8.8 m超大采高綜采面機電安裝成套設備研發(fā)和應用

劉建良 趙 波

(國家能源集團神東煤炭集團開拓準備中心，陜西省榆林市，719315)

管線安裝一般主要有焊接、除銹刷漆、裝卸運輸、打預埋孔、安裝預埋件、安裝管道6個工序，一般的作業(yè)方式如下：管道法蘭或管道對接焊接采用手工電弧焊，除銹刷漆采用手工除銹和刷漆，裝卸運輸采用人工裝卸板車運輸，打預埋孔采用電鉆或液壓鉆人工打眼，安裝預埋件采用自制平臺登高并人工推移平臺，安裝管道采用手拉吊鏈起吊并人工推移就位。管線安裝這6個工序普遍存在作業(yè)效率低、勞動強度大、職業(yè)健康危害大、作業(yè)安全風險高、質(zhì)量無法保證等缺點。

國家能源集團神東煤炭集團上灣煤礦四盤區(qū)的煤層厚度在7.95～9.25 m之間，平均厚度可達9.11 m，屬于特厚煤層，煤層傾角為1°～3°，屬較穩(wěn)定煤層。經(jīng)過科學論證，神東公司決定在上灣煤礦上馬8.8 m超大采高智能綜采工作面。這一項目成為目前世界上一次采全高最高、單面產(chǎn)量最大、自動化回采率最高的綜采工作面。然而隨之而來的是對綜采面配套各系統(tǒng)的管道、纜線的安裝方式及安裝高度也發(fā)生了變化。超大采高綜采面安裝時所使用的特種車輛最寬為4.5 m，最高為3.2 m，所以要求工作面輔助運輸巷內(nèi)各系統(tǒng)管道及纜線最低安裝高度不得低于3.5 m，傳統(tǒng)的安裝方式和安裝設備已無法滿足超大采高綜采面管線安裝高度的要求。

神東礦區(qū)采掘工作面機械化、自動化、信息化水平不斷提升，采掘速度也不斷提高，然而與采掘工作面配套的供風、供排水、供電、注漿、注氮等系統(tǒng)的管線安裝仍采用手工焊接刷漆、人工裝卸、手動打眼、人拉肩扛的安裝方式，這種安裝方式速度較慢，因此影響了采掘工作面的配套安裝進度?；诖?，根據(jù)管線安裝工序和超大采高工作面的特點，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研論證，研發(fā)了管道切割除銹刷漆一體機、管道自動焊接機、防爆管道吊運車、防爆預埋孔鉆車、防爆升降平臺車、防爆管道抓舉車等機電安裝成套設備，以滿足不同高度、不同安裝條件的管線安裝，解決超大采高綜采面管線安裝高度高、配套管線安裝速度慢的難題，從而達到提高安裝速度、提升安裝效率、保證作業(yè)安全、降低勞動強度、提升經(jīng)濟效益“上裝備、保安全、提效益”的目的。

1 管道切割除銹刷漆一體機的研發(fā)及應用

管道切割除銹刷漆一體機主要是實現(xiàn)管道切割、除銹、刷漆的機械化作業(yè)，避免人工除銹刷漆帶來的職業(yè)健康危害和環(huán)境污染[1]，不僅可以降低員工的勞動強度，而且可以提高作業(yè)效率。

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

管道切割除銹噴漆一體機主要技術(shù)參數(shù)如下：結(jié)構(gòu)尺寸為1500 mm×700 mm×1820 mm，適用管道長度為5000～6000 mm，適應管道直徑為100～400 mm，切割管道壁厚度為≤20 mm，噴漆厚度為80 m，噴漆供氣壓力為0.4～0.6 MPa，噪聲(聲壓級)為80 dB(A)，系統(tǒng)工作電壓為380 V，主機行走驅(qū)動電機功率為5.5 kW，液壓泵站電機功率為11 kW，除銹輪電機功率為7.5 kW。

1.2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

管道切割除銹噴漆一體機主要由管道固定支座及管道旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)、移動支座、行走主機、工作臂、上下料機構(gòu)、控制箱、管道中間支撐架以及行走軌道等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管道切割除銹噴漆一體機總體結(jié)構(gòu)

1.2.1 固定支座及管道旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)

固定支座的功能一是在處理管道時支撐管道的一端，起到固定張緊管道的作用，二是安裝驅(qū)動管道旋轉(zhuǎn)的傳動機構(gòu)，使管道在處理過程中處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)[2]。管道旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機布置在支座箱體內(nèi)。固定支座及管道旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)如圖2所示。

1.2.2 移動支座

移動支座的功能是支撐管道并且可根據(jù)管道長度在軌道上來回移動，在處理管道時要起到張緊管道的作用，主要包括的機構(gòu)有管道卡具、管道升降平臺、支座移動驅(qū)動機構(gòu)等。

圖2 固定支座及管道旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)

1.2.3 行走主機

行走主機的功能主要是搭載除銹切割以及噴

漆部件的工作臂行走，主要結(jié)構(gòu)包括行走驅(qū)動機構(gòu)以及工作臂的連接機構(gòu)。為了滿足適應不同直徑管道的處理，主機行走采用無級調(diào)速技術(shù)。根據(jù)管道在處理時的布置情況，工作臂鉸接與行走在主機的一側(cè)。

1.2.4 工作臂

工作臂主要安裝除銹鋼絲輪、等離子切割頭和油漆噴頭，采用箱式結(jié)構(gòu)，將除銹鋼絲輪、等離子切割頭以及油漆噴頭安裝于工作臂前部，后部為除塵裝置，整個工作臂鉸接與行走在主機上。工作臂結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 工作臂結(jié)構(gòu)

1.2.5 上下料機構(gòu)

上下料裝置由鉸接臂和控制油缸組成，工作時將管道放置在鉸接臂的前端，伸出控制油缸，當管道升到與升降平臺同高度時，將管道滾到升降平臺，再由升降平臺將管道升高到與管道驅(qū)動旋轉(zhuǎn)卡具同等的高度。

1.2.6 控制箱

整套設備的電氣、液壓泵站以及液壓控制部分全部集中在控制箱內(nèi)，控制箱為箱式結(jié)構(gòu)，共分為3個空間，前部下半部分為電氣控制空間，前部上半部分為操作手柄、按鈕以及開關(guān)等，后半部分為液壓泵站與液壓控制閥空間。

1.3 應用情況及效果

2016年6月，道切割除銹刷漆一體機在上灣煤礦安裝后進行了應用，DN100管道除銹刷漆共計4500根。在該設備未使用前，平均每班4名人員給DN100管道手工除銹刷漆，可以完成60根，人工工效為15根/人·班。使用該設備后，每班需2名作業(yè)人員，每班平均處理96根管道，人工工效為48根/人·班，該設備的人工工效是手工除銹刷漆的320%,且具有省人、省力、安全可靠、作業(yè)效率高等優(yōu)點，可避免有害粉塵和有害氣體對員工健康的職業(yè)危害和環(huán)境污染。

2 管道自動焊接機的研發(fā)及應用

煤礦機電安裝中需要大量焊接各種管徑的鐵質(zhì)管道，管道焊接有管道-法蘭焊接與管道-管道焊接，無論是管道-法蘭焊接還是管道-管道焊接都因為焊材是圓周而非是平面，在焊接中包含了平焊、立焊、仰焊等多種焊接技術(shù)，目前主要以人工焊接為主[3]。尤其是需要管道現(xiàn)場焊接對接，由人工完成焊接時效率更低，因此管道-法蘭焊接和管道-管道焊接影響著管道工程的安裝速度。因此研發(fā)管道自動焊接機，既可以完成管道-法蘭焊接又可以完成管道-管道焊接的專用設備，以取代人工焊接。

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

管道自動焊接機主要技術(shù)參數(shù)如下：焊接管道直徑為150～800 mm，管壁厚度為6～20 mm，供電電壓為380/660 V，送絲方式為自動，焊接方式為自動/手動，控制方式為無線遙控，無線遙控最小有效距離為50 m。

2.2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

管道自動焊接機主要由焊接行走小車、焊接電源、焊接送絲裝置、自動控制系統(tǒng)4部分組成，如圖4所示。

圖4 管道自動焊接機組成

2.2.1 焊接行走小車

為了提高焊接效率，便于現(xiàn)場操作，焊接行走小車采用了磁性輪無軌式行走型式[4]。焊接行走小車主要由小車車體、左右擺動臂、上下調(diào)節(jié)臂、永磁式行走輪、法蘭焊接工裝等5部分組成。永磁式行走輪由直流電機驅(qū)動可以實現(xiàn)圍繞管道360°連續(xù)行走，左右擺動臂用于控制不同寬度焊縫時焊槍的擺動速度、擺動幅度、兩端停留時間等，上下調(diào)節(jié)臂用于調(diào)節(jié)焊槍與焊接木材之間的距離，法蘭焊接工裝可以實現(xiàn)在焊接法蘭時調(diào)節(jié)焊槍角度的作用。同時焊接行走小車集成了自動化控制收發(fā)系統(tǒng)，既可以接收自動控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，將指令傳給焊接電源和送絲機實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)焊接電流與送絲速度，又可以將當前數(shù)據(jù)參數(shù)傳給自動控制系統(tǒng)。

2.2.2 焊接電源

選用芬蘭KEMPPI公司的HiArc M 500 A焊機作為焊接電源，該焊機具有無論電源電壓如何波動，都可保證焊接輸出的穩(wěn)定性、可調(diào)節(jié)性以及引弧可靠性。在焊接前和焊接期間，可遠距離調(diào)節(jié)焊接參數(shù)的，并能很好地兼容自動化控制系統(tǒng)。

2.2.3 自動送絲機

在焊接工藝方面，對各種工藝進行了比較，確定了實心焊絲氣體保護焊與藥芯焊絲氣體保護焊的焊接工藝[5]。為了減少焊接小車的體積和負載、提高小車的行走平穩(wěn)度以及提高焊接質(zhì)量，送絲方式采用推送式。選用KEMPPI公司的HF 10P送絲機，該送絲機使用直徑為0.8～1.6 mm的填充焊絲,焊絲盤最大直徑為300 mm，送絲速度為0～21 m/min，可實現(xiàn)與焊接電源、焊接行走小車及自動化控制系統(tǒng)的完美匹配。

2.2.4 自動控制系統(tǒng)

焊接工藝參數(shù)主要包括焊接電流、焊接電壓、焊接小車的行走速度、送絲速度、焊槍的左右擺動速度、焊槍擺動到兩端的停留時間等[6]，在焊接過程中，由于焊點位置的不同，要求在整個環(huán)縫焊接過程中對焊接工藝參數(shù)要時刻進行控制與調(diào)整[7]。自動控制系統(tǒng)控制原理為：首先對管道不同位置的焊點焊接工藝參數(shù)進行試驗測試，然后擬合各焊接工藝參數(shù)沿全位置的變化曲線，在焊接過程中，由焊接小車的位置檢測器檢測其位置，根據(jù)擬合曲線在該位置的焊接工藝參數(shù)進行程序自動控制，而對焊縫出現(xiàn)左右偏差或者當焊接環(huán)境的溫度和風速發(fā)生變化時由人工遙控方式進行調(diào)整，彌補無焊縫跟蹤功能的不足，以達到滿意的焊接質(zhì)量。

2.3 應用情況及效果

2017年11月，管道自動焊接機在上灣煤礦安裝一隊進行了應用，從直徑150 ～500 mm的管道進行了管道對接環(huán)縫全位置自動焊接和管道法蘭焊接，焊接效果非常理想。累計焊接600余條焊縫，焊接法蘭的效率是人工焊接的150%，管道對接環(huán)縫焊接的效率是人工焊接的300%，管道自動焊接機的綜合效率是人工環(huán)節(jié)的200%，且焊縫質(zhì)量高、成型好且外形美觀。對焊縫進行剖面檢查可見，焊縫剖面均勻、無任何焊接缺陷，焊縫質(zhì)量按照X射線探傷Ⅱ級檢測，合格率達到99%以上。管道自動焊接機重量輕、操作簡便，只需進行短暫的技術(shù)培訓，就能操作該套設備，便于推廣使用。

3 防爆管道吊運車研發(fā)及應用

煤礦管道一般采用人工搬運或手拉葫蘆起吊的裝車方式，存在占用人員多、裝卸效率低、安全風險高、勞動強度大等缺點。特別是較大管徑管道單根重量超過350 kg，人工搬抬困難，手拉葫蘆起吊工序繁瑣、效率極低，作業(yè)安全無法保障。防爆管道吊運車是實現(xiàn)管道的機械裝卸和機械運輸?shù)囊惑w化專用裝備，替代了原有的老式管道裝卸方式。

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

防爆管道吊運車主要技術(shù)參數(shù)如下：外形尺寸(長×寬×高)為9835 mm×1960 mm×2300 mm，額定載重量為5 kg，最小轉(zhuǎn)彎半徑為8620 mm，最大爬坡能力為14°，最大行走速度為30 km/h，最大起吊重量為3.2 t，最大起升高度為7100 mm，折疊狀態(tài)高度為1630 mm，回轉(zhuǎn)角度為330°，驅(qū)動方式為兩驅(qū)，停車制動為彈簧制動、液壓松閘，工作制動為靜壓+多盤濕式制動。

3.2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

防爆管道吊運車主要由機架及車廂、隨車吊機、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等4部分組成，其整體側(cè)視圖如圖5所示。

圖5 防爆管道吊運車整體側(cè)視圖

3.2.1 機架及車廂

防爆吊運車是在原防爆牽引車底盤上加裝吊運裝置，為了布置吊機，將四輪驅(qū)動改為兩輪驅(qū)動，后機架、車廂、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、驅(qū)動方式做了重新設計，使其能滿足吊機安裝后的各項性能參數(shù)。吊機安裝在后機架上，并配置兩只支撐腿，支撐腿安裝在后機架上以增加設備的抓地寬度和穩(wěn)定性[8]。

3.2.2 隨車吊機

隨車吊機安裝在后機架上，隨車吊機選用了進口吊機，起重臂系統(tǒng)由內(nèi)臂和液壓伸縮臂兩部分組成。在起吊貨物時，先將兩只支撐腿支撐于地面上，通過操作吊機的控制閥來啟動吊機起重臂的液壓舉升、伸縮及回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了貨物的升降、吊運、回轉(zhuǎn)。在起吊貨物時應使用盡可能短的吊臂，保證起吊安全性。同時可在吊臂末端加裝自制模具，可以實現(xiàn)管道、電纜的托舉，實現(xiàn)吊機的功能擴展。

3.2.3 液壓系統(tǒng)

整車采用2套獨立的液壓系統(tǒng)，一套供機車液壓驅(qū)動及車輛轉(zhuǎn)向使用，一套供隨車吊機使用，在滿足吊機的吊裝動作外預留一路液壓接口回路，供液壓鉆或液壓扳手使用。

3.2.4 電氣系統(tǒng)

本車電氣系統(tǒng)主要用于機車保護、電源自鎖、啟動、熄火控制電路、照明和信號提示， 主要由發(fā)電機、調(diào)節(jié)器、控制按鈕、鑰匙開關(guān)、MCDX-III 電源、電磁氣閥(啟動)、照明開關(guān)、照明燈、信號燈、倒車報警裝置、礦用柴油機車保護監(jiān)控儀(系統(tǒng))等設備組成。

3.3 應用情況及效果

2017年5月開始，防爆吊運車在上灣煤礦安裝一隊進行了應用，吊運DN273管道共計1650根。使用防爆運輸車和防爆管道吊運車分別拉運DN273管道，每車拉運12根，防爆運輸車采用頂板錨索掛吊鏈起吊管道的傳統(tǒng)裝管方式，每班需4人，每班拉運2趟，人均裝運工效為6根/人·班；防爆管道吊運車隨車吊裝管道，每班2人，每班拉運3趟，人均裝運工效為18根/人·班，防爆管道吊運車的裝運工效是防爆運輸車的300%。與傳統(tǒng)的裝卸方式比較，使用防爆管道吊運車作業(yè)效率更高，且機械吊裝比人員搬運或手拉葫蘆吊裝安全風險小、人員勞動強度低。

4 防爆預埋孔鉆車研發(fā)及應用

管線預埋孔的間距一般為1000～5000 mm，孔徑小于50 mm一般采用人工手持電鉆、風鉆或液壓鉆的鉆孔方式，深度為300～1500 mm，預埋件主要為錨桿或螺紋鋼；孔徑大于50 mm一般采用人工手持水鉆的鉆孔方式，深度為500～1000 mm，預埋件主要為槽鋼。掘進工作面支護所用的兩臂錨桿機雖然鉆孔效率高，因設備笨重履帶行走移動速度慢，且需頻繁接電，無法應用到管線預埋孔的施工。此外，管線預埋孔施工所采用的手持鉆機的鉆孔方式輔助作業(yè)量大、勞動強度大、粉塵和噪音大、安全風險大且作業(yè)效率低，尤其是大孔徑預埋孔施工采用手持水鉆鉆孔鉆進難度大，需2人同時協(xié)同推進，鉆孔效率更低。防爆預埋孔鉆車改變了原有的手持式鉆孔方式，實現(xiàn)了管線預埋孔的機械鉆孔，即可打頂眼，也可打幫孔和底孔，即可鉆小孔，也可鉆大孔，且自行移動快速、靈活。

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

防爆預埋孔鉆車主要技術(shù)參數(shù)如下：外形尺寸(長×寬×高)為8100 mm×1960 mm×2200 mm，最小離地間隙為215 mm，打孔直徑為18～180 mm，側(cè)幫打孔高度為200～4800 mm，工作范圍(寬×高)為5500 mm×4000 mm，驅(qū)動方式為四驅(qū)，停車制動為彈簧制動、液壓松閘，工作制動為靜壓+多盤濕式制動，推進方式為油缸，推進行程為1700 mm，推進速度為10000 mm/min(可調(diào))，空載返回速度為20000 mm/min(可調(diào))，額定轉(zhuǎn)速為500/1000 mm/min，額定壓力為18 MPa，回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)角度為±30°，工作平臺高度范圍為1200～2000 mm，打鉆機構(gòu)左右旋轉(zhuǎn)角度為180°，打鉆機構(gòu)前后旋轉(zhuǎn)角度為180°，打鉆機構(gòu)滑動行程為2300 mm。

4.2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

防爆預埋孔鉆車由鉆臂、升降機構(gòu)、打鉆機構(gòu)、操作平臺、動力系統(tǒng)、機架及車廂、傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等9部分構(gòu)成，其整體側(cè)視圖如圖6所示。

圖6 防爆預埋孔鉆車整體側(cè)視圖

4.2.1 鉆臂

鉆臂機構(gòu)一端通過回轉(zhuǎn)支撐與后機架連接，另一端通過三角架與升降機構(gòu)連接。主要由鉆臂、鉆臂支承桿、各種油缸等部分組成。其主要動作功能有：臂身上下升降 45°；臂身±15°角向外回轉(zhuǎn)；鉆臂方筒整體前后伸縮 500 mm；鉆臂回轉(zhuǎn)座整體前后伸縮 500 mm。

4.2.2 升降機構(gòu)

升降機構(gòu)可以翻轉(zhuǎn)，通過與鉆臂連接的三角架，實現(xiàn)水平前后移動和豎直上下移動，升降行程為2300 mm，保證在鉆孔時水平和豎直方向的孔都能在一條直線上，提高鉆孔作業(yè)的標準化程度。

4.2.3 打鉆機構(gòu)

打鉆機構(gòu)通過 2 個旋轉(zhuǎn)油缸與升降機構(gòu)連接，可以上下前后、左右各 180°的旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊、靈活。打鉆機構(gòu)還有瞄準裝置，防止在鉆孔作業(yè)時鉆頭跑偏[9]。

4.2.4 操作平臺

鉆車設有可升降的操作平臺，適應在不同高度的鉆孔作業(yè)，操作平臺由料斗、 操作臺、升降機構(gòu)構(gòu)成。

4.2.5 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)由柴油機、廢氣處理箱、廢氣波紋管、進氣波紋管、進氣箱、水油散熱器、空氣濾清器等組成。

4.2.6 機架及車廂

車架主要是由前機架和后機架兩大部件鉸接組成。前、后機架可作左右各37°的相對擺轉(zhuǎn)，車輛隨轉(zhuǎn)向油缸的伸縮實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。前機架是各主要元部件的安裝基礎，并設置敞開式駕駛室。前驅(qū)動橋通過鋼板彈簧懸掛在前機架上，以實現(xiàn)減振。后機架主要承載升降平臺、鉆臂打鉆機構(gòu)等，后驅(qū)動橋通過鋼板懸掛在后機架上。

4.2.7 傳動系統(tǒng)

本車傳動方式采用液力機械傳動，前、后橋四輪驅(qū)動。傳動系統(tǒng)由柴油機、變矩器、變速箱、前后傳動軸和驅(qū)動橋等組成。

4.2.8 液壓系統(tǒng)

預埋孔鉆車各動作機構(gòu)為全液壓動力驅(qū)動，液壓系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向、制動及打鉆液壓系統(tǒng)3部分組成。

4.2.9 電氣系統(tǒng)

本車電氣系統(tǒng)主要用于機車保護、電源自鎖、啟動、熄火控制電路、照明和信號提示。

主要由發(fā)電機、調(diào)節(jié)器、控制按鈕、鑰匙開關(guān)、MCDX-III 電源、電磁氣閥(啟動)、照明開關(guān)、照明燈、信號燈、倒車報警裝置、礦用柴油機車保護監(jiān)控儀(系統(tǒng))、工作觀察影像等設備組成。

4.3 應用情況及效果

2018年1月，安裝一隊在上灣煤礦1～2煤四盤區(qū)支架專用巷應用防爆預埋孔鉆車。共施工Φ42 mm鉆孔10400個，平均每班施工140個；施工Φ160 mm、深600 mm的預埋孔2160個，平均每班施工30個。采用防爆預埋孔鉆車需2名作業(yè)人員，每班施工Φ42 mm鉆孔140個，人均工效為70個/人·班；每班施工Φ160 mm鉆孔30個，人均工效為15個/人·班。采用手持式液壓鉆打眼需3名作業(yè)人員，每班施工Φ42 mm鉆孔90個，人均工效為30個/人·班；采用手持式水鉆鉆孔需3名作業(yè)人員，每班施工Φ160鉆孔12個，人均工效4個/人·班。施工Φ42mm鉆孔采用防爆預埋孔鉆車的人工工效是采用手持鉆人工工效的233%，施工Φ160 mm鉆孔采用防爆預埋孔鉆車的人工工效是采用水鉆鉆孔人工工效的375%，因此，采用防爆型預埋孔鉆車的人工綜合工效是采用手持式鉆具鉆孔人工綜合工效的304%。此外，防爆預埋孔鉆車鉆孔的深度和對煤壁的垂直度是通過位置傳感器來控制，所以鉆孔質(zhì)量優(yōu)于人工手持打孔。采用防爆預埋孔鉆車鉆孔不僅減輕了員工的勞動強度、降低了作業(yè)工程中的安全風險、減輕了粉塵和噪音的職業(yè)危害，而且提高了鉆孔效率和鉆孔質(zhì)量。

5 防爆升降平臺車研發(fā)及應用

神東礦區(qū)各礦井主要大巷及工作面巷道高度都在3000 mm以上，為了保證輔運巷內(nèi)車輛行駛以及運輸巷運輸機安裝等，管道、電纜需要盡量靠近頂板及煤壁安裝，以保證巷道有效截面積。在管線安裝過程中，經(jīng)常涉及高處打眼、安裝預埋、連接管道、敷設電纜等高空作業(yè)。在傳統(tǒng)高空施工作業(yè)中往往使用搭腳手架、鐵質(zhì)平臺等，由于腳手架和鐵質(zhì)平臺不便移動且不能適應安裝高度變化的需求，制約了在高空作業(yè)過程中的作業(yè)效率，且腳手架和鐵質(zhì)平臺結(jié)構(gòu)簡單，容易晃動，又無防護欄，易發(fā)生人員高空墜落事故，存在很大安全隱患。防爆升降平臺車可隨安裝作業(yè)進度同步跟進，高度連續(xù)可調(diào)以適應安裝高度變化的需求，平臺車車廂整體穩(wěn)固并設置防護欄，徹底解決了腳手架、鐵質(zhì)平臺等傳統(tǒng)登高工具的使用弊端。

5.1 主要技術(shù)參數(shù)

防爆升降平臺車主要技術(shù)參數(shù)如下：最大舉升重量為2000 kg，最大調(diào)平(前)為10°，最大舉升高度為3800 mm，作業(yè)平臺長度為4000 mm，作業(yè)平臺寬度為1960 mm，作業(yè)平臺護欄高度為1200 mm，外形尺寸(長×寬×高)為7930 mm×1960 mm×2580 mm，最大運行速度為30 km/h，最小離地間隙為215 mm。

5.2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

防爆升降平臺車主要由防爆牽引車、作業(yè)平臺、雙叉臂等3部分組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖7所示。

圖7 防爆升降平臺車結(jié)構(gòu)組成

5.2.1 防爆牽引車

該車以WC-5E防爆工程車為原型，經(jīng)過對后機架加長、加固等改造，對液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)進行重新計算，使之能與升降作業(yè)平臺所需性能相匹配，具有經(jīng)久耐用、維修簡單、零配件與礦區(qū)在用車型通用性強等優(yōu)點。

5.2.2 作業(yè)平臺

使用高強度型鋼為骨架，采用“四橫四縱”結(jié)構(gòu)，在保證作業(yè)平臺的剛性的同時最大限度地減輕平臺的重量。在平臺外圍采用沉孔方式預留8個100 mm×100 mm的固定孔，作為護欄的安裝孔或平臺二次開發(fā)時的安裝孔。在平臺的前端還集成了液壓操作臺、工具材料箱、防觸頂傳感器、緊急停機按鈕以及為日后使用液壓鉆時的預留液壓接口等。

5.2.3 雙叉臂

升降平臺采用空心剪叉臂結(jié)構(gòu)，保證升降平臺工作時良好的穩(wěn)定性，經(jīng)過有限元仿真分析最終確定叉臂各連接孔及液壓油缸連接孔位置，使其能做到在滿足所有參數(shù)時質(zhì)量最輕，作業(yè)時叉臂不易變形[10]。

5.3 應用情況及效果

2016年5月，安裝一隊在上灣煤礦1～2煤輔運巷應用防爆型升降平臺車，廣泛應用井下諸如例管道龍門安裝、高空打眼及預埋件安裝、高空管道對接、高空電纜吊掛等高空作業(yè)。人員進入車廂后，作業(yè)人員在作業(yè)平臺上操作控制手柄將作業(yè)平臺升至所需高度即可進行作業(yè)，隨著作業(yè)地點向前推移，只需升降車向前移動至下一作業(yè)地點即可，不僅省去了傳統(tǒng)作業(yè)中人工移動腳手架等工序，而且也省去了傳統(tǒng)高空作業(yè)時人員上下腳手架時帶來的安全隱患。在高空安裝設備、龍門時則省去了傳統(tǒng)作業(yè)中對設備、工件的起吊工序，可以將設備、工件及安裝附屬配件放在作業(yè)平臺上直接舉升至安裝位置進行作業(yè)。使用腳手架等傳統(tǒng)登高工具進行登高作業(yè)時需4人協(xié)同作業(yè)，高空安裝管道預埋件為100個/班，人工工效為25個/人·班；使用防爆升降平臺車進行登高作業(yè)時只需3人，高空安裝管道預埋件為180個/班，人工工效為60個/人·班；使用防爆升降平臺車的安裝工效是使用腳手架等傳統(tǒng)登高工具安裝工效的240%。防爆型升降平臺車提高了高空作業(yè)效率、降低了安全風險、減輕了員工的勞動強度、方便了安裝作業(yè)，具有省人、省力、安全可靠、快捷方便的特點，實現(xiàn)了減人增效。

6 防爆管道抓舉車的研發(fā)及應用

目前，煤礦井下巷道內(nèi)管道安裝管徑以DN100-DN500為主，DN150及以下管徑通常采用逐點起吊法，先將管道在地面全部連接好，間隔6～10 m吊掛2～3個手拉葫蘆，人工手拉葫蘆將管道起吊至安裝高度，待管道固定好后再逐次拆卸手拉葫蘆懸掛到下一個起吊點，循環(huán)往復。DN200及以上管徑通常采用組段起吊法，將2～4根管道先在地面連接好，間隔6 m吊掛2～4個手拉葫蘆，采用人工拉手動葫蘆將管道起吊至安裝高度，待管道固定并安裝好后拆下所有手拉葫蘆掛在下一個起吊點，如此往復循環(huán)。由于DN200及以上管徑大、柔軟性差，起吊和對管作業(yè)費時費力、效率低、安全隱患大，起吊前準備工作多且延誤時間長。防爆管道抓舉車可將管道一次抓舉到位，徹底解決了傳統(tǒng)手拉葫蘆起吊的諸多弊端，實現(xiàn)了管道起吊作業(yè)由手動向機械自動起吊的轉(zhuǎn)變。

6.1 防爆型管道抓舉車主要技術(shù)參數(shù)

防爆管道抓舉車主要技術(shù)參數(shù)如下：外形尺寸(長×寬×高)為7200 mm×1960 mm×2200 mm，最小工作范圍(寬×高)為5000 mm×3500 mm，工作狀態(tài)穩(wěn)車方式為液壓支腿，抓取管道直徑為150～500 mm，最大抓舉管道重量為1500 kg，最大行走速度為30 km/h，最大舉升高度為5000 mm，軸向移動距離為800 mm，橫向移動距離為1000 mm，水平旋轉(zhuǎn)角度為14°，抓舉機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度為195°，驅(qū)動方式為四驅(qū)，停車制動為彈簧制動、液壓松閘，工作制動為靜壓+多盤濕式制動。

6.2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

該裝置主要由抓舉機械手、升降操作臺、機架及車廂、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等7部分組成，防爆管道抓舉車整體側(cè)視圖如圖8所示。

6.2.1 抓舉機械手

抓舉機械手是防爆管道抓舉車進行管道鋪設作業(yè)的重要部件，它位于管道抓舉車的后機架上面，抓舉機械手由左右平移滑道、前后平移滑道、回轉(zhuǎn)升降部、抓舉臂、抓斗部及各個驅(qū)動油缸與回轉(zhuǎn)驅(qū)動減速器組成。抓舉機械手能夠?qū)崿F(xiàn)前后移動距離為 800 mm，橫向左右移動距離為 1000 mm，水平旋轉(zhuǎn) 14°，同時抓斗還能繞其回轉(zhuǎn)座軸線旋轉(zhuǎn) 195°，抓舉臂中間部分可伸縮 400 mm，從而實現(xiàn)機械手在管道安裝鋪設過程中的抓、舉、伸、讓、轉(zhuǎn)、對等功能，防爆管道抓舉車抓舉機械手結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 防爆管道抓舉車整體側(cè)視圖

圖9 防爆管道抓舉車抓舉機械手結(jié)構(gòu)

6.2.2 升降操作臺

升降操作臺由操作臺和升降套筒組成，升降套筒內(nèi)置伸縮油缸實現(xiàn)操作平臺的升降，以適應不同的作業(yè)高度。

6.2.3 機架及車廂

車架主要是由前機架和后機架兩大部件鉸接組成。前、后機架可作左右各 37°的相對擺轉(zhuǎn)，車輛隨轉(zhuǎn)向油缸的伸縮實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向油缸一端裝在后機架轉(zhuǎn)向油缸鉸點，另一端裝在前機架轉(zhuǎn)向油缸鉸點。前機架是各主要元部件的安裝基礎，并設置封閉式駕駛室，定員1人。前驅(qū)動橋通過鋼板彈簧懸掛在前機架上，以實現(xiàn)減振。后機架主要承載抓舉機構(gòu)，后驅(qū)動橋通過鋼板彈簧懸掛在后機架上。

6.2.4 動力系統(tǒng)

本車動力系統(tǒng)由柴油機、廢氣處理箱、廢氣波紋管、進氣波紋管、進氣箱、水油散熱器、空氣濾清器等組成。

6.2.5 傳動系統(tǒng)

傳動方式采用液力機械傳動，前、后橋四輪驅(qū)動。傳動系統(tǒng)由柴油機、變矩器、變速箱、前、后傳動軸和驅(qū)動橋等組成。其動力由柴油機的飛輪傳給變矩器，再由變矩器輸出，將動力傳給變速箱，變速箱的輸出軸經(jīng)傳動軸分別與前、后驅(qū)動橋相聯(lián)，將動力傳給前、后驅(qū)動橋，最后傳給驅(qū)動輪。

6.2.6 液壓系統(tǒng)

防爆管道抓舉車各動作機構(gòu)為全液壓動力驅(qū)動，液壓系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)、制動及抓舉液壓系統(tǒng)3部分組成。

6.2.7 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要用于機車保護、電源自鎖、啟動、熄火控制電路、照明和信號提示等部分組成，主要由發(fā)電機、調(diào)節(jié)器、控制按鈕、鑰匙開關(guān)、MCDX-III 電源、電磁氣閥(啟動)、照明開關(guān)、照明燈、信號燈、倒車報警裝置、礦用柴油機車保護監(jiān)控儀(系統(tǒng))等設備組成。

6.3 應用情況及效果

2018年2月，防爆管道抓舉車在上灣煤礦22號煤四盤區(qū)支架專用巷管道安裝工程中應用管道抓舉車，共安裝DN150管道10800 m，安裝DN250管道10800 m。采用傳統(tǒng)逐點起吊和組段起吊每班需8名作業(yè)人員，平均每班安裝DN150管道50根，人工工效為6.25根/人·班，安裝DN250管道30根，人工工效為3.75根/人·班；使用防爆管道抓舉車每班需6名作業(yè)人員，平均每班安裝DN150管道100根，人工工效為16.67根/人·班，安裝DN250管道70根，人工工效為11.67根/人·班。防爆管道抓舉車安裝DN150管道人工工效是逐點起吊的187%，安裝DN250管道人工工效是組段起吊的311.2%，防爆管道抓舉車的綜合工效是人工起吊的249.1%。防爆型管道抓舉車優(yōu)化了安裝工藝、提高了安裝效率、降低了作業(yè)風險、減輕了員工的勞動強度。

7 綜合應用效果

管道自動焊接機、管道除銹刷漆一體機、防爆管道吊運車、防爆預埋孔鉆車、防爆升降平臺車、防爆管道抓舉車的研發(fā)和應用徹底改變了管線安裝工序中的傳統(tǒng)作業(yè)方式，實現(xiàn)了管道手工焊接→機械手自動焊接、手工除銹刷漆→機械刷自動除銹刷漆、手工搬運或起吊→機械隨車起吊、手推登高平臺→自行走可升降平臺、手持鉆具打眼→機械打眼、 手工起吊安裝→機械手抓舉安裝，實現(xiàn)了管線安裝從手工作業(yè)向機械化作業(yè)的過渡。管道自動焊接機、管道除銹刷漆一體機主要解決了管道在地面的前期準備問題，提高了焊接、除銹和刷漆速度，縮短了準備時間，減輕了地面員工的勞動強度，避免了員工在焊塵、油漆等有害氣體環(huán)境中作業(yè)，保證了員工的職業(yè)健康。 防爆管道吊運車解決了管道的裝卸問題，提高了裝卸運輸速度，大大減輕了員工的勞動強度，避免人員搬抬管道而出現(xiàn)磕手碰腳事故。防爆預埋孔鉆車、防爆升降平臺、和防爆管道抓舉車解決了管線在井下作業(yè)現(xiàn)場的安裝問題，即打預埋孔、高空作業(yè)、管道安裝，提高了作業(yè)現(xiàn)場的安裝速度，減輕了井下員工的勞動強度，降低了作業(yè)風險，保證了現(xiàn)場作業(yè)安全。

機電安裝成套設備在大采高面的綜合應用，徹底解決了大采高工作面?zhèn)鹘y(tǒng)安裝方式和安裝設備無法滿足大采高工作面管線安裝高度的需求，解決了管線安裝速度慢、影響采掘工作面推進進度的問題。2018年2月-2020年3月，機電安裝成套設備全面使用到了上灣煤礦12401和12402兩個超大采高工作面的管線安裝工程中，取得了良好的社會效益、經(jīng)濟效益和實用效果，保證了超大采高工作面的正常接續(xù)，實現(xiàn)了減人增效的目的。機電安裝成套設備具有省人、省力、安全可靠、快捷方便、健康環(huán)保、效率高、風險小的特點，應用前景廣闊，能夠?qū)崿F(xiàn)“上裝備、保安全、提效益”的目的。