某掘锚机自动钻架控制系统的故障与改进

乔彦华

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西太原 030006）

0 引言

随着世界煤炭设备制造行业的飞速发展，各种先进性采煤设备的实用性越来越好。比如矿井在巷道掘进方面，先是人工开采到掘进机开采，后面扩展到连续采煤机以及掘锚机开采，这使的煤炭企业在巷道掘进时可以根据自己的实际情况，选择不同设备和开采工艺来有效完成任务。在巷道支护方面，从单体支护到两臂支护再到四臂、六臂、八臂和十臂支护，大大提高了巷道掘进的速度和安全性。在现代煤炭安全生产中，煤矿的快速掘进能力就是其重要目标之一。而掘锚机就是实现煤矿巷道高效、安全、优质和快速掘进的重要设备之一。下面介绍某种掘锚机钻架的操作功能，并分析其的特点和不足之处，同时也给出了改进的方法措施，有效提高了该设备锚钻机构的使用性。

1 钻架的自动控制功能原理

该钻架自动掘锚机整机的液压系统主要由负载反馈泵和负载反馈多路阀构成，下面只对其锚钻回路进行说明。锚钻回路的钻箱和进给油缸可以通过多路阀第一联或第二联的手柄单独控制，第三联用于进给油缸的快速进给控制。一般情况下，为了减小工人的劳动强度，钻箱旋转与进给手动控制回路同时开启，开启后，自动锚钻保持回路开始运行，钻箱和进给油缸连续运转，直到进给油缸行程到位后，主阀芯复位，钻箱旋转与进给自动结束。

自动钻孔的具体工作流程：同时操作多路阀的第一联和第二联手柄，钻箱马达开始旋转，取自钻箱马达高压侧的液压油将进给回路的液控单向阀打开，取自进给油缸回路的高压油通过液控单向阀，依次经顺序阀和减压阀到定位机构中活塞大腔（钻箱控制回路的控制液还经过阻尼堵，阻尼堵起缓冲作用）。液压油推动活塞克服小腔弹簧力向外运动，活塞伸出后与主阀芯上的定位杆互锁，主阀芯不能复位，一直处于换向位。钻箱持续旋转，进给油缸持续伸出，当钻箱运动到极限位置时，碰撞阀接通，高压油进入定位机构弹簧腔，推动活塞向上运动，定位活塞被复位，主阀芯在复位弹簧的作用下复位，钻箱旋转与进给停止，自动钻孔工作完成。

2 自动控制功能失效原因

顶锚定位机结构如图1 所示。液压控单向阀、顺序阀、减压阀、定位机构故障均有可能导致操作钻箱自动旋转与进给时主阀芯无法定位这一故障。使用过程中发现，引起此故障的主要原因有3 个：

图1 顶锚定位机构

（1）减压阀压力变小所导致。这是因为减压阀在工作过程中受间歇性压力冲击，造成阀调节螺杆锁母松动，螺杆退出，调压弹簧预压缩力减小，阀的输出压力减小，减小的压力不足以克服定位活塞小腔的弹簧力，定位活塞无法伸出。如果减压阀输出压力调节过大将导致定位活塞无法复位，因此一般调节1～2 MPa 左右为宜。

（2）图1 中定位机构中的定位活塞或多路阀主阀芯上的定位槽由于机械性磨损导致互锁功能失效，最终影响主阀芯定位。在实际自动钻孔的过程中，由于工况的需要，经常会手动强制复位主阀芯的情况，这时由于自动控制回路一直在工作，主阀芯和定位活塞头的摩擦力会很大，两者在相对滑动过程就会有较大的磨损，长期操作就会造成定位机构的严重磨损，最后失效。

（3）阻尼堵孔径偏小易堵塞造成不能顺利定位或者不能定位。在不考虑活塞以及O 形圈侧壁摩擦力的情况下，此工作系统可以看成小孔流节回路，这样可以根据流量公式来分析此时上下活塞的运动时的受力情况。

式中 Q——流量，m3/s

Cd——流量系数，常数

A0——通流面积，m2

ΔP——压差，N/m2

ρ——密度，kg/m3

在活塞上腔进入的控制液流速一定的情况下，下腔流出的体积也是一定的，即Q 一定，这时小孔的面积A0和ΔP 的平方根成反比。如果阻尼孔被杂质堵塞了，也即A0减小，则ΔP 增大，即需要大活塞上的提供更高的压力才能保证活塞的平稳运动。随着A0减小，大活塞上需要提供的压力超过减压阀的设定压力时，定位活塞头将无法伸出而不能完成和多路阀主阀芯的机械互锁功能，即定位功能失效。

3 改进措施

针对以上问题，提出了相应的解决和改进方案。

（1）对于摩擦力偏小的情况，此时可以适当增大减压阀的输出压力来增大互锁斜面的正压力，以克服阀芯弹簧复位力。

（2）手动机械强制复位的弊端不仅容易损坏定位机构，而且在摩擦力大的情况下可能会造成复位不及时情况，这将有一定的安全隐患。对此可以增加手动的液控回路来解决。在原系统上增加手动阀和梭阀后，需要停止自动程序时，只需要按下操作按钮，高压油进入定位机构弹簧腔，定位活塞被复位，主阀芯自动复位，钻箱旋转与进给停止（图2）。这样能完成和碰撞阀一样的功能，不仅使用方便快速的停止自动锚护程序，而且还能有效解决手动操作手柄强制复位导致的机械磨损问题。

（3）目前该设备定位机构的阻尼堵的直径约0.6 mm，可以将其设计成1 mm、1.2 mm 或1.5 mm 等，因为在实际的运动过程中，活塞上的O 形圈受高压油的作用，其和活塞壁在相对运动过程中产生的摩擦力是有一定的影响。经过计算和试验，直径在1.2 mm 时，其定位效果和抗污染的性明显改善。

4 结语

（1）改进后的系统，钻架自动控制回路故障率显著降低。

（2）经过实际使用，改进后系统的实用性、可靠性和寿命大大增加。