綜采工作面采煤機(jī)智能化拖纜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及模擬試驗(yàn)研究

史翔峰

（太原華潤(rùn)煤業(yè)有限公司， 山西 古交 030299）

引言

采煤機(jī)是綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，其電源位于工作面順槽巷道內(nèi)的移動(dòng)變電站。在實(shí)際生產(chǎn)中采煤機(jī)電纜較長(zhǎng)，為了對(duì)采煤機(jī)電纜進(jìn)行保護(hù)常將其穿于電纜夾中，通過(guò)電纜夾實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)電纜的拖拽。同時(shí)，采煤機(jī)與電纜之間只存在邏輯意義上的啟?？刂?，即不會(huì)根據(jù)采煤機(jī)的牽引方向?qū)崿F(xiàn)電纜夾與采煤機(jī)之間的調(diào)節(jié)配合，極易導(dǎo)致電纜從電纜槽中脫落、卡斷以及折返嚴(yán)重等問(wèn)題，嚴(yán)重影響采煤機(jī)的生產(chǎn)效率和工作面的安全性[1]。因此，本文以MG2×200/930-AWD 采煤機(jī)為載體設(shè)計(jì)一套智能化拖纜系統(tǒng)。

1 采煤機(jī)拖纜裝置結(jié)構(gòu)及現(xiàn)狀分析

采煤機(jī)主要由牽引部、截割部、拖纜裝置、行走部以及電控系統(tǒng)等組成。采煤機(jī)與液壓支架、刮板輸送機(jī)相互配合完成綜采工作面關(guān)鍵截割煤、落煤、運(yùn)煤以及支護(hù)等任務(wù)。一般的，采煤機(jī)拖纜裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)拖纜裝置組成示意圖

在實(shí)際生產(chǎn)中采煤機(jī)拖纜裝置承擔(dān)著供電電纜和冷卻水管的連接任務(wù)，其主要包括有拖纜架、連接架以及電纜夾板等。其中，電纜夾板中裝有供電電纜和冷卻水管，采煤機(jī)拖拽拖纜架完成對(duì)供電電纜和冷卻水管的拖拽[2]。當(dāng)前采煤機(jī)拖纜裝置在實(shí)際應(yīng)用中存在如下問(wèn)題：

1）根據(jù)采煤工藝及煤層條件，采煤機(jī)在關(guān)鍵位置需要反復(fù)行走對(duì)煤層進(jìn)行斜切進(jìn)刀切割，導(dǎo)致電纜夾板疊加的情況。當(dāng)電纜夾板疊加超過(guò)三層時(shí)其高度已經(jīng)超過(guò)電纜槽的高度，從而造成電纜夾從電纜槽脫落的情況。上述情況若未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，極易導(dǎo)致電纜被擠傷甚至夾斷。

2）當(dāng)采煤機(jī)在急傾斜工作面運(yùn)行時(shí)，在上行階段拖拽電纜的阻力較大容易導(dǎo)致電纜內(nèi)部由于拉力過(guò)大而被損壞甚至拉斷；當(dāng)處于下行階段時(shí)電纜在自身重力的作用下容易從電纜夾板或電纜槽中滑出，存在極大的安全隱患。

3）對(duì)于空間狹小的工作面，當(dāng)電纜和拖纜架損壞時(shí)維護(hù)起來(lái)相當(dāng)困難，安全性也極低。

2 智能拖纜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文所研究拖纜系統(tǒng)應(yīng)用載體采煤機(jī)的具體型號(hào)為MG2×200/930-AWD，所配套液壓支架的型號(hào)為ZY4800/10/24，刮板輸送機(jī)的型號(hào)為SGZ764/630。該型采煤機(jī)所在工作面的走向長(zhǎng)度為650 m，其中傾斜工作面的長(zhǎng)度為150 m；工作面煤層的平均厚度為1.5 m。為保證所設(shè)計(jì)的智能拖纜系統(tǒng)能夠解決以往拖纜裝置的問(wèn)題，要求智能拖纜系統(tǒng)滿(mǎn)足如下技術(shù)要求：

1）要求智能拖纜系統(tǒng)中電纜夾板最多僅能折疊兩層，并且所折疊兩層電纜的高度在“三機(jī)”配套的尺寸范圍之內(nèi)，保證電纜夾板始終處于張緊狀態(tài)；

2）結(jié)合綜采工作面的采煤工藝，電纜夾板中的電纜和冷卻水管僅有其中的一般參與運(yùn)行，即電纜夾板的運(yùn)行為采煤機(jī)牽引速度的50%；

3）當(dāng)拖纜系統(tǒng)遇到故障時(shí)，在智能控制的基礎(chǔ)上為保證安全性應(yīng)控制采煤機(jī)停止工作；

4）智能拖纜系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)滿(mǎn)足綜采工作面的防爆要求；

5）智能拖纜系統(tǒng)應(yīng)盡可能地應(yīng)用現(xiàn)有拖纜裝置的零部件，減少改造成本和周期[3]。

2.1 智能拖纜系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

結(jié)合采煤機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)工況和智能拖纜系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)要求，對(duì)應(yīng)的智能拖纜系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智能拖纜系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖2 所示，智能拖纜系統(tǒng)與采煤機(jī)相連接跟隨采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，電纜槽內(nèi)布置有兩層電纜夾，上層電纜夾連接采煤機(jī)，下層電纜夾處于靜止?fàn)顟B(tài)。即，上層電纜夾跟隨采煤機(jī)的方向運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)電纜夾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜夾的收放動(dòng)作[4]。

2.2 智能拖纜系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

對(duì)于智能拖纜系統(tǒng)而言，涉及到的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)包括有鏈?zhǔn)交剞D(zhuǎn)拖鏈架和行走導(dǎo)向輪。

2.2.1.1 鏈?zhǔn)交剞D(zhuǎn)拖鏈架

本智能拖纜系統(tǒng)采用拖纜架鏈回轉(zhuǎn)式拖纜器完成器拖纜任務(wù)，由于該拖纜器在實(shí)際拖纜過(guò)程中容易出現(xiàn)電纜被擠壞、折彎的問(wèn)題。因此，需原拖纜器的基礎(chǔ)上作出如下改進(jìn)：

1）增大拖纜器與采煤機(jī)機(jī)體的接觸面積，并將其拖纜桿的直徑增大；

2）增設(shè)拖纜器的翻轉(zhuǎn)功能，保證上層電纜夾能夠順利通過(guò)拖纜架。

改進(jìn)后的鏈?zhǔn)交剞D(zhuǎn)拖纜架的應(yīng)用情況如圖3 所示。

圖3 鏈?zhǔn)交剞D(zhuǎn)拖纜架的應(yīng)用示意圖

2.2.1.2 行走導(dǎo)線輪

導(dǎo)向輪的主要功能是拖拽電纜夾跟隨采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)導(dǎo)向輪的實(shí)際工作需求，其結(jié)構(gòu)形式如圖4 所示。

圖4 行走導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在上述結(jié)構(gòu)支撐的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)拖纜裝置的智能化還需要為其匹配智能化的電氣控制系統(tǒng)。要求智能拖纜系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)能夠與采煤機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)通信，具備對(duì)電機(jī)溫度保護(hù)的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)及拖纜裝置的位置和速度信息的監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上得出對(duì)拖纜裝置的智能化控制指令[5]。結(jié)合智能化拖纜系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)如圖5 所示的電氣控制系統(tǒng)。

圖5 智能化拖纜系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)原理圖

3 智能拖纜系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證本文針對(duì)傳統(tǒng)拖纜裝置運(yùn)行所存在問(wèn)題的解決效果，本小節(jié)通過(guò)模擬試驗(yàn)的方式驗(yàn)證智能化拖纜系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

3.1 模擬試驗(yàn)方法

為了充分模擬綜采工作面復(fù)雜的地質(zhì)條件采用在刮板輸送機(jī)底部墊枕木的方式模擬工作面垂直彎曲的情況，實(shí)際拖纜的障礙通過(guò)在電纜槽中插入枕木進(jìn)行模擬，并重點(diǎn)對(duì)拖纜系統(tǒng)的電纜槽與鏈條、導(dǎo)向輪之間的配合程度進(jìn)行試驗(yàn)；對(duì)遇到障礙后拖纜系統(tǒng)的智能化控制效果?，F(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)條件如圖6所示。

圖6 智能拖纜系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)條件

3.2 模擬試驗(yàn)結(jié)論

1）智能拖纜系統(tǒng)可在與其相匹配的刮板輸送機(jī)下無(wú)卡阻、平穩(wěn)的運(yùn)行；

2）當(dāng)智能拖纜系統(tǒng)在拖纜過(guò)程中遇到障礙時(shí)，由于拖纜阻力瞬間增大對(duì)應(yīng)的牽引電機(jī)的電流瞬間增大。當(dāng)阻力或電流超過(guò)限值時(shí)，拖纜系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警并發(fā)出停機(jī)指令，確保采煤機(jī)停機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜和冷卻水管的保護(hù)。