏載模式2時，驅動閥門的最大位移誤差由10%增大到15%。