矿用重型风镐推进机构控制系统研究

原红飞

(潞安环能股份公司 漳村煤矿，山西 长治 046032)

全气动重型风镐破煤机是相比于现有小风镐，具有更大破煤冲击能量、更大功率的装置。不同于小风镐需工人手持靠体力搬运推进，重型风镐本身具有较大质量，因此加装气腿实现机动推进，不仅可以提供比人力更大的推进力提高破煤效率，还解放了人力，降低了工人劳动强度。因此气腿推力的控制不仅影响破煤效率，还是重型风镐实现机动作业的关键。

重型风镐的气腿机动推进灵感来源于气腿式凿岩机，但又与其不同。我国已定型的气腿式凿岩机全都采用了节流型复合式调压阀(如YT26型，YT24型，7655型等)，但该方式在矿山的使用中普遍感到气腿调压不稳(不大就小)以及有效调节区间较窄，不易得到最佳轴推力。而全气动重型风镐的气腿推进采用的是降压型调压方案，相比于节流型调压，降压型调压可以实现压力的精确控制，而且大大减少了耗气量[1]。该推进机构的控制系统基本实现了操作集中于柄体这样一有利于单人单机作业的条件，具有气路短、结构简单的特点，可靠地实现了无级调压。

1 推进机构的工作原理

推进机构主要包括气腿及其控制系统，主要功能是实现气腿伸出推力的线性可控，以及气腿的回收。气腿的控制气路由换向阀、调压阀和单向阀组成。其气路结构及工作原理如图1所示，气源压缩空气连接换向阀进气口P，换向阀有两个出气口A和B，A通过气管连接调压阀进气口，再由调压阀出气口连接气腿上腔，同时调压阀进、出气口两端并联单向阀，B由气管直接连接气腿下腔。换向阀常态为P连通A口，B接通大气。工作时，操作人员按压调压阀手柄，使得气腿上腔压力升高，气腿伸出，通过调节手柄松紧可调节气腿力的大小；破煤完成后，松开手柄，气腿内压力会由调压阀缓慢释放，如需收回气腿，只需按下换向阀按钮，使得P连通B口，A连通大气，气腿即可收回。

图1 推进机构气路原理

2 降压型调压阀的设计

降压型调压阀通过调节将进口压力减至需要的出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定。在本方案中主要用于调节气腿上腔压力，使得气腿推力稳定可控[2]。本方案的特点是设计出特定的机械结构可以人工实时调节弹簧力的大小，实现输出端压力快速便捷调节。

杠杆直动式调压阀结构如图2所示。把调压阀安装进壳体内，锁紧螺丝将阀定位固定，按压手柄可以直接压缩调压弹簧，弹簧压缩从而将力传递给膜片，将膜片下压，膜片带动调压柱、阀芯下移将阀口打开，于是P2口压力上升。当P2口压力上升到调定压力时，压力经反馈导管传递到膜片下腔，将膜片上顶，调压柱、阀芯在复位弹簧作用下上移，阀口关闭，出口处压力维持稳定，实现调压作用。通过手柄的不同按压程度可实现不同压力的调节，而且直接放开手柄可以迅速泄压，提高了机具的安全可靠性能。

图2 调压阀结构

3 仿真模型

在AMESim软件中使用气动元件设计库(PCD)对元件进行建模[3]。根据对调压阀的原理分析，应用AMESim PCD库构造图3所示的仿真模型。在仿真过程中，调压阀通过活塞连接组装并通过弹簧、传感器完成信号的转换。通过给定信号来调节输出端压力的大小，以达到所需的压力。

图3 调压阀仿真模型

在图3中，左端带弹簧气动活塞相当于调压阀复位弹簧腔，气动活塞(左PNA0011)相当于调压阀阀芯，活塞杆相当于调压柱，气动活塞(右PNA0042)相当于调压阀膜片，弹簧相当于调压弹簧，右侧杠杆相当于手柄结构，以实现按压省力和操作快速便捷的效果。

建立的推进机构仿真模型如图4所示。参照各部件的相关数据，设置系统参数，见表1。

图4 推进机构仿真模型

部位名称子模型参数设置压力源PNCS001压力设为0.6MPa带弹簧气动活塞PNPA003活塞直径5mm活塞杆直径4mm弹簧刚度5N/mm气动活塞PNA0011活塞直径5mm活塞杆直径3mm气动活塞PNA0042活塞直径20mm活塞杆直径3mm气孔直径1.5mm活塞初始位置0.5mm限位质量块MAS005质量0.1kg粘性摩擦系数100N/(m·s)最高位置界限0mm最低位置界限-4mm弹簧SPR000弹簧刚度30N/mm线性机械杠杆LML031端口1到支点距离0.18m端口2到支点距离0.025m换向阀PNSV241气孔通径50mm2气腿PNJ0001质量16kg活塞直径65mm活塞杆直径33mm行程长度1000mm

4 仿真分析

将表1所示的参数输入调压阀仿真模型，进行仿真，由仿真结果分析所构建调压阀模型的压力特性。手柄位移与调压阀阀芯位移变化曲线如图5所示，系统负载压力变化曲线如图6所示。负载压力随阀芯位移的变化曲线如图7所示。

图5 手柄位移与阀芯位移变化曲线

1) 手柄位移与阀芯位移关系。由图5可以看出，阀芯位移变化趋势基本跟随手柄位移变化，这一特性保证了阀控制响应的快速灵敏。阀芯位移曲线在5 s、10 s、15 s三个时间节点处发生突变，这说明阀芯在启动和停止时会有振动，这是由于阀芯动作时腔内压力发生变化引起的。由手柄位移与阀芯位移变化关系曲线可以看出，调压阀在负载增压和降压过程中手柄位移与阀芯位移关系曲线不重合，这是因为降压时负载端口存在残余压力造成的。

2) 负载压力与阀芯位移关系。由图6可以看出，负载压力曲线与手柄位移曲线具有高度重合性，这表明调压阀具有良好的压力控制特性，满足调节气腿推力的要求，快速响应可以保证紧急情况下的安全要求。由图7可以看出，在增压和降压的两个过程中，相同阀芯位移对应两个不同的负载压力，这是由于降压时负载端残余压力释放缓慢，使得压力较增压时高。这表明快速降压时负载端压力释放会有延时，这与实际情况相符合。

图6 调压阀负载压力变化曲线

图7 负载压力随阀芯位移变化曲线

3)单向阀对气路的影响。将表1所示的参数输入推进机构仿真模型，进行仿真，仿真模拟了气路完整的工作过程，检测了各阀在回路中的作用。5 s时按压手柄，到10 s时压力调到最大，保持5 s后放开手柄，到20 s时换向回收气腿。仿真结果如图8～图10所示。

图8 气腿位移变化

由图8可以看出，气腿在阀的控制下可以实现稳定连续的伸出和回收。有单向阀相比无单向阀可以使回收时间缩短7 s，效果显著。

图9 有单向阀时气腿压力变化

图10 无单向阀时气腿压力变化

由图9和图10对比可知，单向阀仅在气腿回收时起作用，主要作用是使气腿上腔更快泄压，降低背压，使得气腿回收更为快速顺畅。

5 结 语

通过对推进机构控制系统气路的建模与仿真，验证了该设计方案的合理性。根据该气路原理制作了试验样机，并对样机进行了测试，得到以下结论：

1) 样机的控制机构操作方便，结构简单可靠，实现了操作集中于柄体这样一有利于单人单机作业的条件。

2) 调压阀的使用方便快捷，在使用过程中双手把持风镐的情况下，仅手指即可完成调压工作，且压力调节稳定可靠，可实现压力无级调换。与压力仿真结果相吻合。

3) 整个推进机构的动作特性与仿真结果一致，证明了该控制原理的正确性和合理性。表明仿真模型是实际模型的正确反映，为该系统的设计和改进提供了依据。