綜采工作面采煤機(jī)自動(dòng)拖纜系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

谷 彬

(神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)公司 榆家梁煤礦，陜西 榆林 719315)

我國(guó)絕大多數(shù)煤礦綜采工作面使用采煤機(jī)開(kāi)采[1]，在采煤過(guò)程中，采煤機(jī)電纜及水管路隨采煤機(jī)往返運(yùn)動(dòng)，在采煤機(jī)多次短程往返、尤其是斜切進(jìn)刀過(guò)程中，電纜夾容易在垂直方向上發(fā)生多次彎折疊加，不僅使得電纜夾滑出電纜槽引起過(guò)度磨損或擠傷，而且也會(huì)使得采煤機(jī)“馬鞍架”無(wú)法順利通過(guò)，特別是在薄煤層，支架沒(méi)有足夠的降架空間，導(dǎo)致支架無(wú)法順利拉架和推溜[2-4]。目前，綜采工作面采煤機(jī)電纜管理主要靠人工處理，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且處理頻次高，不利于煤礦實(shí)現(xiàn)安全、高效開(kāi)采[5]。

為了解決綜采工作面采煤機(jī)多次往返運(yùn)行導(dǎo)致供電電纜多層疊加的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外諸多科研院所和企業(yè)研發(fā)了多種自動(dòng)拖纜裝置，波蘭Famur公司研發(fā)了一套鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的拖纜裝置，鏈條拖動(dòng)拖纜小車拖拽采煤機(jī)電纜自動(dòng)跟隨采煤機(jī)運(yùn)行。尹朝陽(yáng)[6]研發(fā)了一種采用無(wú)極繩原理的拖纜系統(tǒng)，采煤機(jī)掉頭時(shí)，采煤機(jī)處的管纜和拖纜繩(鏈)拖拽更加順暢。徐向東[7]研發(fā)的拖纜系統(tǒng)不僅建立了采煤機(jī)電纜拖拽的數(shù)學(xué)模型，而且也對(duì)設(shè)備的選型進(jìn)行了比較詳細(xì)的描述。楊立[8]研發(fā)的拖纜實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用速度控制和轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)拖纜小車與采煤機(jī)運(yùn)行相匹配，模擬了井下拖纜運(yùn)行的工況。上述研究工作促進(jìn)了采煤機(jī)自動(dòng)拖纜技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，拓寬了拖纜裝置研發(fā)的思路，但是當(dāng)前的自動(dòng)拖纜技術(shù)比較分散，沒(méi)有系統(tǒng)性的給出自動(dòng)拖纜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)方法，缺少井下復(fù)雜工況運(yùn)行的試驗(yàn)支撐。筆者將根據(jù)自動(dòng)拖纜運(yùn)行的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代礦井自動(dòng)化、智能化發(fā)展的需求[9]，對(duì)綜采工作面自動(dòng)拖纜系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)研究展開(kāi)論述。

1 工程背景及運(yùn)行原理

1.1 工程背景

自動(dòng)拖纜系統(tǒng)涉及到自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程通信、系統(tǒng)融合等技術(shù)，對(duì)工作面自動(dòng)化、智能化程度要求比較高，筆者以國(guó)家能源集團(tuán)神東榆家梁煤礦43102工作面為依托，開(kāi)展技術(shù)研究。榆家梁43102工作面應(yīng)用了三維地質(zhì)模型構(gòu)建、無(wú)人巡檢、生產(chǎn)控制、智能協(xié)同聯(lián)控等關(guān)鍵技術(shù)，屬于第3代智能化工作面[10]。43102工作面位于4-3煤，工作面長(zhǎng)度340.45m，推進(jìn)長(zhǎng)度2191m，起伏角度不大于9°，一般為3～5°，可采儲(chǔ)量207萬(wàn)t，平均采高1.45m，屬于中薄型煤層，配套MG2×250/1200-WD1 型采煤機(jī)、SGZ800/1400型刮板輸送機(jī)、ZY9200/09/18D型液壓支架(中部)。

1.2 拖纜系統(tǒng)運(yùn)行原理

本系統(tǒng)的工作原理是利用動(dòng)滑輪的特性，采煤機(jī)電纜夾纏繞在拖纜小車的拖纜滾輪上，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取采煤機(jī)的運(yùn)行方向、速度、位置等相關(guān)技術(shù)參數(shù)，控制拖纜驅(qū)動(dòng)部運(yùn)行，動(dòng)力傳輸選擇非常適合礦山長(zhǎng)運(yùn)距、重載運(yùn)行的鏈條傳輸動(dòng)力[11，12]，實(shí)現(xiàn)拖纜小車和采煤機(jī)實(shí)時(shí)同步跟隨，二者之間一直保持方向一致、速度V拖纜=V采煤機(jī)/2的關(guān)系，始終保持采煤機(jī)電纜具備恒定的張力，不發(fā)生二次折彎。運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 拖纜系統(tǒng)運(yùn)行原理

2 機(jī)械系統(tǒng)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)工作面整體配套，自動(dòng)拖纜驅(qū)動(dòng)部布置在工作面機(jī)尾段，從機(jī)頭到機(jī)尾運(yùn)行為拖纜狀態(tài)，機(jī)尾到機(jī)頭為放纜狀態(tài)。機(jī)械系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)部、尾回轉(zhuǎn)部、電纜槽、驅(qū)動(dòng)鏈、拖纜小車、鏈張緊系統(tǒng)等，總體方案如圖2所示。

圖2 機(jī)械系統(tǒng)總體方案

1)驅(qū)動(dòng)部。驅(qū)動(dòng)部采用水平布置方式，即電機(jī)平行于工作面。傳動(dòng)系統(tǒng)選擇電機(jī)與減速器一體式的減速電機(jī)，電機(jī)自帶編碼器。驅(qū)動(dòng)鏈輪與減速電機(jī)通過(guò)扭矩軸連接，鏈輪體采用高強(qiáng)度合金鋼鍛造成型，機(jī)架焊接成型，與刮板輸送機(jī)聯(lián)接，驅(qū)動(dòng)部總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)部總體結(jié)構(gòu)

2)尾回轉(zhuǎn)部。尾回轉(zhuǎn)部安裝在輸送機(jī)中間部位的電纜槽中，可在一定長(zhǎng)度的軌道槽內(nèi)滑動(dòng)，與驅(qū)動(dòng)部鏈輪一起共同起到回轉(zhuǎn)鏈條的作用。

3)電纜槽。電纜槽集電纜管理、拖纜小車運(yùn)行、驅(qū)動(dòng)鏈運(yùn)行于一體，不僅做為電纜、水液管路、信號(hào)線等的存放空間，而且是拖纜小車和驅(qū)動(dòng)鏈條的運(yùn)行通道。

4)拖纜小車。拖纜小車是拖纜裝置的動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)裝置輸出的動(dòng)力通過(guò)鏈條傳遞到拖纜小車上，再由拖纜小車拖動(dòng)電纜夾在電纜槽內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)。

5)鏈張緊系統(tǒng)。鏈張緊系統(tǒng)通過(guò)液壓系統(tǒng)控制液壓缸調(diào)整尾回轉(zhuǎn)部的位置，從而達(dá)到調(diào)節(jié)鏈條松緊程度的目的，為了輸出恒定的張力，工作過(guò)程中液壓缸處于實(shí)時(shí)張緊狀態(tài)[13]。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

依據(jù)拖纜力計(jì)算公式[14]：

Ft=2(qμl+Fc)+Fj+FL

(1)

式中，F(xiàn)t為拖纜力，N；Q為電纜夾組件重量，N/m；M為電纜夾組件摩擦系數(shù)；L為拖動(dòng)長(zhǎng)度，m；Fj為拖纜架摩擦力，N；FL為驅(qū)動(dòng)鏈摩擦力，N。

計(jì)算可得拖纜力Ft=49kN。系統(tǒng)裝機(jī)功率：

P=FtVt/(kη)=14.7(kW)

(2)

式中，Vt為拖動(dòng)速度，取Vt=0.18m/s；K為裕度系數(shù)，取η=0.7；H為傳動(dòng)效率，取η=0.86。

取裝機(jī)功率為15kW。拖纜系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 拖纜系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.3 拖纜系統(tǒng)中部配套

拖纜系統(tǒng)中部電纜槽與刮板輸送機(jī)中部槽聯(lián)結(jié)，拖纜小車的運(yùn)行軌道在電纜槽上，拖纜鏈道與電纜槽為焊接一體結(jié)構(gòu)，由于43102工作面平均采高只有1.45m，煤層最低時(shí)為1.2m，為了盡可能降低配套空間，拖纜鏈道布置方式采用拖纜鏈道垂直布置，其配套方式如圖4所示。

圖4 拖纜中部配套

3 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)包括井下就地控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)兩部分。井下就地控制系統(tǒng)主要對(duì)采集到的采煤機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，處理，并通過(guò)一定的控制算法控制變頻器輸出，控制拖纜小車同向、半速跟隨采煤機(jī)運(yùn)行。就地控制系統(tǒng)設(shè)有壓力、位置、行程等多種傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，然后反饋到控制系統(tǒng)主站，以便進(jìn)一步校正與決策。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)位于井下集中控制中心，實(shí)時(shí)與就地控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并統(tǒng)一納入礦井健康管理中心，然后傳輸?shù)降孛娣挚刂行?，形成地質(zhì)、采礦、機(jī)電等多源異構(gòu)信息的實(shí)時(shí)共享和數(shù)據(jù)反饋?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 硬件系統(tǒng)

3.1.1 控制主站

采用ZDYG127(A)-Z礦用隔爆兼本安型電液控制裝置主站，以可編程控制器(PLC)作為核心，配置通信模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊，以MEG128為核心的按鍵通訊板為輸入控制器和TPC1261Hii真彩12寸液晶顯示屏作為顯示系統(tǒng)，按鍵通訊板負(fù)責(zé)對(duì)鍵盤和按鈕的輸入信號(hào)進(jìn)行采集，控制裝置主站結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 控制裝置主站結(jié)構(gòu)

3.1.2 控制分站

為了便于遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集及現(xiàn)場(chǎng)安裝，在尾回轉(zhuǎn)部設(shè)置控制分站，用于采集液壓缸壓力、行程、位置等相關(guān)數(shù)據(jù)，也可控制電磁閥組開(kāi)啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)尾部張緊系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控?？刂品终就ㄟ^(guò)控制總線與主站通信，實(shí)現(xiàn)主站統(tǒng)一決策與管理。

3.1.3 變頻器及編碼器

變頻器選擇BPJ-45/660K型四象限變頻器，采用ABB機(jī)芯，工作電壓660V，輸出頻率5～60Hz，帶轉(zhuǎn)矩控制功能。電機(jī)編碼器安裝在電機(jī)中心軸上，為絕對(duì)值型。

3.1.4 傳感器

系統(tǒng)用到的傳感器主要有位置傳感器、壓力傳感器和行程傳感器。位置傳感器在工作面多點(diǎn)布置，采用KHC100礦用本安型磁性接近傳感器，常開(kāi)型，動(dòng)作點(diǎn)距離大于等于100mm；壓力傳感器采用GDP60型礦用壓力傳感器，工作量程60MPa，分別率1MPa，串聯(lián)在油缸進(jìn)液口上，實(shí)時(shí)測(cè)量油缸有桿腔的壓力；行程傳感器采用SMW-CTS-D系列磁致伸縮位移傳感器，工作量程最大可達(dá)2m，供電電壓24V，安裝在油缸中，可將油缸的行程數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂品终局小?/p>

3.2 軟件系統(tǒng)

軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)編程和下位機(jī)編程兩個(gè)部分。上位機(jī)采用北京亞控科技組態(tài)王6.55進(jìn)行控制界面組態(tài)。設(shè)有主界面、參數(shù)設(shè)置界面、故障查詢界面、運(yùn)行數(shù)據(jù)界面、曲線顯示界面等。

下位機(jī)采用PLC進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)，用結(jié)構(gòu)化編程方式編程，以功能塊為單元進(jìn)行分類，主程序塊ZB1用于整個(gè)控制功能的架構(gòu)管理，其結(jié)構(gòu)層下根據(jù)不同功能分為多個(gè)功能塊，有電機(jī)控制功能塊KC1、傳感器數(shù)據(jù)采集功能塊KC2、通訊功能塊KC3以及其它輔助功能塊KC4，功能塊也可以調(diào)用相應(yīng)功能的子程序。程序功能如圖7所示。

圖7 程序功能框圖

3.3 系統(tǒng)通信及工作流程

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備的不同性能采用不同的通信協(xié)議。主站與變頻器、液晶顯示器、電機(jī)編碼器等之間的通信采用RS485通信，主站與從站PLC之間采用CAN通信協(xié)議，液晶顯示器與按鍵通訊板采用RS232通訊協(xié)議。主站與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與井上分控中心采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)通信。通信結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 通信結(jié)構(gòu)示意圖

自動(dòng)拖纜電控系統(tǒng)的控制主站、控制分站、各傳感器、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及地面分控中心在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)互相協(xié)同配合，出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)報(bào)警顯示，必要時(shí)各系統(tǒng)會(huì)聯(lián)合閉鎖并停機(jī)，其工作流程如圖9所示。

圖9 電控系統(tǒng)工作流程

4 關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 過(guò)載保護(hù)技術(shù)

1)扭矩軸過(guò)載保護(hù)。在設(shè)備過(guò)載保護(hù)中，機(jī)械式保護(hù)最直接、最靈敏，尤其是在動(dòng)力輸出開(kāi)始段，可最大限度的保護(hù)設(shè)備部件。減速電機(jī)與鏈輪之間采用扭矩軸連接。扭矩軸中間部位段根據(jù)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)環(huán)形剪切槽[15]。當(dāng)負(fù)載異常劇增時(shí)(比如刮卡)，扭矩軸斷裂，減速電機(jī)空轉(zhuǎn)，設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中，d為剪切槽最小截面直徑，mm；τp為材料許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取75MPa；T為扭矩軸加載扭矩，N·m，實(shí)際中按1.5倍過(guò)載計(jì)算，取12210N·m。由式(3)計(jì)算得d≥91.9 mm，設(shè)計(jì)中取95mm。

2)電器過(guò)載保護(hù)。電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集變頻器輸出的電流及電機(jī)溫度，當(dāng)電流及溫度有一個(gè)參數(shù)超過(guò)預(yù)警值時(shí)，電控系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令，并上傳到遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和地面分控中心進(jìn)行聲光報(bào)警。

3)液壓過(guò)載保護(hù)。鏈條張緊系統(tǒng)采用液壓缸實(shí)時(shí)張緊，在液壓缸進(jìn)液口串聯(lián)一個(gè)壓力傳感器和溢流閥，當(dāng)泵站壓力異常升高，或鏈條上的負(fù)載急劇增大時(shí)，液壓缸上的壓力相應(yīng)增大，超過(guò)溢流閥卸液值時(shí)，溢流閥向外噴液，同時(shí)壓力傳感器上傳壓力數(shù)據(jù)，提醒工作人員處理，避免液壓缸壓力過(guò)大而爆缸或者損壞密封。

4.2 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩協(xié)同控制技術(shù)

該系統(tǒng)采用變頻器轉(zhuǎn)速控制為主、轉(zhuǎn)矩控制為輔的協(xié)同控制模式。在放纜階段，采煤機(jī)拖動(dòng)電纜運(yùn)行，拖纜小車跟隨運(yùn)行，負(fù)載基本恒定，當(dāng)拖纜系統(tǒng)因鏈條傳動(dòng)遲緩、數(shù)據(jù)通信延遲等導(dǎo)致拖纜小車跟不上采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，采煤機(jī)會(huì)對(duì)拖纜小車有一定拖動(dòng)力，此時(shí)反饋到變頻器上的轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)減小，甚至出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩，控制主機(jī)給變頻器發(fā)加速指令，直到輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到設(shè)定值時(shí)，拖纜系統(tǒng)按照半速跟隨原則進(jìn)行跟機(jī)運(yùn)行，控制流程如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩協(xié)同控制流程

4.3 拖纜裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該套系統(tǒng)自2020年6月在榆家梁煤礦43102工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)以來(lái)，進(jìn)行了單機(jī)運(yùn)行調(diào)試、變速及超頻調(diào)試、跟機(jī)空載調(diào)試、聯(lián)調(diào)聯(lián)試4個(gè)階段，累計(jì)運(yùn)行調(diào)試時(shí)間近6個(gè)月。在采煤機(jī)掛纜聯(lián)調(diào)聯(lián)試2個(gè)多月中，工作面累計(jì)推進(jìn)300m，過(guò)煤量近20多萬(wàn)t，經(jīng)歷了老頂來(lái)壓、周期來(lái)壓、過(guò)上層煤柱、過(guò)斷層等多種復(fù)雜工況的考驗(yàn)，目前設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，電纜自動(dòng)拖拽靈活、可靠，完全可以代替人工實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采煤機(jī)電纜管理，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；同時(shí)拖纜小車具有清煤功能，可以自動(dòng)清理電纜槽里的落煤，減少了人工清煤的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 結(jié) 論

1)以榆家梁43102工作面為應(yīng)用背景，研發(fā)了設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)，給出了設(shè)備總體布置方案，設(shè)計(jì)了核心零部件，并對(duì)其功能及主要作用進(jìn)行了描述，給出了設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)了拖纜鏈道垂直布置的配套方案。

2)基于設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)，研發(fā)了電控系統(tǒng)。對(duì)控制主站、控制分站、傳感器等核心零部件進(jìn)行了選型，并對(duì)軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)通信進(jìn)行了詳細(xì)研究。

3)進(jìn)行了過(guò)載保護(hù)技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了機(jī)械、電器、液壓三種過(guò)載保護(hù)方式，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性；創(chuàng)新了放纜狀態(tài)下轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩協(xié)同控制模式，提出了以轉(zhuǎn)速控制為主、轉(zhuǎn)矩控制為輔、二者協(xié)同控制的控制策略。

4)設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，經(jīng)過(guò)多種復(fù)雜工況的考驗(yàn)，運(yùn)行比較平穩(wěn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具備向市場(chǎng)推廣的條件。