CN108868762A - 一种磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置及方法。磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置包括磨料供给系统和控制系统，磨料供给系统包括磨料储存装置和驱动摇臂上的磨料混合输注装置，控制系统包括PLC控制器、流量计、扭矩传感器、变量泵等部件；控制时可以在截割坚硬煤岩时打开磨料储存装置和调高高压水的压力，并根据水流量和扭矩数据控制导流螺杆以合适的速度运转，将所需流量的磨料颗粒导入磨料混合管销，再通过在磨料混合管销和在磨料混合管中与高压水的两次混合均匀地被泵入截齿，在上述过程中通过PLC控制使导流螺杆的转速与水流量和扭矩配合，实现对磨料浓度的精确控制，可以有效辅助破岩；使采煤机顺利截割坚硬煤岩。
Description
技术领域
本发明涉及一种磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置及方法，属于采煤技术领域。
背景技术
由于我国能源体系的结构特点，煤炭资源在我国国民经济的发展中具有不可替代的重要作用。随着煤炭储量的日渐减少，提高煤炭资源回采率以减少对煤炭资源开采的损耗浪费，已成为我国煤炭工业的一项紧迫任务。目前，大多数中、小型矿井在采煤过程中对于复杂的坚硬煤岩层往往弃之不采；规模较大的机械化采煤矿井在生产中，因坚硬煤岩夹矸较硬，使用采煤机割煤时非常困难，效率低下，且经常造成采煤机故障，较大地影响了回采工作。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置及方法，可以使采煤机具备截割坚硬煤岩的能力，增加对坚硬煤岩的开采效率，从而实现对煤矿资源的充分开采利用、提高煤炭资源的回采率，且能够避免截割硬质煤层时造成采煤机故障、节约维护成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置，包括磨料供给系统和控制系统；
所述磨料供给系统包括一磨料储存装置和一设在截割滚筒的驱动摇臂上的磨料混合输注装置；所述磨料混合输注装置包括
一磨料混合输注本体，磨料混合输注本体通过安装座固定在驱动摇臂上，
一磨料输送软管，磨料输送软管一端与磨料储存装置连接，另一端通过一磨料进入通道通入磨料混合输注本体中，
一导流螺杆，所述导流螺杆通过滚珠轴承坐设在磨料混合输注本体中，其一侧与磨料进入通道连通，导流螺杆由回转机构驱动旋转，用于对磨料搅拌导流，
一磨料混合管，所述磨料混合管置于磨料混合输注本体中，一端向内与截割滚筒的内部水道连通，另一端向外连通至一高压软管；所述磨料混合管通过从外侧沿磨料混合管的径向插入磨料混合输注本体中的磨料混合管销固定，且磨料混合管销为中空设计，其一端连通至磨料混合管，另一端与外部的高压水道连通；所述导流螺杆通过一磨料分流槽与磨料混合管销连通，将磨料经磨料分流槽分流后从磨料混合管销的侧壁流入磨料混合管销中；
所述控制系统包括
流量计，安装在磨料混合管和磨料混合管销露出磨料混合输注本体的入口处，
一扭矩传感器，设置在截割滚筒的回转轴上；
一变量泵，分别与高压软管和高压水道连接，用于输送高压水；
一PLC控制器，其输入端与流量计、扭矩传感器电连接，用于接收流量计、扭矩传感器检测到的数据信号；其输出端与变量泵、磨料储存装置的开关、回转机构的控制单元电连接，用于对应控制各部件的动作。
磨料混合管销可以设为一个或多个。优选的，为了提升磨料输注导流的效率，所述磨料混合管销有两个，对称布置在磨料混合管两侧。
优选的，所述回转机构包括螺杆电机，所述螺杆电机通过联轴器与导流螺杆连接。螺杆电机启动后可以带动导流螺杆旋转。
优选的，为了方便组装，所述磨料进入通道由一对扣合的卡具顶板组成。
进一步的，磨料混合管销露出磨料混合输注本体的部分套设有弹簧，所述弹簧一端固定在磨料混合管销外壁上，另一端固定在磨料混合输注本体表面。将磨料混合管放入预设的位置，松开弹簧即可将磨料混合管销的前端与磨料混合管连接实现磨料混合管的装卡与密封。磨料混合管发生磨料堵塞时可以直接沿轴向向外拉动磨料混合管销解除对磨料混合管的定位、再将磨料混合管取出更换；如果磨料混合管销出现堵塞或磨损的情况，可以直接拉开、拆去弹簧，将磨料混合管销拔出后再更换新的磨料混合管销。
优选的，磨料储存装置为压力储存罐。
本发明磨料射流辅助采煤机破硬岩的方法具体包括如下步骤：
a、实验采集数据库：分别采集不同的流量计流量、截割扭矩对应的最佳螺杆电机转速数据，形成数据库输入至PLC控制器中；
b、采煤机进入工作状态，控制系统通过安装于截割滚筒回转轴上的扭矩传感器检测到的信号，判定采煤机是否截割硬岩；
c、当检测到的扭矩数据大大超过截割煤岩时的扭矩时，判定为截割硬岩；此时PLC控制器调高变量泵的流量，使得射流系统输注高压水的压力升高；同时控制磨料储存装置的开关打开，使磨料经磨料输送软管进入磨料混合输注装置中；
d、PLC控制器控制启动螺杆电机，并根据扭矩数据、以及磨料混合管和磨料混合管销露出磨料混合输注本体入口处的流量计测得的流量数值，利用数据库对应确定螺杆电机的转动速度；
e、PLC控制器将控制信号放大并驱动螺杆电机执行控制信号使其达到预设的转动速度，导流螺杆在螺杆电机的带动下，利用双向螺旋叶片将磨料颗粒均匀分流至两条磨料分流槽；
f、磨料经两条对称的磨料分流槽进入两端的磨料混合管销，在磨料混合管销内与外部高压水道输入的高压水实现初次混合，再进入磨料混合管的混合腔内、与经高压软管输入的高压水再混合后由中心射流截齿喷出，实现磨料射流辅助破岩；
g、采煤过程中当检测到的扭矩数据在截割煤岩的扭矩范围内时，PLC控制器判定为截割煤岩，PLC控制器调低变量泵的流量，使得射流系统输注高压水的压力降低，同时控制磨料储存装置的开关关闭、关闭螺杆电机，射流系统仅用于降尘；如此循环往复直至采煤完毕采煤机停机。
相对于现有技术，本发明具有如下优势：
(1)本发明的磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置可以确定采煤机截割时的工作状态，并控制磨料供给系统在不同工况下的动作，可以在截割坚硬煤岩时打开磨料储存装置和调高输注高压水的压力，并根据水流量和扭矩数据控制导流螺杆以合适的速度运转，将所需流量和浓度的磨料颗粒导入磨料混合管销，再通过在磨料混合管销和在磨料混合管中与高压水的两次混合均匀地被泵入中心射流截齿中，在上述过程中通过PLC控制使导流螺杆的转速与水流量和扭矩相配合，实现对磨料浓度的精确控制，喷出后可以有效辅助破岩；
(2)本发明的装置设计结构简洁，在采煤机原有的截割和射流系统的基础上仅加装了磨料射流辅助采煤机破硬岩装置，结构重量轻便，没有改变采煤机的原有机械结构和运行方式；通过这一设置使采煤机具备了截割坚硬煤岩的能力，增加了对坚硬煤岩的开采效率，从而实现了对煤矿资源的充分开采利用、提高了煤炭资源的回采率；且磨料射流辅助采煤机破硬岩装置可以辅助破岩，减轻了采煤机的工作负载和对采煤机的损耗，避免了截割硬质煤层时造成采煤机故障、节约了维护成本，保证了开采过程的连续性，从而大大提高了经济效益。
附图说明
图1是本发明采煤机的三维示意图；
图2是本发明磨料混合输注装置的安装示意图；
图3是本发明磨料混合输注装置的结构示意图；
图4是图3的右视图；
图5是本发明控制系统的连接原理图；
图6是本发明磨料射流辅助采煤机破硬岩的方法的工作流程图；
图7是本发明控制系统的控制原理图。
图中，1、采煤机，2、截割滚筒，2-1、驱动摇臂；2-2、中心射流截齿；
31、磨料储存装置；32、磨料混合输注装置；32-1、磨料混合输注本体；32-1-1、安装座；32-2、磨料输送软管；32-3、磨料进入通道；32-4、导流螺杆；32-5、滚珠轴承，32-6、磨料混合管，32-7、磨料混合管销；32-7-1、弹簧；32-8、磨料分流槽；32-9、螺杆电机；32-10、联轴器；32-11、高压软管；4-1、流量计；4-2、变量泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图所示，一种磨料射流辅助采煤机破硬岩装置，包括磨料供给系统和控制系统；
所述磨料供给系统包括一磨料储存装置31和一设在采煤机1的截割滚筒2的驱动摇臂2-1上的磨料混合输注装置32；所述磨料混合输注装置32包括
一磨料混合输注本体32-1，磨料混合输注本体32-1通过安装座32-1-1固定在驱动摇臂2-1上，
一磨料输送软管32-2，磨料输送软管32-2一端与磨料储存装置31连接，另一端通过一磨料进入通道32-3通入磨料混合输注本体32-1中，
一导流螺杆32-4，所述导流螺杆32-4通过滚珠轴承32-5坐设在磨料混合输注本体32-1中，其一侧与磨料进入通道32-3连通，导流螺杆32-4由回转机构驱动旋转，用于对磨料搅拌导流，
一磨料混合管32-6，所述磨料混合管32-6置于磨料混合输注本体32-1中，一端向内与截割滚筒2的内部水道连通、并通过内部水道连通至截割滚筒2周向上的中心射流截齿2-2，另一端向外连通至一高压软管32-11；所述磨料混合管32-6通过从外侧沿磨料混合管32-6的径向插入磨料混合输注本体32-1中的磨料混合管销32-7固定，且磨料混合管销32-7为中空设计，其一端连通至磨料混合管32-6，另一端与外部的高压水道连通；所述导流螺杆32-4通过一磨料分流槽32-8与磨料混合管销32-7连通，将磨料经磨料分流槽32-8分流后从磨料混合管销32-7的侧壁流入磨料混合管销32-7中；
所述控制系统包括：
流量计4-1，安装在磨料混合管32-6和磨料混合管销32-7露出磨料混合输注本体32-1的入口处，
一扭矩传感器，设置在截割滚筒2的回转轴上；
一变量泵4-2，分别与高压软管32-7和高压水道连接，用于输送高压水；
一PLC控制器，其输入端与流量计4-1、扭矩传感器电连接，用于接收流量计4-1、扭矩传感器检测到的数据信号；其输出端与变量泵4-2、磨料储存装置31的开关、回转机构的控制单元电连接，用于对应控制各部件的动作。还可以在流量计4-1、扭矩传感器与PLC控制器之间加装信号调理模块，流量计4-1、扭矩传感器经信号调理后输入PLC控制器可以加快处理速度；实际使用时还可以将PLC控制器与采煤机的控制面板连接，根据实际需要通过控制面板向PLC控制器中输入控制参数，也可以通过控制面板实时了解PLC控制器的控制情况；设置电源模块为各元件供电。
磨料混合管销32-7可以设为一个或多个。优选的，为了提升磨料输注导流的效率，所述磨料混合管销32-7有两个，对称布置在磨料混合管32-6两侧。
优选的，所述回转机构包括螺杆电机32-9，所述螺杆电机32-9通过联轴器32-10与导流螺杆32-4连接。螺杆电机32-9启动后可以带动导流螺杆32-4旋转。
优选的，为了方便组装，所述磨料进入通道32-3由一对扣合的卡具顶板组成。
进一步的，磨料混合管销32-7露出磨料混合输注本体32-1的部分套设有弹簧32-7-1，所述弹簧32-7-1一端固定在磨料混合管销32-7外壁上，另一端固定在磨料混合输注本体32-1表面。将磨料混合管32-6放入预设的位置，松开弹簧32-7-1即可将磨料混合管销32-7的前端与磨料混合管32-6连接实现磨料混合管32-6的装卡与密封。磨料混合管32-6发生磨料堵塞时可以直接沿轴向向外拉动磨料混合管销32-7解除对磨料混合管32-6的定位、再将磨料混合管32-6取出更换；如果磨料混合管销32-7出现堵塞或磨损的情况，可以直接拉开、拆去弹簧32-7-1，将磨料混合管销32-7拔出后再更换新的磨料混合管销32-7。
优选的，磨料储存装置31为压力储存罐。
本发明磨料射流辅助采煤机破硬岩的方法具体包括如下步骤：
a、实验采集数据库：分别采集不同的流量计4-1流量、截割扭矩对应的最佳螺杆电机32-9转速数据，形成数据库输入至PLC控制器中；
b、采煤机1进入工作状态，控制系统通过安装于截割滚筒2回转轴上的扭矩传感器检测到的信号，判定采煤机1是否截割硬岩；
c、当检测到的扭矩数据大大超过截割煤岩时的扭矩时，判定为截割硬岩；此时PLC控制器调高变量泵4-2的流量，使得射流系统输注高压水的压力升高；同时控制磨料储存装置31的开关打开，使磨料经磨料输送软管32-2进入磨料混合输注装置32中；
d、PLC控制器控制启动螺杆电机32-9，并根据扭矩数据、以及磨料混合管32-6和磨料混合管销32-7露出磨料混合输注本体32-1入口处的流量计4-1测得的流量数值，利用数据库对应确定螺杆电机32-9的转动速度；
e、PLC控制器将控制信号放大并驱动螺杆电机32-9执行控制信号使其达到预设的转动速度，导流螺杆32-4在螺杆电机32-9的带动下，利用双向螺旋叶片将磨料颗粒均匀分流至两条磨料分流槽32-8；
f、磨料经两条对称的磨料分流槽32-8进入两端的磨料混合管销32-7，在磨料混合管销32-7内与外部高压水道输入的高压水实现初次混合，再进入磨料混合管32-6的混合腔内、与经高压软管32-11输入的高压水再混合后由中心射流截齿2-2喷出，实现磨料射流辅助破岩；
当磨料混合管32-6发生磨料堵塞时可以直接沿轴向向外拉动磨料混合管销32-7解除对磨料混合管32-6的定位、再将磨料混合管32-6取出更换；如果磨料混合管销32-7出现堵塞或磨损的情况，可以直接拉开、拆去弹簧32-7-1，将磨料混合管销32-7拔出后更换新的磨料混合管销32-7；
g、采煤过程中当检测到的扭矩数据在截割煤岩的扭矩范围内时，PLC控制器判定为截割煤岩，PLC控制器调低变量泵4-1的流量，使得射流系统输注高压水的压力降低，同时控制磨料储存装置31的开关关闭、关闭螺杆电机32-9，射流系统仅用于降尘；如此循环往复直至采煤完毕采煤机1停机。
Claims (7)
1.一种磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置，其特征在于，包括磨料供给系统和控制系统；
所述磨料供给系统包括一磨料储存装置(31)和一设在截割滚筒(2)的驱动摇臂(2-1)上的磨料混合输注装置(32)；所述磨料混合输注装置(32)包括
一磨料混合输注本体(32-1)，磨料混合输注本体(32-1)通过安装座(32-1-1)固定在驱动摇臂(2-1)上，
一磨料输送软管(32-2)，磨料输送软管(32-2)一端与磨料储存装置(31)连接，另一端通过一磨料进入通道(32-3)通入磨料混合输注本体(32-1)中，
一导流螺杆(32-4)，所述导流螺杆(32-4)通过滚珠轴承(32-5)坐设在磨料混合输注本体(32-1)中，其一侧与磨料进入通道(32-3)连通，导流螺杆(32-4)由回转机构驱动旋转，用于对磨料搅拌导流，
一磨料混合管(32-6)，所述磨料混合管(32-6)置于磨料混合输注本体(32-1)中，一端向内与截割滚筒(2)的内部水道连通，另一端向外连通至一高压软管(32-11)；所述磨料混合管(32-6)通过从外侧沿磨料混合管(32-6)的径向插入磨料混合输注本体(32-1)中的磨料混合管销(32-7)固定，且磨料混合管销(32-7)为中空设计，其一端连通至磨料混合管(32-6)，另一端与外部的高压水道连通；所述导流螺杆(32-4)通过一磨料分流槽(32-8)与磨料混合管销(32-7)连通，将磨料经磨料分流槽(32-8)分流后从磨料混合管销(32-7)的侧壁流入磨料混合管销(32-7)中；
所述控制系统包括
流量计(4-1)，安装在磨料混合管(32-6)和磨料混合管销(32-7)露出磨料混合输注本体(32-1)的入口处，
一扭矩传感器，设置在截割滚筒(2)的回转轴上；
一变量泵(4-2)，分别与高压软管(32-7)和高压水道连接，用于输送高压水；
一PLC控制器，其输入端与流量计(4-1)、扭矩传感器电连接，用于接收流量计(4-1)、扭矩传感器检测到的数据信号；其输出端与变量泵(4-2)、磨料储存装置(31)的开关、回转机构的控制单元电连接，用于对应控制各部件的动作。
2.根据权利要求1所述的磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置，其特征在于，所述磨料混合管销(32-7)有两个，对称布置在磨料混合管(32-6)两侧。
3.根据权利要求1所述的磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置，其特征在于，所述回转机构包括螺杆电机(32-9)，所述螺杆电机(32-9)通过联轴器(32-10)与导流螺杆(32-4)连接。
4.根据权利要求1所述的磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置，其特征在于，所述磨料进入通道(32-3)由一对扣合的卡具顶板组成。
5.根据权利要求1所述的磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置，其特征在于，所述磨料混合管销(32-7)露出磨料混合输注本体(32-1)的部分套设有弹簧(32-7-1)，所述弹簧(32-7-1)一端固定在磨料混合管销(32-7)外壁上，另一端固定在磨料混合输注本体(32-1)表面。
6.根据权利要求1所述的磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置，其特征在于，磨料储存装置(31)为压力储存罐。
7.一种磨料射流辅助采煤机破硬岩的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、实验采集数据库：分别采集不同的流量计(4-1)流量、截割扭矩对应的最佳螺杆电机(32-9)转速数据，形成数据库输入至PLC控制器中；
b、采煤机(1)进入工作状态，控制系统通过安装于截割滚筒(2)回转轴上的扭矩传感器检测到的信号，判定采煤机(1)是否截割硬岩；
c、当检测到的扭矩数据大大超过截割普通煤岩时的扭矩时，判定为截割硬岩；此时PLC控制器调高变量泵(4-2)的流量，使得射流系统输注高压水的压力升高；同时控制磨料储存装置(31)的开关打开，使磨料经磨料输送软管(32-2)进入磨料混合输注装置(32)中；
d、PLC控制器控制启动螺杆电机(32-9)，并根据扭矩数据、以及磨料混合管(32-6)和磨料混合管销(32-7)露出磨料混合输注本体(32-1)入口处的流量计(4-1)测得的流量数值，利用数据库对应确定螺杆电机(32-9)的转动速度；
e、PLC控制器将控制信号放大并驱动螺杆电机(32-9)执行控制信号使其达到预设的转动速度，导流螺杆(32-4)在螺杆电机(32-9)的带动下，利用双向螺旋叶片将磨料颗粒均匀分流至两条磨料分流槽(32-8)；
f、磨料经两条对称的磨料分流槽(32-8)进入两端的磨料混合管销(32-7)，在磨料混合管销(32-7)内与外部高压水道输入的高压水实现初次混合，再进入磨料混合管(32-6)的混合腔内、与经高压软管(32-11)输入的高压水再混合后由中心射流截齿(2-2)喷出，实现磨料射流辅助破岩；
g、当检测到的扭矩数据在截割普通煤岩的扭矩范围内时，PLC控制器判定为截割煤岩，PLC控制器调低变量泵(4-1)的流量，使得射流系统输注高压水的压力降低，同时控制磨料储存装置(31)的开关关闭、关闭螺杆电机(32-9)，射流系统仅用于降尘；如此循环往复直至采煤完毕采煤机(1)停机。
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