礦用電纜存儲裝置的研發(fā)與應(yīng)用*

朱天龍

(1.山西天地煤機(jī)裝備有限公司, 山西 太原 030006；2.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

根據(jù)《煤礦作業(yè)規(guī)程》要求，煤礦井下移動變電站嚴(yán)禁帶電遷移。所以在我國煤礦井下綜采工作面順槽巷道內(nèi)，搬運(yùn)移動變電站等設(shè)備列車機(jī)尾到綜采工作面需要預(yù)留至少20 m以上的預(yù)留電纜、液管等，保證綜采工作面生產(chǎn)過程中，用于運(yùn)輸移動變電站等綜采配套設(shè)備的設(shè)備列車保持不動，能夠有足夠的電纜、液管保證工作面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備的正常運(yùn)行。

目前，大多數(shù)煤礦井下采用單軌吊的型式懸掛存儲電纜，需要人工做大量的輔助措施，例如鋪設(shè)、懸掛單軌吊工字鋼，拆卸、回收單軌吊工字鋼等。勞動強(qiáng)度大，作業(yè)時間長，安全系數(shù)低，成為綜采工作面快速推進(jìn)的瓶頸，一定程度上制約了礦井高產(chǎn)高效目標(biāo)的實現(xiàn)，是國內(nèi)外煤礦企業(yè)公認(rèn)的難點。因此，有必要研制一種新型礦用電纜存儲裝置取替?zhèn)鹘y(tǒng)單軌吊的型式。

1 研究目標(biāo)

通過調(diào)研多個煤礦井下膠帶運(yùn)輸順槽巷道內(nèi)設(shè)備的配套，對轉(zhuǎn)載機(jī)、自移機(jī)尾、超前支架、設(shè)備列車等設(shè)備的聯(lián)動運(yùn)輸工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究。下面以安山煤礦2002工作面為例，該工作面上、下順槽斷面均為矩型，運(yùn)輸順槽尺寸為寬5.0 m,高2.4 m(一邊硬化后2.2 m)，回風(fēng)順槽尺寸為寬5.0 m,高2.6 m。膠運(yùn)巷道布置有ZYDC11600/18/35D型膠運(yùn)巷分體式超前支護(hù)支架組、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等。超前支架跨騎在轉(zhuǎn)載機(jī)兩側(cè)，設(shè)備列車布置在轉(zhuǎn)載機(jī)自移機(jī)尾前方，緊鄰膠帶運(yùn)輸機(jī)。設(shè)備列車車尾帶工作面懸空端電纜、液管通過巷道頂板懸掛單軌吊工字鋼懸掛存儲，長度約100 m。設(shè)備單獨控制，平均2周拉移一次設(shè)備列車。采煤機(jī)回采過程中，需要安排專人操作單軌吊收縮存儲電纜。并有專人負(fù)責(zé)拆卸、回收單軌吊工字鋼，拆下的工字鋼需要搬運(yùn)到單軌吊前方端頭繼續(xù)進(jìn)行懸掛連接。整個過程，耗費大量的人力和時間，同時存在一定的安全風(fēng)險[1-3]。

根據(jù)綜采工作面順槽巷道斷面尺寸、設(shè)備布置要求，研究移變列車到轉(zhuǎn)載機(jī)自移機(jī)尾、超前支架懸空段電纜搭接空間及采煤機(jī)回采過程中設(shè)備聯(lián)動工藝要求，充分利用現(xiàn)有設(shè)備的交替移動時間及現(xiàn)有設(shè)備的空間外形尺寸，確定電纜存儲裝置的設(shè)計空間及型式。

2 電纜存儲裝置整體方案設(shè)計

2.1 組成結(jié)構(gòu)

礦用電纜存儲裝置主要由承載車、撐頂立柱、伸縮梁、工字鋼軌道、步進(jìn)推移裝置、電纜、電纜托架組成,如圖1所示。相鄰兩臺承載車通過連接桿鉸接。端頭的承載車通過連接機(jī)構(gòu)與平板車相連，形成一體結(jié)構(gòu)，使得整套電纜存儲裝置可以隨前方設(shè)備列車組整體移動。承載車上布置有撐頂立柱和伸縮梁，工作時為了有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，承載車前后分別布2根撐頂立柱。每臺承載車上布置有兩組伸縮梁，伸縮梁包括上部的懸臂梁和下部的升降油缸，通過控制升降油缸可以根據(jù)順槽巷道實際高度情況自行調(diào)節(jié)伸縮梁高度。伸縮梁上吊掛有軌道，軌道上安裝有可沿軌道滑動的步進(jìn)自移裝置和用于鋪掛電纜的電纜托架。

1-承載車;2-撐頂立柱；3-伸縮梁; 4-軌道; 5-步進(jìn)推移裝置; 6-電纜; 7-電纜托架。圖1 礦用電纜存儲裝置

2.2 工作原理

工作時，軌道吊掛于伸縮梁下方，撐頂立柱接頂、承載車接底，步進(jìn)自移裝置與綜采設(shè)備同步前進(jìn)，電纜壓縮；移動列車組時，撐頂立柱縮回，承載車隨移動列車組的推拉油缸前進(jìn)，同時控制步進(jìn)自移裝置反向移動，完成電纜拉伸，最終實現(xiàn)電纜伸縮過程的一個循環(huán)。礦用電纜存儲裝置徹底取代傳統(tǒng)單軌吊裝置，提高設(shè)備安全穩(wěn)定性的同時，降低了工人的勞動強(qiáng)度，減少了懸掛電纜的長度。

2.3 結(jié)構(gòu)特點

1) 不需要重復(fù)敷設(shè)軌道，電纜只需一次敷設(shè)，電纜的前后移動只需動作操作閥，操作方便、靈活。

2) 伸縮梁底部焊接在承載車上，用于懸掛軌道，擺脫了傳統(tǒng)單軌吊對于頂板條件的要求。

3) 伸縮梁底部安裝有升降油缸，可以調(diào)節(jié)伸縮梁的高度，從而適應(yīng)不同高度的巷道，而且整體易拆卸，操作簡便。

4) 電纜通過電纜托架懸掛于軌道上，可以隨承載車整體移動，方便快捷，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度。

5) 采用步進(jìn)推移機(jī)構(gòu)及彈簧制動機(jī)構(gòu)移動電纜，互為支點，邁步推移。

6) 利用撐頂立柱支撐頂板，有效防止系統(tǒng)在工作過程中設(shè)備發(fā)生傾翻現(xiàn)象，保證了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

7) 與傳統(tǒng)單軌吊裝置相比較，減少懸掛電纜長度，使高效礦井的懸掛電纜從傳統(tǒng)的200 m降低至40 m以下，節(jié)約了成本。

將君子教育理念滲透到智慧課堂模式是指在師生之間、生生之間的交流互動中注重文明禮儀、弘揚(yáng)君子德操，行于禮、止于禮、互相尊重，團(tuán)結(jié)協(xié)作，共同探究，這可從智慧課堂模式的各個環(huán)節(jié)中體現(xiàn)。

8) 采用綜采工作面的乳化液泵站為動力源，十分便捷，液壓工作介質(zhì)為乳化液，防爆阻燃、安全性好。

9) 減少了操作人員，實現(xiàn)了電纜與綜采設(shè)備同步前進(jìn)，推進(jìn)了綜采面自動化、無人化管理，從根本上對順槽設(shè)備移動方式進(jìn)行了革新。

3 關(guān)鍵元部件設(shè)計與校核

3.1 升降油缸的設(shè)計計算

升降油缸是伸縮梁升降支撐頂梁的重要組成機(jī)構(gòu)，主要用于根據(jù)不同的順槽巷道高度，支撐頂梁距離巷道頂板的距離，有效避免承載的電纜、液管與頂板發(fā)生摩擦擠壓。升降油缸主要由缸體、活柱、導(dǎo)向套、活塞和密封件等組成,如圖2所示，外接DN10管路。

圖2 升降油缸結(jié)構(gòu)剖面

升降油缸在工作時通常不會受到切向力的作用，基本上只承受軸向力[5]。設(shè)計缸筒的計算公式為：

(1)

式中，D為缸筒內(nèi)徑,m；p為供液壓力,Pa；Fmax為推力負(fù)載的最大負(fù)載值,N；η為總效率。

液壓缸的總效率計算公式：

η=ηmηvηd

(2)

式中，ηm為機(jī)械效率(初計算取0.98)[6]；ηv為容積效率(通常取ηv≈1)；ηd為作用力效率(取ηd≈1)。

升降油缸推力負(fù)載取155 kN，工作壓力取31.5 MPa，η=0.98 等數(shù)據(jù)代入計算得，缸筒內(nèi)徑D=79.96 mm，通過查表，最終圓整為D=80 mm。

對升降油缸缸筒壁厚進(jìn)行設(shè)計，需要考慮材料各屬性和實際工作需求，由于升降油缸在高壓的工作環(huán)境下工作，材料選擇為27 SiMn，缸筒壁厚為：

(3)

式中:δ為缸筒壁厚,mm；Pmax為液壓缸設(shè)計的額定壓力,MPa；[σ]為缸筒材料的許用應(yīng)力,MPa。

通過計算與查表，缸筒壁厚δ=11 mm。

通過缸筒內(nèi)徑的設(shè)計，得出了此升降油缸的缸筒內(nèi)徑，活塞外徑即為缸筒內(nèi)徑。確定活塞直徑后，在負(fù)載力固定的時候，下一步需要確定活塞的有效面積?；钊挠行娣eA為：

(4)

式中，PL為負(fù)載壓力PL=P1-P2MPa；P1為液壓缸進(jìn)液壓力,MPa；P2為液壓缸回液壓力,MPa。

根據(jù)經(jīng)驗可取P2≈0.05P1，將Fmax=155 kN，P1=31.5 MPa代入公式中，計算出A=4 938.12 mm2，活塞上需要安裝各類密封件以及檔環(huán)，它們共同決定著活塞的寬度。此升降油缸的活塞寬度設(shè)計為38 mm。

一般情況下，液壓缸的活塞桿會采用實心活塞桿，因為實心活塞桿強(qiáng)度高，但由于升降油缸工作環(huán)境惡劣，需要將傳感器內(nèi)置安裝，因此采用此液壓缸采用空心活塞桿?；钊麠U內(nèi)徑尺寸是根據(jù)傳感器尺寸來確定，因此，此提升千斤頂?shù)膬?nèi)徑取32 mm，通過速比確定活塞桿的外徑為：

(5)

式中，Φ為速度比，當(dāng)工作壓力大于20 MPa時，取Φ=2[4]。

計算得d=56.568 mm，查表后將活塞桿直徑為55 mm。

平板車的底盤高度為450 mm，為了在適應(yīng)不同巷道高度的情況下盡量多的存儲管路，初步確定選用缸徑為φ80 mm、桿徑為φ55 mm、行程為300 mm的單伸縮油缸,如圖3所示。

圖3 升降油缸三維模型

初步估算一條管路搭載時懸臂梁承受的壓力大約為3 500 N，承載10條管路加上升降油缸自身重力和頂梁重量約為50 000 N，而一個提升立柱的初支撐力為1.55×105N。因此缸徑為φ80 mm、桿徑為φ55 mm的升降油缸滿足需求，每個升降油缸配備35 MPa的安全閥，可以完全滿足承載車懸臂梁升降的目的。

3.2 撐頂立柱的有限元強(qiáng)度校核

撐頂立柱工作工程中起到維持礦用電纜存儲裝置穩(wěn)定的作用，因此對其進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核尤為重要。本文對立柱的有限元強(qiáng)度加載試驗以額定供液壓力的1.2倍進(jìn)行，觀察各連立柱連接位置。

撐頂立柱1.2倍額定工作阻力加載試驗的有限元仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4和圖5可知：立柱最高等效應(yīng)力為 179.24 MPa，位于球形缸底附近；變形最大位移為1.67 mm，位于活塞桿的柱頭上。其位移變化和應(yīng)力在強(qiáng)度范圍內(nèi)，安全系數(shù)為1.89，滿足強(qiáng)度要求[5]。

圖4 撐頂立柱應(yīng)力云圖

圖5 撐頂立柱位移云圖

4 結(jié)語

礦用電纜存儲裝置的成功研制滿足了綜采工作面采煤機(jī)回采過程中設(shè)備列車尾端懸空段電纜的自動存儲，實現(xiàn)完全取替?zhèn)鹘y(tǒng)單軌吊懸掛存儲傳統(tǒng)工藝，減輕人員勞動強(qiáng)度，縮短輔助作業(yè)時間，提升工作效率和安全性的目標(biāo)。目前，該套裝備已在晉陜蒙主要礦區(qū)多地使用，應(yīng)用效果良好。