裴康超，宋 健，徐靈靈，翟勝宇

(河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北省邯鄲市，056038)

在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，由于地質(zhì)原因，煤炭開(kāi)采工作面會(huì)遇到不可探測(cè)的斷層或障礙巖石[1]，巷道頂部的障礙巖石分布無(wú)規(guī)律且硬度較高，如直接使用采煤機(jī)進(jìn)行截割會(huì)對(duì)截齒造成嚴(yán)重的磨損，降低采煤機(jī)的工作效率。如果使用風(fēng)鎬破除巷道頂部巖石，作業(yè)操作復(fù)雜會(huì)影響采煤作業(yè)效率。在巷道支護(hù)過(guò)程中，巷道頂部裸露在外的大塊矸石會(huì)影響液壓支架的支護(hù)高度，減少采煤工作面的高度[2]，若將大塊矸石挖出則會(huì)影響巷道上部的穩(wěn)定性，因此建議通過(guò)切削的方式將突出巖石部分切削掉。 基于此，筆者研究設(shè)計(jì)了礦用液壓支架輔助破巖裝置，由于液壓支架的前探梁伸張性較好[3-4]，因此可借助液壓支架的前探梁來(lái)安裝輔助破巖裝置。該裝置安裝在液壓支架前探梁內(nèi)側(cè)，當(dāng)液壓支架向前移動(dòng)時(shí)，如出現(xiàn)突出巖石阻礙液壓支架前進(jìn)，可以利用本裝置將突出巖石破除。

1 礦用液壓支架輔助破巖裝置結(jié)構(gòu)組成

礦用液壓支架輔助破巖裝置由縱向移動(dòng)組件、橫向移動(dòng)組件、切割頭組件3部分組成，如圖1所示。

1-橫向直線滑軌；2-縱向直線滑軌；3-縱向滑塊；4-連接板；5-傳動(dòng)軸；6-縱向傳動(dòng)電機(jī)；7-橫向傳動(dòng)電機(jī)；8-橫向滑塊

(1)縱向移動(dòng)組件。縱向移動(dòng)組件由縱向直線滑軌、縱向滑塊、連接板、傳動(dòng)軸以及縱向傳動(dòng)電機(jī)構(gòu)成，其功能是帶動(dòng)切割頭組件沿前后移動(dòng)，調(diào)節(jié)切割頭組件中高壓水射流沖擊巖石的噴距。縱向移動(dòng)組件的行程為800 mm(可根據(jù)前探梁的長(zhǎng)度調(diào)整)。縱向移動(dòng)組件使用螺栓通過(guò)連接板與液壓支架前探梁底部連接，縱向傳動(dòng)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸使縱向滑塊同步移動(dòng)。

(2)橫向移動(dòng)組件。橫向移動(dòng)組件由橫向直線滑軌、橫向滑塊、橫向傳動(dòng)電機(jī)組成，其功能是帶動(dòng)切割頭組件使水射流噴嘴對(duì)障礙巖石進(jìn)行橫向切割破碎。橫向移動(dòng)組件的行程為1 200 mm(可根據(jù)前探梁的寬度調(diào)整)。切割頭組件使用螺栓安裝橫向滑塊上，橫向傳動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)橫向滑塊在橫向直線滑軌上移動(dòng)。

(3)切割頭組件。切割頭組件由水刀噴頭、水刀夾緊塊、高壓管、液壓機(jī)械臂桿、液壓桿、液壓管組成。切割頭組件結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

1-水刀噴頭；2-水刀夾緊塊；3-高壓管；4-液壓機(jī)械臂桿；5-液壓桿；6-液壓管

切割頭組件是輔助破巖裝置中的核心部分，其原理是利用高壓連續(xù)水射流或磨料水射流切割突出的障礙巖石。切割頭組件的工作角度為-45°～45°。切割頭組件可根據(jù)巖石種類物理性質(zhì)的不同，可選擇使用30～50 MPa的高壓純水射流或者磨料水射流對(duì)巖石進(jìn)行切割破碎。

2 礦用液壓支架輔助破巖裝置驅(qū)動(dòng)方式

(1)縱向移動(dòng)組件與橫向移動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)方式。礦用液壓支架輔助破巖裝置的縱向移動(dòng)組件與橫向移動(dòng)組件傳動(dòng)方式采用伺服電機(jī)傳動(dòng)。伺服電機(jī)又稱執(zhí)行電機(jī)，通過(guò)伺服控制系統(tǒng)命令機(jī)械零件工作，是一種間接輔助馬達(dá)穩(wěn)定變速裝置。伺服電機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，將控制系統(tǒng)發(fā)出的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出[5]，其主要分為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速裝置、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3大部分。伺服電機(jī)的減速裝置一般情況下由齒輪減速、蝸輪蝸桿、行星齒輪、諧波減速等構(gòu)成。伺服電機(jī)的直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有梯形絲桿、滾珠絲桿、滾柱絲桿、滑動(dòng)導(dǎo)軌等，本裝置采用滑動(dòng)導(dǎo)軌傳動(dòng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：在精度方面，實(shí)現(xiàn)了位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問(wèn)題；在轉(zhuǎn)速方面，高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2 000～3 000 r/min[6]；在適應(yīng)性方面，抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受3倍額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合特別適用；在穩(wěn)定方面，低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象；在及時(shí)性方面，電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)[7]；在舒適性方面，發(fā)熱和噪音明顯降低。

(2)切割頭組件驅(qū)動(dòng)方式。切割頭組件采用液壓傳動(dòng)，液壓系統(tǒng)液壓桿驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂從而實(shí)現(xiàn)水射流噴嘴的角度調(diào)節(jié)。

3 礦用液壓支架輔助破巖裝置工作原理

高壓水射流技術(shù)在采礦、石油、精密加工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[8]。高壓水射流技術(shù)作為一種冷破碎工藝，工作時(shí)無(wú)火花產(chǎn)生，特別適合于煤礦井下的工作環(huán)境[9]，當(dāng)高壓水射流產(chǎn)生的沖擊壓力超過(guò)障礙巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，巖石可破碎。

高壓水射流沖擊巖石可使巖石形成宏觀的破碎坑，水射流的沖擊流速來(lái)自噴嘴內(nèi)外的壓力差，當(dāng)水射流沖擊巖石時(shí)，其沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為沖擊壓力的機(jī)械能。同時(shí)使巖石內(nèi)部產(chǎn)生微觀損傷，水射流破巖時(shí)，首先巖石受到水射流沖擊而壓縮并形成“水錘壓力”[10]；隨后巖石在“水錘壓力”下被破壞。在高壓水射流沖擊巖石的過(guò)程中，水射流為連續(xù)射流，水射流的破巖壓力可以根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

在利用礦用液壓支架輔助破巖裝置破巖時(shí)，可根據(jù)巖石的硬度調(diào)節(jié)水射流系統(tǒng)壓力的大小或者更換硬度不同的磨料。磨料水射流對(duì)巖石具有良好的切割性能[11]，需求的工作壓力較低，一般30 MPa時(shí)就能產(chǎn)生良好的切割能力。高壓連續(xù)純水射流對(duì)巖石具有較好的破碎性能[12]，需求的工作壓力相比磨料水射流要高，可根據(jù)實(shí)際需求選擇水射流的種類。

4 礦用液壓支架輔助破巖裝置安裝方式

礦用液壓支架輔助破巖裝置安裝示意如圖3所示。

圖3 礦用液壓支架輔助破巖裝置安裝示意

(1)縱向移動(dòng)組件和橫向移動(dòng)組件安裝。縱向移動(dòng)組件中的2條縱向直線滑軌使用螺栓通過(guò)連接板與液壓支架的前探梁內(nèi)側(cè)連接。縱向移動(dòng)組件中的縱向直線滑軌的縱向傳動(dòng)電機(jī)安裝滑軌內(nèi)側(cè)，通過(guò)1根傳動(dòng)軸與縱向滑塊同步移動(dòng)。橫向移動(dòng)組件中橫向直線滑軌通過(guò)縱向滑塊與縱向移動(dòng)組件中的縱向直線滑軌垂直橋接，橫向移動(dòng)組件中的橫向直線滑軌的橫向傳遞電機(jī)垂直安裝在滑軌一端。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，橫向移動(dòng)組件中的直線滑軌比液壓支架前探梁長(zhǎng)度短6 cm；縱向移動(dòng)組件中的縱向直線滑軌比液壓支架的寬度短15 cm。

(2)切割頭組件安裝。切割頭組件中的水刀夾緊塊插入液壓機(jī)械臂前端并用螺栓固定，切割頭組件中的液壓機(jī)械臂桿使用螺栓與橫向移動(dòng)組件中的橫向直線滑軌連接。水刀頭通過(guò)液壓機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)角度調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)力由組件內(nèi)液壓桿提供。水刀頭通過(guò)橫向移動(dòng)組件中的直線滑軌進(jìn)行橫向移動(dòng)。

5 礦用液壓支架輔助破巖裝置操作流程

(1)當(dāng)液壓支架遇到突出巖石時(shí)，工作人員控制縱向直線滑軌使該直線滑軌帶動(dòng)切割頭組件向巖石方向移動(dòng)。

(2)完成前移步驟后，工作人員控制橫向直線滑軌通過(guò)滑塊控制本切割頭組件左右移動(dòng)，使本裝置中的水刀噴頭對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)巖石。

(3)完成左右移動(dòng)步驟后，控制液壓機(jī)械臂桿調(diào)節(jié)水刀噴頭角度，驅(qū)動(dòng)力由組件內(nèi)液壓桿提供，將水刀噴頭接近目標(biāo)巖石。

(4)開(kāi)啟水刀噴頭進(jìn)行切割，切割時(shí)控制橫向滑塊移動(dòng)，使其滿足對(duì)巖石切削的要求。

(5)切削完成后，按照反向步驟，使本裝置回到待啟動(dòng)狀態(tài)。

6 礦用液壓支架輔助破巖裝置實(shí)驗(yàn)效果

在煤礦井下采得巖石樣本，利用KYAG-600巖石剛性機(jī)測(cè)試巖石樣本的單軸抗壓強(qiáng)度，計(jì)算得出巖石樣本的單軸抗壓強(qiáng)度約為43 MPa，礦用液壓支架輔助破巖裝置分別采用40 MPa、45 MPa、50 MPa的高壓水射流進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

(1)使用上述3種高壓水射流，本裝置均將模擬工況的巖石破碎，3種壓力巖石破碎比能耗分別為2.62×104J/cm3、2.23×104J/cm3、1.77×104J/cm3，隨著水射流壓力的增高，破碎單位體積的巖石所消耗的能量越少。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中本裝置的橫向移動(dòng)、縱向移動(dòng)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(3)本裝置可承受實(shí)驗(yàn)高壓水射流的反沖擊。

(4)使用本裝置破巖可達(dá)到爆破和風(fēng)鎬破巖的破巖效果。

7 結(jié)論

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1)礦用液壓支架輔助破巖裝置能夠利用高壓水射流實(shí)現(xiàn)巖石切割與破碎，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(2)在如何選取最優(yōu)直徑的高壓水射流噴嘴方面還需要改進(jìn)，使得耗水量最小。

(3)由于液壓支架在移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)較大，使本裝置的切割頭組件產(chǎn)生較為明顯的松動(dòng)，下一步仍需要改進(jìn)。