矿井液压支架智能清洗设备的研发与应用

王振宇

（西山煤电集团山西清洗科技有限公司， 山西 太原 030053）

1 矿井液压支架清洗现状

目前，我国各支架修理单位普遍采用人工清洗加清水冲洗的方式来清洗液压支架，该方法必须有2～5人一起协作方可完成，并且具有工人劳动强度大、耗水量大、效率低等缺点。也有部分企业用乳化液泵做动力，虽清洗效率有所提高，但排放污染非常严重，对环境会造成较大的影响。另一种清洗方法是工人手持高压水枪清洗，工作效率比传统方法有所提高，污染也得以降低。但是，此方法最大的缺点就是工人的工作环境极其恶劣，例如工人经常被反弹的高速煤渣打伤，对操作工人是一种潜在的危险；同时水枪的巨大后座力增加了清洗工人的劳动强度，降低了生产效率[1]。

2 清洗机器人机构设计

设计制造一种自动化的清洗设备，用六自由度的机械臂代替人手，由机械臂“握持”高压水枪，运动到相应的空间位置和空间姿态，使水枪对准液压支架上需要清洗的部位，利用喷射的高压水流达到清洗的目的。考虑到液压支架的体积比较庞大，为对其进行彻底清洗，设计了一种由液压缸驱动的直线移动滑台，机械臂底座固定在滑台上，滑台带动机械臂沿着平行液压支架侧面的方向直线移动，实现多工位清洗，增大其工作空间。

液压支架重点清洗区域的清洗由两台机器人协作完成，机器人分居液压支架两侧，呈对角分布，分别完成液压支架的单侧的清洗工作。机器人底座固定在可移动的液压滑台上，滑台导轨与液压支架单侧平行，机器人可沿着导轨滑动，实现多工位清洗[2]。

在执行清洗工作前，机器人需要首先完成示教工作，获取关键点位数据并储存。需要清洗时，只需使机器人复现已示教点，带动高压水枪自动移动，完成清洗。针对不同型号的液压支架，应分别示教机器人，并将获得的点位数据编号，对号入座，以免张冠李戴。

首先，完成机械部件的安装和调试，包括液压驱动的移动平台的安装、机器人电缆拖链和水管拖链的安装、外部防护罩的安装；其次，完成外围设备的布置规划，包括液压站的位置选择，高压水管道、液压油管道的布置，控制柜的布置以及系统走线的规划等；之后完成开关电源、继电器、CS8C控制器等电器元件的安装和接线，并调试成功；最后，在搭建好的平台上，示教点位数据，编写程序，试验清洗效果。按此方式完成2～3台液压支架的清洗程序编写。另外，集中时间对工人进行培训，掌握系统的操作方法。

液压支架清洗机器人机构简图如图1所示，实物图如下页图2所示，其主要包括液压移动平台、六自由度机械臂、水枪组件。液压移动平台是一个由液压缸驱动的可作水平直线运动的平台，主要由焊接在地面上的支架体、安装在支架体上的直线滑轨、底面安装有滑块的机械臂底座以及用作动力驱动的液压缸组成。该平台用来固定和支撑六自由度机械臂，并能使机械臂沿直线导轨水平移动。水枪组件固定在六自由度机器臂末端法兰盘上，由机械臂夹持水枪运动到空间确定的位置和姿态，进行清洗作业。

图1 液压支架清洗机器人机构简图

图2 液压支架清洗机器人机构实物图

3 清洗机器人主要功能

液压支架智能清洗系统可实现4.0 m×1.5 m×2.5 m规格范围内液压支架的清洗。清洗速率为20 min/台。机械手的负载能力满足水枪持重和高压水开启瞬间后坐力的要求。水枪质量为20 kg。清洗时可能有煤屑飞出，机械臂做好自身防护。液压支架经清洗机器人清洗，能有效清除液压缸体铰接处和四连杆机构铰接处嵌藏的煤和煤矸，最终整体支架的清结度应达到90%以上[3]。编制扩展性好、柔性高的清洗程序能对不同型号、不同外形、不同大小的液压支架进行准确、有效的清洗。

4 机器人清洗方式

清洗机器人的清洗过程包括清洗顺序、清洗时水枪的空间角度、高压水射流的压力、不同部位清洗时长的安排。液压支架呈长方体形状，长、宽、高分别约为7 m、1.5 m、2.5 m，外形体积较大。针对液压支架不同部位污垢的特征，采用不同的清洗策略，既可以提高清洗效果，又可以加快清洗速率。

清洗顺序为先上后下、从里到外，即先清洗液压支架的顶梁上表面和侧面，去除表面锈皮和少量煤矸石。再使水枪向下移动，清洗液压支架的底部，重点去除柱窝等处嵌藏的煤矸石。并且先冲洗液压支架上靠近机械臂的内侧，将锈皮和煤矸石冲到远离机械臂的外侧，然后冲洗其外侧，将冲出的煤渣彻底清除出去。这种清洗顺序，可以有效地防止已经清洗干净的区域再次被冲出的煤渣覆盖，从而提高清洗效率。

液压支架的柱窝内嵌藏有大量的煤粉和煤矸石，厚度约300 mm，而且由于液压缸体和柱窝内壁的挤压，使其变得十分致密。对于该部位的清洗，采用高角度、高压力、近距离冲洗，调节机械臂姿态，使得高压枪管与柱窝煤层表面约呈60°，压力调至40 MPa以上，枪嘴与煤层距离在400 mm以内，可以有效清洗该处的煤渣。

5 产品优点

液压支架智能清洗设备清洗质量高，能彻底清洗死角堆积的煤渣油渍。清洗效率高，能在较短的时间内完成清洗工作，节省劳动时间，并且自动化程度高，节省人力，减低人工成本。设备柔性大，工作可靠，能适用于不同型号的液压支架的清洗，对环境友好，既能适应恶劣的工作环境，又不产生污染物质。