綜采工作面采煤機(jī)自動(dòng)拖纜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

王璽淦

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037001）

引言

目前，我國絕大部分煤礦綜采工作面應(yīng)用采煤機(jī)采掘，在煤礦開采過程中，采煤機(jī)電纜線及排水管路隨采煤機(jī)來回移動(dòng)，在采煤機(jī)數(shù)次近程來回、尤其是切角下刀過程中，電纜夾非常容易在豎直角度上產(chǎn)生數(shù)次彎曲，不但促使電纜夾滑下電纜線槽造成過多損壞或夾傷，而且導(dǎo)致采煤機(jī)“馬鞍子架”沒法順利通過，特別是在薄煤巷，支撐架沒有充分的降架空間，造成支撐架沒法順利拉架和推溜。現(xiàn)階段，綜采工作面采煤機(jī)電纜線管理方法關(guān)鍵靠人力解決，勞動(dòng)效率大，且解決次數(shù)高，不利于煤礦業(yè)完成安全性、高效率采掘，因此，針對(duì)綜采工作面采煤機(jī)全自動(dòng)拖纜系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)分析。

1 拖纜系統(tǒng)運(yùn)行原理

本體系的設(shè)計(jì)原理是運(yùn)用動(dòng)滑輪組的特點(diǎn)，采煤機(jī)電纜夾盤繞在拖纜小車的拖纜滾軸上，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取采煤機(jī)的運(yùn)行方位、速率、部位等有關(guān)性能參數(shù)，控制拖纜驅(qū)動(dòng)部運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)力傳送選擇特別適合礦山開采長運(yùn)距、重載運(yùn)行的鏈條傳輸動(dòng)力，完成拖纜小車和采煤機(jī)的同步追隨，二者之間一直維持方位一致、速率V拖纜=V采煤機(jī)/2 的關(guān)聯(lián)，持續(xù)保持采煤機(jī)電纜線具有穩(wěn)定的支撐力，不產(chǎn)生二次折彎[1]。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)總體結(jié)構(gòu)

為了更好地融入工作面總體配套設(shè)施，全自動(dòng)拖纜驅(qū)動(dòng)部布局在工作面機(jī)尾段，從機(jī)頭到機(jī)尾運(yùn)行為拖纜情況，機(jī)尾到機(jī)頭為放纜狀況。機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)鍵包含驅(qū)動(dòng)部、尾旋轉(zhuǎn)部、電纜線槽等，整體方案如圖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)部選用水平布局方法，即電機(jī)平行于工作面。傳動(dòng)系統(tǒng)挑選電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)一體式的減速機(jī)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)置伺服電機(jī)。驅(qū)動(dòng)鏈輪與減速機(jī)利用扭距軸聯(lián)接，鏈輪鏈條體選用高韌性碳素鋼煅造成型，機(jī)架電焊焊接成型，與刮板輸送機(jī)連接。

2）尾回轉(zhuǎn)部。尾旋轉(zhuǎn)部安裝在輸送機(jī)正中間位置的電纜線槽中，可在一定長度的路軌槽體滾動(dòng)，與驅(qū)動(dòng)部鏈輪共同具有旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)鏈條的功能。

3）電纜槽。電纜線槽集電纜線管理、拖纜小車運(yùn)行、驅(qū)動(dòng)鏈運(yùn)行于一體，不但作為電纜線、水液管道、電源線等的儲(chǔ)存空間，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。拖纜小車是拖纜設(shè)備的動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)裝置輸出的動(dòng)力通過傳動(dòng)鏈條傳送到拖纜小車上，再由拖纜小車拖拽電纜夾在電纜線槽體定向運(yùn)動(dòng)。

5）鏈張緊系統(tǒng)。鏈張緊系統(tǒng)通過液壓傳動(dòng)系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)尾旋轉(zhuǎn)部的部位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)整傳動(dòng)鏈條松緊程度的目的，為了更好地輸出穩(wěn)定的支撐力，工作中液壓系統(tǒng)處在實(shí)時(shí)張緊狀態(tài)。

3 電控系統(tǒng)

電子控制系統(tǒng)包含礦井就地控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)兩部分。礦井就地控制系統(tǒng)對(duì)收集到的采煤機(jī)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行剖析、分辨、解決，并經(jīng)過一定的控制優(yōu)化算法控制變頻調(diào)速器輸出，控制拖纜小車同方向、半速追隨采煤機(jī)運(yùn)行。就地控制系統(tǒng)配有壓力、部位、行程等各種感應(yīng)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有關(guān)數(shù)據(jù)信息，隨后反饋到控制系統(tǒng)主站，便于進(jìn)一步校準(zhǔn)與決策。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)坐落于礦井集中化控制核心，即時(shí)與就地控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并統(tǒng)一列入煤礦健康管理中心，隨后傳送到路面分控核心，產(chǎn)生地質(zhì)、開采、機(jī)電等多源對(duì)映異構(gòu)信息內(nèi)容的實(shí)時(shí)分享和反饋?？刂葡到y(tǒng)如圖3 所示。

圖3 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

選用ZDYG127（A）-Z 礦井隔爆兼本安型液壓控制設(shè)備主站，以可編程控制器（PLC）做為關(guān)鍵，配備通訊控制模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊，以MEG128 為關(guān)鍵的功能鍵通信板為輸入控制器和TPC 1261Hii 真彩12 寸液晶顯示器做為顯示設(shè)備，功能鍵通信板負(fù)責(zé)對(duì)電腦鍵盤和按鍵的輸入信號(hào)完成收集[2]。

3.1.2 控制分站

為了更好地有利于控制系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)收集及現(xiàn)場(chǎng)安裝，在尾旋轉(zhuǎn)部設(shè)定控制子站，用以收集液壓系統(tǒng)壓力、行程、部位等有關(guān)數(shù)據(jù)信息，也可控制繼電器組打開與關(guān)掉，完成尾端張緊系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控?？刂谱诱就ㄟ^控制系統(tǒng)總線與主站通信，完成主站統(tǒng)一管理與決策。

3.1.3 變頻器及編碼器

變頻器挑選BPJ-45/660K 型四象限變頻器，選用ABB 機(jī)芯，工作標(biāo)準(zhǔn)電壓660 V，輸出頻率5～60 Hz帶轉(zhuǎn)距控制作用。電機(jī)編碼器安裝在電動(dòng)機(jī)核心軸上，為絕對(duì)值型。

3.2 軟件系統(tǒng)

軟件開發(fā)包含上位機(jī)程序編寫和下位機(jī)程序編寫2 個(gè)部分。上位機(jī)選用北京市亞控科技組態(tài)王6.55 進(jìn)行控制頁面組態(tài)。配有主界面、基本參數(shù)頁面、常見故障查看頁面、運(yùn)行數(shù)據(jù)信息頁面、曲線圖表明頁面等。

下位機(jī)選用PLC 進(jìn)行控制編程設(shè)計(jì)，用結(jié)構(gòu)化編程方法程序編寫，以功能塊為模塊來實(shí)施歸類，源程序塊ZB1 用以全部控制功能的構(gòu)架管理，其固層下按照不同功能來分成好幾個(gè)功能塊，有電機(jī)控制功能塊IBC 1、感應(yīng)器數(shù)據(jù)收集功能塊KC2、通信功能塊KC3 及其他功能塊KC4，功能塊還可以啟用相對(duì)應(yīng)作用的程序段。

3.3 系統(tǒng)通信及工作流程

系統(tǒng)依據(jù)設(shè)施的差異特性選用不同的通信協(xié)議。主站與變頻器、液晶顯示屏、電機(jī)編碼器等相互之間的通信選用RS485 通信，主站與從站PLC 中間選用CAN 通信協(xié)議，液晶顯示屏與功能鍵通信板選用RS232 通信協(xié)議。主站與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與分控中心采取工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)通信。

自動(dòng)拖纜電子控制系統(tǒng)的控制主站、控制子站、各感應(yīng)器、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及路面分控中心在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)相互協(xié)作、相互配合，發(fā)生常見故障的時(shí)候會(huì)發(fā)出警報(bào)，關(guān)鍵時(shí)各體系會(huì)協(xié)同鎖閉并關(guān)機(jī)，其工作內(nèi)容如圖4 所示。

圖4 電控系統(tǒng)工作流程圖

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

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

1）電器過載保護(hù)。電子控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集變頻器輸入輸出的工作電流及電動(dòng)機(jī)溫度，當(dāng)電流量及溫度有一個(gè)主要參數(shù)超出預(yù)警信息值時(shí)，電子控制系統(tǒng)傳出關(guān)機(jī)命令，并上傳入遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和路面分控中心來進(jìn)行聲光報(bào)警。

2）液壓過載保護(hù)。傳動(dòng)鏈條張緊系統(tǒng)選用液壓系統(tǒng)來進(jìn)行及時(shí)張緊，在液壓系統(tǒng)進(jìn)液口串連一個(gè)液位傳感器和溢流閥，當(dāng)泵房壓力出現(xiàn)異常上升，或傳動(dòng)鏈條上的負(fù)荷大幅度擴(kuò)大時(shí)，液壓系統(tǒng)上的壓力相對(duì)應(yīng)擴(kuò)大，超出溢流閥卸液值時(shí)，會(huì)向外噴霧，同時(shí)液位傳感器提交壓力數(shù)據(jù)信息，提示工作人員進(jìn)行處理，防止液壓系統(tǒng)壓力過大而爆缸或是毀壞密封性。

4.2 拖纜裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

該套系統(tǒng)自2020 年6 月在43102 工作面進(jìn)行生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)至今，進(jìn)行了單機(jī)運(yùn)行調(diào)節(jié)、調(diào)速及超頻調(diào)節(jié)、跟機(jī)空載調(diào)節(jié)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試4 個(gè)環(huán)節(jié)，總計(jì)運(yùn)行調(diào)節(jié)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)半月中，工作面總計(jì)推動(dòng)300 m，過煤量近15 萬t，經(jīng)歷了老頂來壓、周期來壓、過頂層煤柱、過斷層等各種繁雜工作狀況的磨練，現(xiàn)階段機(jī)器設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，電纜線自動(dòng)拖動(dòng)靈便，可以完全代替人力完成當(dāng)場(chǎng)采煤機(jī)電纜線管理，做到了相關(guān)要求；同時(shí)拖纜小車具備清煤作用，能夠自動(dòng)清理電纜線槽里的落煤，降低了人力清煤的勞動(dòng)量。

5 結(jié)論

1）研發(fā)了采煤機(jī)全自動(dòng)拖纜設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，得出了設(shè)備整體布局方案，設(shè)計(jì)了關(guān)鍵零部件，并對(duì)其作用及功能進(jìn)行了闡述，得出了設(shè)備的性能參數(shù)，設(shè)計(jì)了拖纜鏈道豎直布局的建設(shè)方案。

2）根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，研發(fā)了電子控制系統(tǒng)。對(duì)控制主站、控制子站、感應(yīng)器等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了型號(hào)選擇，并對(duì)軟件開發(fā)、系統(tǒng)通訊進(jìn)行了具體研究。

3）進(jìn)行了過載保護(hù)技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了機(jī)械設(shè)備、電器、液壓三種過壓保護(hù)方法，提升了機(jī)器設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性；創(chuàng)新了放纜情況下轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)距協(xié)作控制方式，明確提出了以轉(zhuǎn)速控制為主、轉(zhuǎn)距控制為輔、二者協(xié)作控制的控制對(duì)策。

4）機(jī)器設(shè)備實(shí)現(xiàn)了當(dāng)場(chǎng)運(yùn)用，經(jīng)過了各種繁雜工作狀況的磨練，運(yùn)行較為穩(wěn)定，做到了設(shè)計(jì)要求，具有向市場(chǎng)推廣的要求。