運(yùn)輸巷智能無軌自移列車系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用

黃 瑩，羅開成，張幸福，楊文明，李春鵬

(鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，河南 鄭州 450010)

設(shè)備列車由于具有降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全性和工作效率，推進(jìn)綜采面自動(dòng)化、智能化、無人化管理進(jìn)程等功能，被列為重點(diǎn)推廣對(duì)象[1-4]。

經(jīng)過近些年的快速發(fā)展，礦用液壓設(shè)備列車產(chǎn)品和技術(shù)不斷升級(jí)，開發(fā)了無軌、卡軌等液壓自移式設(shè)備列車組，但是這些產(chǎn)品和技術(shù)的提升更多集中在列車本身和硬件方面，很少涉及自動(dòng)控制系統(tǒng)及與工作面協(xié)同控制方面，仍然存在用人多、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、適應(yīng)性不高、存在安全隱患等問題[5-11]。

近年來，隨著煤礦綜采工作面智能化程度的提高，對(duì)運(yùn)輸巷設(shè)備集中運(yùn)輸提出了更高要求，當(dāng)前的設(shè)備列車已不能滿足智慧化礦井建設(shè)的需要，嚴(yán)重制約了煤礦智能化建設(shè)的進(jìn)程，需向智能化、智慧化設(shè)備列車方向發(fā)展[12-15]。

針對(duì)當(dāng)前煤礦井下輔助運(yùn)輸方面存在的問題，本文通過機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備自移列車的無軌自移、智能監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)牽引、與工作面協(xié)同推進(jìn)等功能，并進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn)，取得了良好效果，為煤礦井下輔助運(yùn)輸?shù)闹悄芑ㄔO(shè)提供了一種解決方案。

1 運(yùn)輸巷智能無軌自移列車系統(tǒng)主要組成

該列車系統(tǒng)主要由硬件部分、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。硬件部分主要由戧頂機(jī)構(gòu)、列車車體部分、管纜伸縮裝置及連接件組成，其中車體部分分為驅(qū)動(dòng)車和非驅(qū)動(dòng)車[16-18]；液壓系統(tǒng)主要由閥、膠管和連接件組成；控制系統(tǒng)包含電液控系統(tǒng)、語音及通信系統(tǒng)、礦井瓦斯及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、限員管理系統(tǒng)、智能巡檢系統(tǒng)、物料存儲(chǔ)管理系統(tǒng)、避災(zāi)救生系統(tǒng)等，可接入綜采工作面智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、與工作面協(xié)同推進(jìn)等功能，該列車系統(tǒng)主要組成如圖1所示。

圖1 列車系統(tǒng)主要組成

2 適用條件和移動(dòng)方法

2.1 列車系統(tǒng)的適用條件

該列車系統(tǒng)應(yīng)用于綜采工作面正巷或副巷，無需鋪設(shè)軌道，無需地面硬化，適應(yīng)巷道坡度±18°，可用于較復(fù)雜路面。

2.2 列車系統(tǒng)的移動(dòng)方法

該列車系統(tǒng)通過工作面乳化泵站中的高壓乳化液作為動(dòng)力源，在行走的過程中通過推移機(jī)構(gòu)和抬底機(jī)構(gòu)，使推桿和車體互為支點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)列車邁步自移安全行走，實(shí)現(xiàn)無軌道運(yùn)輸巷前行[19，20]。具體步驟如下：①控制液壓換向閥，先控制抬底千斤頂下壓，使所有設(shè)備車前部抬高；②控制推移千斤頂使活塞桿伸出，推動(dòng)列車前移；③控制抬底千斤頂活塞桿收回使車體下落至地面；④控制推移千斤頂使活塞桿收回，并帶動(dòng)導(dǎo)向推桿前移，完成一個(gè)循環(huán)。

3 運(yùn)輸巷智能無軌自移列車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)研發(fā)

3.1.1 無軌邁步牽引機(jī)構(gòu)

為解決傳統(tǒng)有軌平板車需絞車牽引和頻繁鋪設(shè)、拆除軌道的問題，依據(jù)運(yùn)輸巷走向仰俯情況研發(fā)了無軌邁步牽引機(jī)構(gòu)。無軌牽引機(jī)構(gòu)如圖2所示。參照工作面液壓支架抬底、推移機(jī)構(gòu)行進(jìn)方式，通過與工作面液壓支架共用泵站，利用液壓邁步自移原理，在車架體下面內(nèi)側(cè)設(shè)置專用推桿和推移、抬底千斤頂。該推桿為雙推桿形式，單節(jié)推桿長(zhǎng)度不大于3500mm，保證變坡點(diǎn)推桿不會(huì)被架空，盡可能增大車體與地面之間的接觸面積，使得設(shè)備列車在松軟的地面上不至于備陷入泥巖中，抬底支撐機(jī)構(gòu)受力始終保持垂直受力，保證抬底千斤頂不受徑向力，抬底支撐機(jī)構(gòu)與推桿之間為滾動(dòng)摩擦，減小列車運(yùn)行阻力，列車通過車體與推桿交替制動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備列車無需鋪設(shè)軌道、無需地面硬化，在運(yùn)輸巷走向±18°的坡度范圍內(nèi)安全、便捷、高效運(yùn)行。

圖2 無軌牽引機(jī)構(gòu)

3.1.2 高適應(yīng)性戧頂機(jī)構(gòu)

由于井下運(yùn)輸巷經(jīng)常存在起伏不平的情況，有時(shí)戧頂機(jī)構(gòu)的允許最低高度和最高高度難以適應(yīng)運(yùn)輸巷高度的變化。在推進(jìn)過程中，當(dāng)戧頂機(jī)構(gòu)的最低高度高于運(yùn)輸巷的高度時(shí)，戧頂機(jī)構(gòu)無法通過，需要拆除戧頂立柱和支撐千斤頂，同時(shí)臨時(shí)安裝絞車進(jìn)行牽引；當(dāng)戧頂機(jī)構(gòu)的最高高度低于運(yùn)輸巷的高度時(shí)，戧頂立柱無法接頂，此時(shí)也需要臨時(shí)安裝絞車進(jìn)行牽引，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，安全性差。

為適應(yīng)井下運(yùn)輸巷高度的起伏變化，研發(fā)了高適應(yīng)性戧頂機(jī)構(gòu)，雙工位戧頂機(jī)構(gòu)如圖3所示。結(jié)合運(yùn)輸巷高度變化情況，在底座上分別設(shè)置高低兩處戧頂立柱和支撐千斤頂鉸接位置，實(shí)現(xiàn)了戧頂立柱和支撐千斤頂?shù)碾p工位安裝。當(dāng)運(yùn)輸巷高度較低時(shí)，可將戧頂立柱和支撐千斤頂安裝在較低的鉸接位置，保證戧頂機(jī)構(gòu)順利通過；當(dāng)運(yùn)輸巷高度較高時(shí)，可將戧頂立柱和支撐千斤頂安裝在較高的鉸接位置，保證戧頂立柱伸出時(shí)能夠接頂，順利實(shí)現(xiàn)設(shè)備列車的邁步自移。

圖3 雙工位戧頂機(jī)構(gòu)

3.1.3 戧頂調(diào)偏機(jī)構(gòu)

為適應(yīng)井下運(yùn)輸巷走向方向偏移的變化，配置了戧頂調(diào)偏機(jī)構(gòu)。通過在戧頂機(jī)構(gòu)和首節(jié)列車之間設(shè)置調(diào)偏千斤頂，兩個(gè)調(diào)偏千斤頂分別位于戧頂兩側(cè)，當(dāng)檢測(cè)到巷道有轉(zhuǎn)彎或列車與煤壁間距過小時(shí)，控制兩調(diào)偏千斤頂?shù)纳斐霾煌男谐?，?shí)現(xiàn)前進(jìn)方向的調(diào)整。

3.1.4 管纜伸縮存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)

為解決工作面推進(jìn)過程中運(yùn)輸巷液壓管路電纜的存放及設(shè)備列車頻繁移動(dòng)的問題，依據(jù)電纜管路布置及工作面推進(jìn)情況研發(fā)了管纜伸縮存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。管纜伸縮存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)如圖4所示。通過在列車車體尾部連接軌道，軌道隨列車移動(dòng)，管纜伸縮存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)置于軌道上，伸縮機(jī)構(gòu)尾部與帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾鉸接，帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾前移時(shí)推動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上移動(dòng)，伸縮機(jī)構(gòu)隨推進(jìn)不斷收縮，收縮的電纜管路存儲(chǔ)于伸縮機(jī)構(gòu)上。當(dāng)伸縮機(jī)構(gòu)收縮至極限時(shí)，控制設(shè)備列車開始前移帶動(dòng)導(dǎo)軌前移，伸縮機(jī)構(gòu)展開同時(shí)將管纜拉直前移。

圖4 管纜伸縮存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)

同時(shí)各車體頂部設(shè)置橫桿，使電纜、管線集中布置并整體存放于設(shè)備列車頂部，優(yōu)化了綜采工作面電纜、液管的懸掛方式，促進(jìn)了煤礦無軌運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)化。

3.2 液壓系統(tǒng)研發(fā)

在動(dòng)力配置方面，運(yùn)輸巷自移列車系統(tǒng)通過與工作面液壓支架系統(tǒng)共用泵站，來為各執(zhí)行單元的伸縮提供動(dòng)力。執(zhí)行單元主要包含戧頂立柱、調(diào)偏千斤頂、支撐千斤頂、推移千斤頂、抬底千斤頂?shù)取?/p>

為保證運(yùn)輸巷自移列車系統(tǒng)在井下復(fù)雜條件下安全平穩(wěn)運(yùn)行，依次在液壓系統(tǒng)進(jìn)液管路設(shè)置球形截止閥、自動(dòng)反沖洗過濾器、電液控調(diào)速閥，之后接入電液控主閥。通過設(shè)置自動(dòng)反沖洗過濾器來保證系統(tǒng)的清潔度，設(shè)置電液控調(diào)速閥來實(shí)現(xiàn)進(jìn)回液流量小-大-小的自動(dòng)調(diào)整來提高控制精度，實(shí)現(xiàn)控制精度±10mm。此外，通過單向鎖、雙向鎖、回液閥、安全閥、壓力表等液壓元件的配置和搭配來保證系統(tǒng)各功能的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行安全。電液控調(diào)速閥原理如圖5所示。

圖5 電液控調(diào)速閥原理圖

3.3 智能化控制系統(tǒng)研發(fā)

列車智能化控制系統(tǒng)主要由電液控系統(tǒng)、語音及通信系統(tǒng)、礦井瓦斯及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、限員管理系統(tǒng)、智能巡檢系統(tǒng)、物料存儲(chǔ)管理系統(tǒng)、避災(zāi)救生系統(tǒng)、井下集控中心、地面服務(wù)器、手機(jī)移動(dòng)APP等組成，具備應(yīng)急廣播、數(shù)據(jù)采集、自主急停、避災(zāi)自救、視頻傳輸、限員管理、智能巡檢、遠(yuǎn)程操控、一鍵牽引、物料管理、與工作面協(xié)同推進(jìn)等功能。

電液控制系統(tǒng)主要由電液換向閥、傾角傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、激光測(cè)距儀、控制器、報(bào)警燈、雙速緩沖閥、電源、中繼器、遙控器、運(yùn)輸巷主機(jī)及連接管線組成，具備工況監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)控制、急停閉鎖、自動(dòng)補(bǔ)壓、自動(dòng)調(diào)偏、遙控控制、數(shù)據(jù)集成及上傳等功能。電液控系統(tǒng)布置如圖6所示。

圖6 電液控系統(tǒng)布置圖

電液控制系統(tǒng)中傾角傳感器安裝于撐頂裝置的底座和立柱上以及各列車車體上，用于監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行姿態(tài)；位移傳感器安裝于調(diào)偏千斤頂和支撐千斤頂內(nèi)，用于檢測(cè)各千斤頂?shù)男谐?，保證戧頂立柱始終處于最優(yōu)的80°～85°支撐角度；壓力傳感器安裝于撐頂裝置立柱下腔，用于檢測(cè)立柱的下腔壓力，保證支撐的可靠；激光測(cè)距儀安裝于撐頂裝置底座的前后部，用于檢測(cè)與巷道壁的距離，實(shí)現(xiàn)及時(shí)轉(zhuǎn)向防止干涉；控制器實(shí)時(shí)接受各傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)并上傳至運(yùn)輸巷主機(jī)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等功能。

控制器及遙控器均設(shè)置有急停閉鎖按鈕來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的急停閉鎖；在撐頂裝置撐頂過程中需保證立柱下腔壓力在合適的范圍內(nèi)，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到立柱下腔壓力不足時(shí)，通過控制器控制下腔加壓來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)壓功能；當(dāng)激光測(cè)距儀檢測(cè)到撐頂裝置與巷道前進(jìn)方向偏離時(shí)，控制器通過控制調(diào)偏千斤頂?shù)男谐虂韺?shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)偏功能；井下運(yùn)輸巷主機(jī)具備各數(shù)據(jù)集成及通過井下環(huán)網(wǎng)上傳至地面服務(wù)器及云端的功能。

語音及通信系統(tǒng)包含沿線話機(jī)和通信線路等，可以實(shí)現(xiàn)地面、井下集控中心和井下各位置的實(shí)時(shí)通信和應(yīng)急廣播，發(fā)生突發(fā)事故時(shí)可快速通知現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)撤離躲避。

礦井瓦斯及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、風(fēng)速傳感器、粉塵濃度傳感器、溫度傳感器、一氧化碳傳感器、液位傳感器等，當(dāng)檢測(cè)到工作面出現(xiàn)瓦斯超限、突水、壓力沖擊、煤塵超標(biāo)、有害氣體泄露、電器火災(zāi)等突發(fā)事故時(shí)通過控制器立即急停設(shè)備列車的遷移、電器設(shè)備斷電、報(bào)警燈閃爍、應(yīng)急廣播通知人員撤離躲避。

視頻控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含云臺(tái)攝像儀、視頻交換機(jī)、井下及地面顯示終端等，攝像儀安裝于各列車車體上，視角可360°旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備列車沿線高清畫面并傳輸至井下集控和地面控制中心。視頻監(jiān)控及照明系統(tǒng)布置如圖7所示。

圖7 視頻監(jiān)控及照明系統(tǒng)布置圖

限員管理系統(tǒng)包含門禁裝置、人臉識(shí)別系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)，控制進(jìn)入本區(qū)域操作人員數(shù)量，同時(shí)限制非本區(qū)域操作人員進(jìn)出，所有進(jìn)出人員攜帶人員定位卡進(jìn)行精確定位。

智能巡檢系統(tǒng)包含巡檢機(jī)器人以及設(shè)置于設(shè)備列車頂部的巡檢軌道，機(jī)器人配置攝像儀、語音話機(jī)以及瓦斯、風(fēng)速、粉塵、溫度、一氧化碳等傳感器沿列車頂部軌道運(yùn)行，對(duì)列車沿線狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)巡檢。

物料存儲(chǔ)管理系統(tǒng)置于設(shè)備列車的尾部靠近采煤工作面的車體上，用于存儲(chǔ)工作面應(yīng)急物料、常用工具以及易損備品備件，并對(duì)各物料的領(lǐng)取歸還進(jìn)行記錄分析決策，不斷優(yōu)化物料庫(kù)。

避災(zāi)救生系統(tǒng)同樣置于設(shè)備列車的尾部靠近采煤工作面的車體上，如果現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生突發(fā)災(zāi)害，人員無法快速外撤，可在車載救生艙內(nèi)進(jìn)行避災(zāi)自救。

井下集控中心和地面服務(wù)器主要由主機(jī)、自動(dòng)化軟件、穩(wěn)壓電源、操作臺(tái)和顯示單元組成，電液及各智能化系統(tǒng)模塊均通過井下環(huán)網(wǎng)接入井下集控和地面服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)井下集控及地面遠(yuǎn)程控制；控制中心通過接入工作面三機(jī)的跟機(jī)移架數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至設(shè)備列車主控制器，控制器控制設(shè)備列車的前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)與工作面設(shè)備協(xié)同推進(jìn)功能。

手機(jī)移動(dòng)APP為移動(dòng)端監(jiān)控軟件，可隨時(shí)隨地了解運(yùn)輸巷列車設(shè)備狀況和運(yùn)行情況。

4 運(yùn)輸巷智能無軌自移列車系統(tǒng)應(yīng)用情況

該運(yùn)輸巷智能無軌自移列車系統(tǒng)已于2021年5月初應(yīng)用在山西宏源集團(tuán)富家凹煤礦3#煤1采區(qū)3102工作面，該工作面長(zhǎng)221m，煤層厚度約1.6m，兩巷均沿頂破底掘進(jìn)，寬度為4.8m，高2.7m，巷道走向傾角±15°，底板為砂質(zhì)泥巖，存在底鼓現(xiàn)象。該列車系統(tǒng)排布于運(yùn)輸巷，人行通道位于列車與帶式輸送機(jī)之間，考慮人行通道寬度和放置設(shè)備高度需求，使用自移列車時(shí)建議運(yùn)輸巷寬度不低于3.8m，高度不低于2.4m，實(shí)際布置情況如圖8所示。

圖8 自移列車系統(tǒng)運(yùn)輸巷布置圖

目前該系統(tǒng)已在井下穩(wěn)定運(yùn)行超過五個(gè)月，期間順利度過巷道底鼓、起伏、仰俯采、大角度轉(zhuǎn)彎等較復(fù)雜狀況，實(shí)現(xiàn)操作人員減至1人，控制精度達(dá)到±10mm，具備無軌自移、高適應(yīng)戧頂、智能監(jiān)測(cè)、自動(dòng)牽引、與工作面協(xié)同推進(jìn)等功能，大幅降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了井下輔助運(yùn)輸?shù)墓ぷ餍屎桶踩?，為煤礦創(chuàng)造了價(jià)值和效益。

5 結(jié) 語

針對(duì)當(dāng)前煤礦井下運(yùn)輸巷輔助運(yùn)輸方面面臨的問題，本文通過機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸巷智能列車系統(tǒng)的無軌自移、智能監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)牽引、與工作面協(xié)同推進(jìn)等功能，并進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn)，取得了良好效果，設(shè)備操作人員減至1人，控制精度達(dá)到±10mm，大幅降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了安全性和工作效率，實(shí)現(xiàn)了煤礦的減人增效。該列車系統(tǒng)具有較強(qiáng)的示范推廣價(jià)值，可為其他礦井的輔助運(yùn)輸智能化建設(shè)提供借鑒，推動(dòng)煤礦智能化建設(shè)的進(jìn)程。