新型煤矿纯机械式锚杆预紧控制装置分析
2020-04-10
(大同煤矿集团朔州煤电山西宏宇诚铸建设工程有限公司，山西 怀仁037041)
0 引言
锚杆支护技术是煤矿支护改革的主要方向之一，当前已经得到了广泛的应用。锚杆支护的一个重要参数是预紧扭矩，预紧扭矩的大小直接影响到锚杆支护的工程质量，其预紧扭矩必须满足《锚杆支护规范》要求，不得超出相应范围[1]。当锚杆的扭矩过大时，容易使锚杆体受损，影响寿命和支护质量，甚至使得锚杆体断裂。当锚杆的扭矩过小，不足以满足预紧效果时，直接影响支护质量。通常在气动锚杆钻机的输出轴连接放大倍数的扭矩倍增器，用于放大气动锚杆钻机的扭矩。理论上气动锚杆钻机的扭矩与气动压力呈线性关系，通过控制风压可以控制扭矩。但是在实际运用中，通过气压控制扭矩不能很好地实现。因煤矿井下环境恶劣，扭矩倍增器的齿轮容易进入煤粉，使得齿轮磨损导致传动效率降低，同时也导致传动的效率不一致，所以锚杆扭矩未能得到有效控制[2]。
目前常用的扭矩测量装置是扭矩限矩器。扭矩限矩器有气动型、摩擦型、滚轮型，但是这些扭矩限矩器存在使用环境要求高、使用寿命短的缺点，在井下施工不理想。扭矩测量方法主要分为应变片式、非接触式两大类。应变片式主要是通过测量旋转轴的应力、应变值获取相应的扭矩。非接触式主要是利用声、光、磁等原理将信号输出，但需要电源，而且结构复杂不易安装，因此非接触式也不适用于井下施工。基于当前现有扭矩控制装置存在的一系列问题[3-6]，笔者提出一种新型纯机械式锚杆预紧扭矩闭环控制装置。该装置具有结构简单、精度高、成本低的优点。
1 结构组成
新型纯机械式锚杆预紧扭矩闭环控制装置是由锚杆钻机、扭矩倍增器、二位三通滑阀以及波纹管等构成，见图1。
锚杆钻机在预紧锚杆过程中输出扭矩。扭矩倍增器是将输出的扭矩值进行放大，其一端连接锚杆钻机输出端，另一端连接锚杆螺母。波纹管固定在扭矩倍增器的把手上，用于检测扭矩倍增器输出的扭矩。当波纹管的压力升高到设定值后，二位三通滑阀的活塞运动，使得锚杆预紧气体回路断开，当锚杆预紧工序结束后，滑阀两端口连接气体回路，另一端连接波纹管的压力输出端[7-9]。
2 工作原理
图1 纯机械式锚杆预紧扭矩闭环控制装置
此锚杆预紧扭矩闭环装置的基本原理是：波纹管固定于扭矩倍增器的轴心L 把手位置，链条勾在锚网上，二位三通滑阀连接在气体回路。滑阀的阀口A、T 方向同气体流动方向相同，阀口B连接波纹管加压端。在锚杆预紧过程中，扭矩倍增器输出扭矩，同时其把手会受到反向力矩，链条受到拉力，由于杠杆机构的作用使得波纹管受压，随着扭矩的增大，拉链的拉力增大，波纹管的压力也随之增大。当扭矩达到设定值时，压力达到滑阀活塞开启压力，此时活塞迅速动作，致使阀口A 与T 断开，即气体回路断开，锚杆钻机结束工作，滑阀的活塞回到初始位置，这样就完成了一次锚杆预紧的过程。
3 装置各机构参数
3.1 滑阀结构参数
滑阀是纯机械式锚杆预紧扭矩闭环控制装置的主要部分之一。当扭矩未达到预紧值时，阀芯活塞不动作。当波纹管液体压力达到预定的数值时，滑阀活塞运动，滑阀关闭，锚杆预紧回路断开，与此同时，滑阀的阀芯活塞也回到初始位置，为了保证装置的可靠性，滑阀的参数尤为重要。滑阀的主要参数有阀芯活塞的尺寸、阀口的尺寸、弹簧的刚度以及滑阀的摩擦因数等，见表1。
表1 滑阀结构参数
表2 波纹管结构参数
图2 仿真模型
3.2 波纹管结构参数
波纹管的功能是通过液压力作用在滑阀测量齿圈扭矩，因此波纹管的性能也关系到此装置的可靠性和灵敏性。波纹管的参数包括波纹管的内径、外径、壁厚、单波高度等等。波纹管的参数见表2。
4 装置的仿真分析
根据此纯机械式锚杆预紧控制装置的原理，建立AMESim模型[10]，如图2所示。其中锚杆钻机型号为MQT-130/3.2，扭矩倍增器装置的型号为ZN-4。
此装置的二级减速器由大小齿轮构成，压缩气体带动锚杆钻机产生扭矩，传输到小齿轮Ⅰ，再经大齿轮Ⅰ变速传输到小齿轮Ⅱ，最后通过大齿轮Ⅱ进行二级减速，输出到扭矩倍增器，将扭矩放大4倍。通过AMESim模型的建立，对此装置的控制回路进行仿真。滑阀和锚杆预紧扭矩响应曲线见图3。
图3 预紧扭矩响应曲线
图4 传动效率分析图
由图可知，锚杆预紧过程中螺母扭矩随着负载的增大而增大，当螺母扭矩达到500 N·m时，响应时间小于2.5 s。
煤矿井下作业环境恶劣，齿轮之间容易进入粉尘，造成齿轮的磨损，使得传动效率低下。因此，分析不同传动效率下理论扭矩与实际扭矩的关系是必要的。经实验测得，煤矿井下使用扭矩倍增器传动效率为80%～95%。传动效率为80%、85%、90%、95%时的实际扭矩如图4所示。
由图可知，当此装置锚杆预紧控制扭矩为500 N·m，在不同传动效率下，扭矩输出值都大于500 N·m，最大误差可达到6.2%。虽然该误差对此装置影响不大，但是依然需要定期对此装置进行维护，使其达到理想状态。
表3 井下实验数据表
5 井下实验分析
为了验证该装置的可靠性和灵敏度，在某煤矿井下实验，并通过力矩扳手进行检验，测得的扭矩传输效率为90%，实验如表3所示。由表可以看出，该装置控制扭矩在480～510 N·m 内，相对于整体效果，影响微小。
综上所述，纯机械式锚杆预紧控制装置能有效地控制锚杆扭矩，具有响应时间快、精度高、灵敏度强、可靠性好等特点。对于煤矿井下锚杆支护施工作业具有重要意义。
6 结束语
通过某煤矿井下实验表明，该装置可有效地控制扭矩在480～510 N·m 内，控制精度可达到90%以上，传动效率控制误差在6.2%左右。
