CN115681226B - 一种竖井掘进机支护试验液压系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种竖井掘进机支护试验液压系统，包括支护单元、围岩支撑单元和液压动力单元。支护单元包括撑靴液压缸和与撑靴液压缸连接的三位四通换向阀；围岩支撑单元包括围岩液压缸和与围岩液压缸连接的压力调节组件；液压动力单元包括电机、与电机连接的变量泵和油箱，变量泵分别与支护单元和围岩支撑单元连接；撑靴液压缸的活塞杆端通过液压动力单元和三位四通换向阀实现伸缩动作，从而与围岩液压缸的活塞杆端接合，并通过压力调节组件调节撑靴液压缸与围岩液压缸之间的相互作用力。本发明的竖井掘进机支护试验液压系统利用液压系统模拟不同工况下围岩与竖井掘进机支护系统之间的作用，系统结构简单，满足不同工况要求，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及竖井掘进机领域，尤其涉及一种竖井掘进机支护试验液压系统。
背景技术
矿产资源是关系国家经济命脉和能源安全的基础产业，而我国矿产资源的赋存条件决定了主要以井工开采方式为主，需要在岩层内部开凿出不同形式的通道(以竖井井筒为主)。传统的普通凿井法不仅工序复杂，作业效率低，而且劳动强度大，安全隐患多。以机械破岩取代爆破破岩，是建井技术发展的重要方向。竖井掘进作为一种用于矿山和其他地下工程开凿井筒的高效机械破岩装备，能够进行快速机械滚压破岩和支护，机械化程度高、所需井下人员少、凿井效率高。
竖井掘进机支护系统是一种模块化结构，主要作用是施加和承载破岩钻压、旋转扭矩及产生的反作用力、反扭矩。主要由上、下圈梁、支撑立柱、支撑油缸和撑靴组成。上、下圈梁通过立柱连接，圈梁上布置四组油缸并连接撑靴，通过油缸向撑靴施加压力，使其与围岩紧密接触。竖井掘进机支护系统还具备姿态调节的功能，通过控制八组撑靴油缸的伸缩，调整上、下圈梁的中心位置以及机体的姿态角，保证掘进机沿设计轴线进行掘进作业。
随着掘进深度的增加，地层结构呈现复杂性，围岩呈现非线性和三相不等压复杂特性，对于竖井掘进机支护系统工作表现的影响显著，目前难以通过数学模型模拟支护系统与围岩的相互作用，而施工现场环境复杂，竖井掘进机支护系统现场实验成本高、安全风险大，比例物理试验成为提高竖井掘进机支护技术可靠性、高效性的有效手段。因此，如何能够提供一种用于竖井掘进机支护系统的模拟试验方法是本领域技术人员需要解决的技术问题。现有的掘进机试验平台多为滚刀破岩或综合模拟试验台，结构复杂，造价昂贵，缺少针对竖井掘进机支护系统与围岩相互作用的试验方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种竖井掘进机支护试验液压系统，通过压力调节组件控制围岩液压缸与撑靴液压缸之间的相互作用力，能够模拟不同地层结构下，竖井掘进机支护系统与不同力学特性的围岩之间相互作用，验证竖井掘进机支护系统工作原理、控制方法等技术的可靠性，加快竖井掘进机研发进度。
本发明所提供的技术方案如下：
一种竖井掘进机支护试验液压系统，包括：
支护单元，所述支护单元包括撑靴液压缸和与所述撑靴液压缸连接的三位四通换向阀；
围岩支撑单元，所述围岩支撑单元包括围岩液压缸和与所述围岩液压缸连接的压力调节组件；
液压动力单元，所述液压动力单元包括电机、与所述电机连接的变量泵和油箱，所述变量泵分别与所述支护单元和所述围岩支撑单元连接；
其中，所述撑靴液压缸的活塞杆端通过所述液压动力单元和所述三位四通换向阀实现伸缩动作，从而与所述围岩液压缸的活塞杆端接合，并通过所述压力调节组件调节所述撑靴液压缸与所述围岩液压缸之间的相互作用力。
进一步地，所述支护单元还包括梭阀，所述梭阀的两个进油口分别与所述撑靴液压缸的进油口和出油口连接。
进一步地，所述支护单元还包括分别与所述三位四通换向阀和所述变量泵连接的减压阀。
进一步地，所述围岩液压缸的有杆腔和无杆腔相连通。
进一步地，所述压力调节组件包括与所述变量泵连接的第一电液比例溢流阀和与所述油箱连通的溢流阀。
进一步地，所述压力调节组件还包括与所述溢流阀并联连接的第二电液比例溢流阀。
进一步地，所述压力调节组件还包括分别与所述溢流阀和所述第二电液比例溢流阀连接的节流阀。
进一步地，所示支护单元包括多个撑靴液压缸，所示围岩支撑单元包括与所述多个撑靴液压缸数量相同且一一对应的多个围岩液压缸。
进一步地，各个撑靴液压缸分别通过各自的三位四通换向阀和减压阀连接至所述变量泵。
进一步地，所述支护系统包括三个撑靴液压缸和五个梭阀，其中，第一梭阀、第二梭阀和第三梭阀各自的两个进油口分别连接至对应的撑靴液压缸的进油口和出油口，所述第一梭阀、所述第二梭阀和所述第三梭阀各自的出油口分别连接至对应的减压阀，第四梭阀的两个进油口分别连接至所述第一梭阀的出油口和所述第二梭阀的出油口，第五梭阀的两个进油口分别连接至所述第三梭阀的出油口和所述第四梭阀的出油口，所述第五梭阀的出油口与所述变量泵连接。
本发明所带来的有益效果如下：
本发明实施例所提供的竖井掘进机支护试验液压系统利用液压系统模拟不同工况下围岩与竖井掘进机支护系统之间的作用，系统结构简单，通过压力调节组件控制围岩液压缸与撑靴液压缸之间的相互作用力，满足不同工况要求，适用范围广。
附图说明
并入本文中并且构成说明书的部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起进一步用来对本发明的原理进行解释，并且使相关领域技术人员能够实施和使用本发明。
图1为本发明实施例提供的竖井掘进机支护试验液压系统的示意图。
[附图标记]
油箱1；变量泵2；电机3；减压阀4；三位四通换向阀5；第一梭阀6a；第二梭阀6b；第三梭阀6c；第四梭阀6d；第五梭阀6e；撑靴液压缸7；围岩液压缸8；第一电液比例溢流阀9；节流阀10；溢流阀11；第二电液比例溢流阀12。
为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种竖井掘进机支护试验液压系统进行详细描述。同时在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本发明进行具体的限定。
需要指出的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。
通常，可以至少部分从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分取决于上下文，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其他因素。
可以理解的是，本发明中的“在……上”、“在……之上”和“在……上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在……上”不仅表示“直接在”某物“上”而且还包括在某物“上”且其间有居间特征或层的含义，并且“在……之上”或“在……上方”不仅表示“在”某物“之上”或“上方”的含义，而且还可以包括其“在”某物“之上”或“上方”且其间没有居间特征或层的含义。
此外，诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相关术语在本文中为了描述方便可以用于描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系，如在附图中示出的。空间相关术语旨在涵盖除了在附图所描绘的取向之外的在设备使用或操作中的不同取向。设备可以以另外的方式被定向，并且本文中使用的空间相关描述词可以类似地被相应解释。
如图1所示，本发明提供了一种竖井掘进机支护试验液压系统，该竖井掘进机支护试验液压系统包括液压动力单元、支护单元和围岩支撑单元。其中，液压动力单元包括油箱1、变量泵2和电机3，变量泵2与电机3传动连接，通过两条支路分别为支护单元和围岩支撑单元提供液压动力，同时变量泵2接收支护单元的信号进而调节系统的压力；支护单元包括撑靴液压缸7和与撑靴液压缸7连接的三位四通换向阀5；围岩支撑单元包括围岩液压缸8和与围岩液压缸8连接的压力调节组件。
撑靴液压缸7的活塞杆端通过液压动力单元和三位四通换向阀5实现伸缩动作，从而与围岩液压缸8的活塞杆端接合，并通过压力调节组件调节撑靴液压缸7与围岩液压缸8之间的相互作用力。
根据本发明的优选的实施方式，支护单元包括多个撑靴液压缸7，相应地，围岩支撑单元包括与多个撑靴液压缸7数量相同且一一对应的多个围岩液压缸8。在图1所示的示意性实施例中，支护单元包括三个撑靴液压缸7，各个撑靴液压缸7分别通过各自的三位四通换向阀5连接至变量泵2。相应地，围岩支撑单元包括三个围岩液压缸8。
进一步地，各个三位四通换向阀5与变量泵2之间分别设置减压阀4。另外，支护系统还设置有五个梭阀，其中，第一梭阀6a、第二梭阀6b和第三梭阀6c各自的两个进油口分别连接至对应的撑靴液压缸7的进油口和出油口，第一梭阀6a、第二梭阀6b和第三梭阀6c各自的出油口分别连接至对应的减压阀4，第四梭阀6d的两个进油口分别连接至第一梭阀6a的出油口和第二梭阀6b的出油口，第五梭阀6e的两个进油口分别连接至第三梭阀6c的出油口和第四梭阀6d的出油口，第五梭阀6e的出油口与变量泵2连接。
在试验过程中，各个撑靴液压缸7通过其各自的三位四通换向阀5调节压力和运动方向，每个撑靴液压缸7的进、出油口的压力较大值作为信号控制各自的减压阀4以补偿压力；三个撑靴液压缸7的进、出油口的压力最大值作为变量泵2的控制信号，调整系统压力。
进一步地，如图1所示，围岩液压缸8的有杆腔和无杆腔相连通，接入第一电液比例溢流阀9、第二电液比例溢流阀12、溢流阀11组成的支路，支路的一端通过第一电液比例溢流阀9连接至变量泵2，另一端通过溢流阀11接入油箱1。
进一步地，第二电液比例溢流阀12经过节流阀10后与溢流阀11并联，第二电液比例溢流阀12的入口端压力Pb作为控制信号与溢流阀11的控制端连接。通过实时调节第一电液比例溢流阀9和第二电液比例溢流阀12的控制电流能够模拟不同围岩的力学特性。
本发明的竖井掘进机支护试验液压系统工作时，支护单元中的撑靴液压缸7和围岩支撑单元中的围岩液压缸8活塞杆端在液压系统的作用下保持接触，产生相互作用力。
支护单元用于模拟撑靴的动作及对围岩的作用力，调节三位四通换向阀5的控制电流即可改变撑靴液压缸7的进出油口压力，进而调节伸缩量；每个撑靴液压缸进出油口连接梭阀，配合减压阀4，调整每个撑靴支路的进油端压力，通过多个梭阀相连，调节变量泵2对液压系统整体进行补偿。围岩支撑单元用于模拟围岩受到撑靴作用力时的力学特性，每个支路的入口压力通过第一电液比例溢流阀9进行调节；围岩液压缸8的有杆腔和无杆腔相通，其压力值Pa(如图1所示的a点处压力)由溢流阀11和第二电液比例溢流阀12共同决定：第二电液比例溢流阀12的入口压力Pb(如图1所示的b点处压力)可根据控制电流I进行调节，Pb作用于溢流阀11的弹簧端，产生作用力Fb，Pa作用于溢流阀11产生作用力Fa，弹簧作用力Ft，可知溢流阀11开启状态时，满足Fa＝Ft+Fb，即通过改变第二电液比例溢流阀12的控制电流I，可调节压力Pa。
进一步的，围岩液压缸8活塞杆的作用力F＝Pa(S1-S2)，S1、S2分别为有杆腔和无杆腔活塞杆的面积，即可通过调节电液比例溢流阀12的控制电流I，控制围岩液压缸8活塞杆的作用力F。本发明的竖井掘进机支护试验液压系统可根据撑靴液压缸7不同状态下的作用力和位移量，通过实时调节电液比例溢流阀12的控制电流I，模拟不同类型、状态下围岩与撑靴的相互作用。
本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种竖井掘进机支护试验液压系统，其特征在于，包括：
支护单元，所述支护单元包括撑靴液压缸和与所述撑靴液压缸连接的三位四通换向阀；
围岩支撑单元，所述围岩支撑单元包括围岩液压缸和与所述围岩液压缸连接的压力调节组件；
液压动力单元，所述液压动力单元包括电机、与所述电机连接的变量泵和油箱，所述变量泵分别与所述支护单元和所述围岩支撑单元连接；
其中，所述撑靴液压缸的活塞杆端通过所述液压动力单元和所述三位四通换向阀实现伸缩动作，从而与所述围岩液压缸的活塞杆端接合，并通过所述压力调节组件调节所述撑靴液压缸与所述围岩液压缸之间的相互作用力；
所述支护单元还包括梭阀，所述梭阀的两个进油口分别与所述撑靴液压缸的进油口和出油口连接；
所述支护单元还包括分别与所述三位四通换向阀和所述变量泵连接的减压阀。
2.根据权利要求1所述的竖井掘进机支护试验液压系统，其特征在于，所述围岩液压缸的有杆腔和无杆腔相连通。
3.根据权利要求2所述的竖井掘进机支护试验液压系统，其特征在于，所述压力调节组件包括与所述变量泵连接的第一电液比例溢流阀和与所述油箱连通的溢流阀。
4.根据权利要求3所述的竖井掘进机支护试验液压系统，其特征在于，所述压力调节组件还包括与所述溢流阀并联连接的第二电液比例溢流阀。
5.根据权利要求4所述的竖井掘进机支护试验液压系统，其特征在于，所述压力调节组件还包括分别与所述溢流阀和所述第二电液比例溢流阀连接的节流阀。
6.根据权利要求1所述的竖井掘进机支护试验液压系统，其特征在于，所述支护单元包括多个撑靴液压缸，所述围岩支撑单元包括与所述多个撑靴液压缸数量相同且一一对应的多个围岩液压缸。
7.根据权利要求6所述的竖井掘进机支护试验液压系统，其特征在于，各个撑靴液压缸分别通过各自的三位四通换向阀和减压阀连接至所述变量泵。
8.根据权利要求7所述的竖井掘进机支护试验液压系统，其特征在于，所述支护单元包括三个撑靴液压缸和五个梭阀，其中，第一梭阀、第二梭阀和第三梭阀各自的两个进油口分别连接至对应的撑靴液压缸的进油口和出油口，所述第一梭阀、所述第二梭阀和所述第三梭阀各自的出油口分别连接至对应的减压阀，第四梭阀的两个进油口分别连接至所述第一梭阀的出油口和所述第二梭阀的出油口，第五梭阀的两个进油口分别连接至所述第三梭阀的出油口和所述第四梭阀的出油口，所述第五梭阀的出油口与所述变量泵连接。
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