某掘錨機自動鉆架控制系統的故障與改進

喬彥華

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西太原 030006）

0 引言

隨著世界煤炭設備制造行業的飛速發展，各種先進性采煤設備的實用性越來越好。比如礦井在巷道掘進方面，先是人工開采到掘進機開采，后面擴展到連續采煤機以及掘錨機開采，這使的煤炭企業在巷道掘進時可以根據自己的實際情況，選擇不同設備和開采工藝來有效完成任務。在巷道支護方面，從單體支護到兩臂支護再到四臂、六臂、八臂和十臂支護，大大提高了巷道掘進的速度和安全性。在現代煤炭安全生產中，煤礦的快速掘進能力就是其重要目標之一。而掘錨機就是實現煤礦巷道高效、安全、優質和快速掘進的重要設備之一。下面介紹某種掘錨機鉆架的操作功能，并分析其的特點和不足之處，同時也給出了改進的方法措施，有效提高了該設備錨鉆機構的使用性。

1 鉆架的自動控制功能原理

該鉆架自動掘錨機整機的液壓系統主要由負載反饋泵和負載反饋多路閥構成，下面只對其錨鉆回路進行說明。錨鉆回路的鉆箱和進給油缸可以通過多路閥第一聯或第二聯的手柄單獨控制，第三聯用于進給油缸的快速進給控制。一般情況下，為了減小工人的勞動強度，鉆箱旋轉與進給手動控制回路同時開啟，開啟后，自動錨鉆保持回路開始運行，鉆箱和進給油缸連續運轉，直到進給油缸行程到位后，主閥芯復位，鉆箱旋轉與進給自動結束。

自動鉆孔的具體工作流程：同時操作多路閥的第一聯和第二聯手柄，鉆箱馬達開始旋轉，取自鉆箱馬達高壓側的液壓油將進給回路的液控單向閥打開，取自進給油缸回路的高壓油通過液控單向閥，依次經順序閥和減壓閥到定位機構中活塞大腔（鉆箱控制回路的控制液還經過阻尼堵，阻尼堵起緩沖作用）。液壓油推動活塞克服小腔彈簧力向外運動，活塞伸出后與主閥芯上的定位桿互鎖，主閥芯不能復位，一直處于換向位。鉆箱持續旋轉，進給油缸持續伸出，當鉆箱運動到極限位置時，碰撞閥接通，高壓油進入定位機構彈簧腔，推動活塞向上運動，定位活塞被復位，主閥芯在復位彈簧的作用下復位，鉆箱旋轉與進給停止，自動鉆孔工作完成。

2 自動控制功能失效原因

頂錨定位機結構如圖1 所示。液壓控單向閥、順序閥、減壓閥、定位機構故障均有可能導致操作鉆箱自動旋轉與進給時主閥芯無法定位這一故障。使用過程中發現，引起此故障的主要原因有3 個：

圖1 頂錨定位機構

（1）減壓閥壓力變小所導致。這是因為減壓閥在工作過程中受間歇性壓力沖擊，造成閥調節螺桿鎖母松動，螺桿退出，調壓彈簧預壓縮力減小，閥的輸出壓力減小，減小的壓力不足以克服定位活塞小腔的彈簧力，定位活塞無法伸出。如果減壓閥輸出壓力調節過大將導致定位活塞無法復位，因此一般調節1～2 MPa 左右為宜。

（2）圖1 中定位機構中的定位活塞或多路閥主閥芯上的定位槽由于機械性磨損導致互鎖功能失效，最終影響主閥芯定位。在實際自動鉆孔的過程中，由于工況的需要，經常會手動強制復位主閥芯的情況，這時由于自動控制回路一直在工作，主閥芯和定位活塞頭的摩擦力會很大，兩者在相對滑動過程就會有較大的磨損，長期操作就會造成定位機構的嚴重磨損，最后失效。

（3）阻尼堵孔徑偏小易堵塞造成不能順利定位或者不能定位。在不考慮活塞以及O 形圈側壁摩擦力的情況下，此工作系統可以看成小孔流節回路，這樣可以根據流量公式來分析此時上下活塞的運動時的受力情況。

式中 Q——流量，m3/s

Cd——流量系數，常數

A0——通流面積，m2

ΔP——壓差，N/m2

ρ——密度，kg/m3

在活塞上腔進入的控制液流速一定的情況下，下腔流出的體積也是一定的，即Q 一定，這時小孔的面積A0和ΔP 的平方根成反比。如果阻尼孔被雜質堵塞了，也即A0減小，則ΔP 增大，即需要大活塞上的提供更高的壓力才能保證活塞的平穩運動。隨著A0減小，大活塞上需要提供的壓力超過減壓閥的設定壓力時，定位活塞頭將無法伸出而不能完成和多路閥主閥芯的機械互鎖功能，即定位功能失效。

3 改進措施

針對以上問題，提出了相應的解決和改進方案。

（1）對于摩擦力偏小的情況，此時可以適當增大減壓閥的輸出壓力來增大互鎖斜面的正壓力，以克服閥芯彈簧復位力。

（2）手動機械強制復位的弊端不僅容易損壞定位機構，而且在摩擦力大的情況下可能會造成復位不及時情況，這將有一定的安全隱患。對此可以增加手動的液控回路來解決。在原系統上增加手動閥和梭閥后，需要停止自動程序時，只需要按下操作按鈕，高壓油進入定位機構彈簧腔，定位活塞被復位，主閥芯自動復位，鉆箱旋轉與進給停止（圖2）。這樣能完成和碰撞閥一樣的功能，不僅使用方便快速的停止自動錨護程序，而且還能有效解決手動操作手柄強制復位導致的機械磨損問題。

（3）目前該設備定位機構的阻尼堵的直徑約0.6 mm，可以將其設計成1 mm、1.2 mm 或1.5 mm 等，因為在實際的運動過程中，活塞上的O 形圈受高壓油的作用，其和活塞壁在相對運動過程中產生的摩擦力是有一定的影響。經過計算和試驗，直徑在1.2 mm 時，其定位效果和抗污染的性明顯改善。

4 結語

（1）改進后的系統，鉆架自動控制回路故障率顯著降低。

（2）經過實際使用，改進后系統的實用性、可靠性和壽命大大增加。