煤礦掘進機電控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計分析

高巖芝 石新

山東華新建筑工程集團有限責任公司 山東泰安 271219

在我國煤礦企業(yè)中懸臂式掘進機被廣泛應(yīng)用，它不僅兼有切割、運輸和運輸?shù)墓δ?，實現(xiàn)了礦井生產(chǎn)的高產(chǎn)高效，而且它與錨桿鉆機搭配使用，開掘巷道與錨噴加固同時推進，又大大減小了巷道的用工消耗和建設(shè)周期[1]。

1 掘進機現(xiàn)存問題與改進方向分析

臂架式縱向掘進機是綜采工作面應(yīng)用最廣泛的掘進機。該機切割部分體積小、功率大，切割力大，工作效率高；縱向切割方式使其適應(yīng)性更強；星輪加載設(shè)計有利于提高機器的連續(xù)運行時間，降低故障概率；輸送機采用雙面鏈條結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性高；輸送帶內(nèi)外兩側(cè)均設(shè)有霧化機構(gòu)，便于最大限度地減少運行中的煤塵。制約臂式掘進機發(fā)展的一個重要問題是電控系統(tǒng)。目前電控系統(tǒng)主要有以下三個方面：①目前電控系統(tǒng)中電子元器件的壽命較低，故障次數(shù)較多。②電子控制系統(tǒng)的總體設(shè)計思想是模糊的，邏輯語言是混沌的。當故障發(fā)生時，排除故障會浪費很多時間。③系統(tǒng)軟件的設(shè)計沒有引起足夠的重視，應(yīng)根據(jù)礦山自身的特點對軟件進行重新設(shè)計。本文通過對掘進機目前存在問題的分析研究，確定了掘進機電控系統(tǒng)的研究方向：首先，確定了掘進機電控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，其次，對系統(tǒng)的硬件進行了設(shè)計，最后，對掘進機電控系統(tǒng)進行了研究，軟件系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了軟硬件的最佳組合效果，提高了系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性。

2 掘進機電控系統(tǒng)可靠性的定性分析

2.1 掘錨一體化技術(shù)

掘錨一體化技術(shù)在西方國家首先推廣開來，通過提升掘錨機掘錨作業(yè)的工作質(zhì)量，則能夠擴大掘錨機械的應(yīng)用范圍。掘錨一體化技術(shù)主要應(yīng)用在頂板條件相對較差的單巷與雙巷掘進中，有利于促進掘進速率的提升，快速推動支護技術(shù)的有效改善。數(shù)據(jù)調(diào)查研究顯示，掘錨技術(shù)能夠提高65%左右的煤礦開采速度，由掘錨施工一體化的信息內(nèi)容可知，掘錨桿在頂板暴露安裝，有利于促進機械性能以及作業(yè)環(huán)境的有效改善[2]。煤礦在掘進的過程中，掘錨一體化有利于凸顯技術(shù)優(yōu)勢，增強機械運作的效率，促進作業(yè)環(huán)境穩(wěn)定性的提升。我國煤礦企業(yè)要從實際情況出發(fā)，提升掘錨技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，從而促進煤礦行業(yè)實現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展。

2.2 系統(tǒng)安全性設(shè)計分析

電控系統(tǒng)是掘進機的重要組成系統(tǒng)，而操作箱又是掘進機運轉(zhuǎn)的起點，考慮到煤礦環(huán)境中存在有瓦斯、煤塵和粉塵這些易爆物質(zhì)，所以操作性的防爆措施至關(guān)重要，因此防爆處理便是系統(tǒng)安全可靠性設(shè)計的第一環(huán)；誤操作的保護設(shè)計也至關(guān)重要，作為命令的發(fā)起者，牽一發(fā)而動全身，要保證操作命令輸入的正確性，可以在軟件上設(shè)計邏輯檢查功能，或者操作的二次確認功能，確保無誤操作，同時也應(yīng)設(shè)計緊急停止功能，使誤操作萬一發(fā)生時可以立刻停止錯誤指令，減小損失，因此誤操作設(shè)計及急停設(shè)計是系統(tǒng)安全可靠性設(shè)計的第二環(huán)；操作箱存在用電行為，就必須保證電氣安全，在用電過程中，短路和斷路現(xiàn)象都會引起極大的隱患，短路現(xiàn)象會引起局部電線或部件過熱，從而引發(fā)電氣火災(zāi)。斷電現(xiàn)象則會引起某個部件停止工作，如熱敏傳感器或者瓦斯傳感器因局部斷電而失去功能，也將威脅到生產(chǎn)安全，因此過電保護功能的設(shè)計便屬于第三環(huán)。

2.3 元器件設(shè)計及操作實現(xiàn)

在電控系統(tǒng)的主回路部分應(yīng)設(shè)置熔斷器用于保護系統(tǒng)在短路時候的安全性，電流變送器的數(shù)目盡量不小于5組，其中截割電機的額定功率為260kW，二運電機的額定功率為15kW，在總回路的額定電流不得大于290A。隔離開關(guān)的額定電流為390A，型號可以采用400E11，應(yīng)該提高30%的冗余電流設(shè)計余量。交流真空接觸器應(yīng)考慮分段極限設(shè)計，對每個分段的額定電流能力進行規(guī)定，額定電流可考慮為200A。變速器采用三相電流型，型號為CS66系列，可以同時測量6路電流。電源必須選用安全穩(wěn)定可靠的安全本質(zhì)型電源系統(tǒng)，具有防爆合格證和過載保護功能，并結(jié)合空氣斷路器對線路進行短路保護。在整體系統(tǒng)操作單元的末端設(shè)置顯示器，能夠清晰地顯示整個電氣系統(tǒng)的運行狀況，整體結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)通信接口應(yīng)支持RX485，能夠應(yīng)對-20-80℃的惡劣電氣環(huán)境。

2.4 數(shù)據(jù)通訊

通常，掘進機的工作過程是由駕駛員通過操作箱發(fā)出操作指令，然后傳送到電控箱，由專用設(shè)備根據(jù)指令的要求對電控箱進行控制。傳統(tǒng)的操作箱向電控箱傳輸信號時，需要20多條導(dǎo)線連接。如果信號被反饋，它需要多達30根電線來連接。過多的連接不僅增加了設(shè)備的整體體積，而且加劇了掘進機施工過程中的安全風(fēng)險。因此，本部分主要設(shè)計計算機通信條件進行信號傳輸和反饋，同時設(shè)計相應(yīng)的軟件程序來完成計算機通信。

2.5 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計分析

掘進機所處的工作環(huán)境十分惡劣，主要包括切割巖壁時的震動、破碎巖石產(chǎn)生的粉塵、除塵所噴灑的水霧以及空氣流通不暢導(dǎo)致的機械發(fā)熱等，這里主要根據(jù)這幾點進行可靠性分析及設(shè)計。

（1）震動，主要的措施是進行防震設(shè)計，加裝防震裝置，同時也可以在切割部位及電控部件之間增加隔震裝置，減小震動的傳導(dǎo)性。

（2）粉塵，粉塵主要會對元器件的精度、靈活性及散熱產(chǎn)生影響，相應(yīng)的設(shè)計則是水霧降塵和重要元件的防塵處理相結(jié)合措施，從而保證元件的正常使用。

（3）水霧，水霧對于電子元件的影響極大，首先是濕度增加會影響電子元件的靈敏度，使得所采集的數(shù)據(jù)有偏差；其次是水霧與粉塵的結(jié)合對于元件本身具有一定的腐蝕性，因此需要采取作業(yè)現(xiàn)場的除濕和電子元件隔水相結(jié)合的措施。

3 結(jié)語

掘進機中控系統(tǒng)通過增加功能模塊和液壓元器件提升了掘進機開采精度以及效率，實現(xiàn)了遠程操控作業(yè)化的功能，減小了人工干預(yù)出錯的可能性，對煤礦企業(yè)本質(zhì)安全化管理有了極大的促進作用。