煤礦大傾角行人斜巷架空乘人裝置及其監(jiān)控系統(tǒng)的選型設計

郭建山

（山西陽泉煤業(yè)集團三礦機電工區(qū)， 山西 陽泉 045008）

引言

隨著礦井現(xiàn)代化的進程，綜采工作面的采煤機、掘進機以及刮板、帶式輸送機的自動化、機械化、智能化程度越來越高，但是輔助運輸裝置的發(fā)展卻大大落后于工作面的大型機電設備[1]。架空乘人裝置作為礦井的輔助運輸裝置，主要承擔作業(yè)人員的運輸任務。為進一步提升作業(yè)人員達到或離開工作面的效率，在工作面引入架空乘人裝置。本文著重對礦井斜巷架空乘人裝置進行選型設計。

1 架空乘人裝置的概述

1.1 架空乘人裝置的定義

所謂架空乘人裝置是根據我國煤礦工作面特點所設計的水平或傾斜巷道內完成作業(yè)人員運輸的裝置，簡稱“猴車”。架空乘人裝置屬于無極繩運輸設備，主要由驅動裝置、張緊裝置、線路部分等組成[2]。該裝置具有運量大、隨到隨行、能耗小、操作簡便的特點，可在我國礦井中推廣應用。

1.2 架空乘人裝置的工作原理

架空乘人裝置的動力由驅動電機帶到減速器進而驅動摩擦輪，摩擦輪上安裝有鋼絲繩，鋼絲繩承擔所有牽引和承載作用。乘人吊椅循環(huán)（從機頭端-機尾端）懸掛于鋼絲繩上，從而完成了作業(yè)人員的運輸任務。為了確保鋼絲繩的張緊力，在機尾端設計有張緊裝置。

總的來說，架空乘人裝置主要由調速、控制以及信號保護三個分系統(tǒng)組成。其電控系統(tǒng)是基于PLC所實現(xiàn)的，能夠實現(xiàn)對裝置的過載保護、無人值守停車、張緊保護等功能[3]。

2 架空乘人裝置結構的選型設計

2.1 架空乘人裝置的結構組成

架空乘人裝置的結構組成如圖1 所示。

圖1 架空乘人裝置結構示意圖

如圖1 所示，架空乘人裝置主要由驅動裝置、乘人裝置、托繩裝置、尾輪以及張緊裝置等組成。其中，驅動裝置是由驅動電機+減速器+制動器+聯(lián)軸器+托繩裝置所組成的，根據不同的運輸任務為裝置配置匹配的電機和減速器[4]。

張緊裝置作為架空乘人裝置的重要組成部分，其為鋼絲繩提供一定的張緊力，以確保鋼絲繩的垂度，進而保證鋼絲繩與驅動輪之間的摩擦系數不小于0.2。張緊裝置的主要分系統(tǒng)為張緊小車，其結構如圖2 所示。

2.2 架空乘人裝置的布置

根據礦井工作面現(xiàn)場情況的不同，將架空乘人裝置布置如下：

1）根據礦井工作面的情況將巷道分為盡頭式和通過式；

圖2 張緊小車結構示意圖

2）根據礦井工作面的情況，將架空乘人裝置的機頭驅動部分布置于斜巷的上方，將架空乘人裝置張緊裝置布置于斜巷的下方；

3）對于盡頭式巷道而言，架空乘人裝置的電控部分布置于巷道的中間位置；對于通過式巷道而言，架空乘人裝置的電控部分布置于巷道的延伸位置；

4）對于大傾角斜巷而言，采用傾斜安裝，保證繩輪與巷道的傾角一致。

2.3 架空乘人裝置關鍵部件的選型設計

本文以某礦井斜巷為應用環(huán)境，對架空乘人裝置的關鍵部件進行選型設計。該斜巷的總長度為2 600 m；巷道傾斜角度為18°。經計算（鑒于篇幅有限，此處略去計算過程），所得架空乘人裝置的關鍵部件選型結果如表1 所示：

表1 架空乘人裝置關鍵部件選型結果

3 架空乘人裝置監(jiān)控系統(tǒng)的設計

架空乘人裝置控制系統(tǒng)需根據現(xiàn)場情況對其進行不斷優(yōu)化改進，使其功能更加齊全，可靠性更高，使用更加便捷。實現(xiàn)架空乘人裝置的上述功能要求，首先確保能夠準確獲取架空乘人裝置的實時運行狀態(tài)，即需要監(jiān)控系統(tǒng)基于通信協(xié)議實現(xiàn)對裝置的遠程監(jiān)測和控制。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計

根據架空乘人裝置監(jiān)控系統(tǒng)的需求，將整個監(jiān)控系統(tǒng)分為管理層、控制層、設備層以及現(xiàn)場儀表層。其中，管理層為監(jiān)控系統(tǒng)的上位機操作系統(tǒng)，基于該界面能夠實時顯示裝置的運行狀態(tài)以及報警信號；控制層為基于PLC 控制器和變頻技術所設計的控制系統(tǒng)；設備層為被監(jiān)控的設備，包括驅動電機、摩擦輪、制動器以及張緊小車等；現(xiàn)場儀表層主要指現(xiàn)場的信號檢測系統(tǒng)、各類傳感器等[5]。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件的選型設計

PLC 控制系統(tǒng)為監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵分系統(tǒng)，系統(tǒng)的響應特性和精確性在一定程度上受制于PLC 控制系統(tǒng)中PLC 控制器的運算速率和運算精度。綜合考慮設備性能及成本分析，所選用的PLC 控制器的型號為FX2N-64MT，該控制器能夠為系統(tǒng)提供64點輸入輸出點數，滿足架空乘人裝置監(jiān)控系統(tǒng)的控制需求。

變頻器為實現(xiàn)架空乘人裝置節(jié)能運行，實現(xiàn)對礦井工作面電氣傳動控制系統(tǒng)的智能化集中控制功能。本監(jiān)控系統(tǒng)所選用變頻器的型號為三菱FR-F740。

3.3 監(jiān)控乘人裝置的軟件設計

根據礦井巷道架空乘人裝置的使用情況，通過遠紅外傳感器對乘車處和下車處的信號進行感知。其中，當有人乘車時系統(tǒng)會啟動所有保護功能，當無人乘車時系統(tǒng)會自動停車，進而達到減少能源消耗的目的?；诂F(xiàn)場應用情況，設計如圖3 所示的架空乘人裝置監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程圖。

圖3 架空乘人裝置監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程圖

如圖3 所示，系統(tǒng)首先會對程序控制方式進行判斷，當為自動控制時需對上車人數和下車人數進行統(tǒng)計，并根據遠紅外傳感器所采集的信息判斷是否啟動各類保護系統(tǒng)以及是否停車等狀態(tài)。

4 結語

架空乘人裝置作為礦井生產中必不可少的輔助運輸裝置，其主要承擔作業(yè)人員的運輸任務，其可靠性和運輸效率間接決定綜采工作面煤炭的產量并直接決定作業(yè)人員的安全性。因此，需根據礦井的實際人員運輸任務及工作流程對架空乘人裝置的關鍵部件（電機、減速器、制動器）等進行選型設計，以確保其可靠性。此外，為架空乘人裝置設計監(jiān)控系統(tǒng)使其能夠實時獲取裝置的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對裝置運行狀態(tài)的實時控制。