上隅角傳感器隨架移動(dòng)自調(diào)式吊掛裝置設(shè)計(jì)

張曉東， 劉智敏， 甘 濤， 王璽淦， 劉 柱

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037042）

引言

現(xiàn)階段，國(guó)家一直在推進(jìn)煤炭安全、高效、智能、綠色開(kāi)采，這也對(duì)煤礦配套裝備的技術(shù)革新、自動(dòng)化轉(zhuǎn)型提出了新的要求[1]，而瓦斯和一氧化碳是井工煤礦主要監(jiān)測(cè)管理的有害氣體，也是安全生產(chǎn)管理的重中之重。綜采面上隅角傳感器主要有瓦斯傳感器和一氧化碳傳感器，其吊掛是否符合標(biāo)準(zhǔn)、是否能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)有害氣體的含量，嚴(yán)重影響著工作人員安全及礦井安全。傳感器隨著工作面推進(jìn)一刀必須重新吊掛一次，因而難以實(shí)時(shí)符合吊掛標(biāo)準(zhǔn)，需經(jīng)多次挪移來(lái)調(diào)節(jié)距順槽頂板和工作面下幫的距離以滿足吊掛要求。為了降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、減少挪移調(diào)整次數(shù)、提高吊掛效率和工作面現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化管理水平，隨架移動(dòng)液壓自調(diào)式吊掛裝置是一種較好的吊掛方式。目前，綜采工作面上隅角傳感器吊掛方式以人工吊掛或吊鏈?zhǔn)缴禐橹?，?shí)際使用中均需操作人員站于尾端頭支架與工作面下幫空頂區(qū)域進(jìn)行操作，給操作人員的安全性帶來(lái)了一定的隱患，達(dá)不到理想的效果。通過(guò)總結(jié)研究綜采面尾端頭架側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)形式和其距工作面下幫“高頻”距離，綜合安全對(duì)比分析，提出一種全新的上隅角多臺(tái)傳感器隨架移動(dòng)液壓自調(diào)式吊掛裝置。因尾端頭支架配有液壓操作閥，可通過(guò)液壓提供動(dòng)力實(shí)現(xiàn)裝置構(gòu)件的垂直升降和水平移動(dòng)，于是利用液壓控制技術(shù)[2]研究設(shè)計(jì)了綜采面上隅角多臺(tái)傳感器隨架移動(dòng)液壓自調(diào)式吊掛裝置?？赏ㄟ^(guò)控制液壓操作手把來(lái)控制裝置構(gòu)件的垂直旋轉(zhuǎn)升降和水平推移，來(lái)調(diào)節(jié)距下幫煤壁的距離，實(shí)現(xiàn)隨架移動(dòng)液壓自調(diào)，實(shí)時(shí)保持符合吊掛標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 隨架移動(dòng)液壓自調(diào)式吊掛裝置的設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

結(jié)合8108 綜采面尾端頭架距下幫煤壁“高頻”距離，以小巧輕便、美觀可靠、便于安裝拆除為目標(biāo)設(shè)計(jì)吊掛裝置。在升降千斤頂完全收縮后實(shí)現(xiàn)傳感器下降，避免隨架移動(dòng)時(shí)傳感器被巷道頂板原有錨桿、錨索等堅(jiān)硬物損壞，通過(guò)固定基座用高強(qiáng)度螺栓與尾端頭支架側(cè)板固定，固定時(shí)保證傳感器距切頂線頂板距離始終不超過(guò)300 mm，實(shí)現(xiàn)隨工作面推進(jìn)傳感器隨架動(dòng)態(tài)移動(dòng)；在升降千斤頂完全伸出后滿足傳感器放置架與水平推移千斤頂鉸接孔中心位于統(tǒng)一水平面內(nèi)，通過(guò)水平推移千斤頂?shù)纳炜s來(lái)調(diào)節(jié)傳感器距工作面下幫煤壁的距離，使上隅角傳感器能夠?qū)崟r(shí)滿足吊掛標(biāo)準(zhǔn)（距頂板不超過(guò)300 mm，距幫不小于200 mm、不超過(guò)800 mm），同時(shí)要求放置架在升降千斤頂完全收縮后于水平固定架成90°夾角，以此來(lái)減小裝置整體長(zhǎng)度，避免在綜采面尾端頭架與下幫間距減小時(shí)拉架過(guò)程中傳感器與裝置被下幫煤壁扳損掛壞，從而實(shí)現(xiàn)傳感器吊掛的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

1.2 設(shè)計(jì)原理

選用長(zhǎng)度為48 cm、最大伸縮量為30 cm 的液壓千斤頂，以水平方向?yàn)閄 軸，以垂直方向?yàn)閅 軸；為實(shí)現(xiàn)裝置在垂直面升降時(shí)動(dòng)力充足，在滿足鉸接強(qiáng)度要求的前提下設(shè)計(jì)升降千斤頂距固定基座5 cm，與升降架連接的鉸接耳高5 cm、距水平固定架20 cm，以此處（A）為圓心，以48 cm 為半徑畫(huà)圓，與升降千斤頂固定端鉸接耳所在垂直面相較于B、C 點(diǎn)；當(dāng)升降千斤頂動(dòng)作，A點(diǎn)以20 cm 半徑向上旋轉(zhuǎn)至A1點(diǎn)，測(cè)量A1B、A1C 距離分別為65 cm 和75 cm（大于68 cm，不符合設(shè)計(jì)要求，舍去），選擇B 點(diǎn)為升降千斤頂固定鉸接耳位置。而水平推移千斤頂最理想狀態(tài)為F 處鉸接圓與水平固定架和升降架的鉸接圓在垂直方向上相切，避免裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)生“咬接”現(xiàn)象，來(lái)確定E 點(diǎn)、F 點(diǎn)，各鉸接位置確定后得出整個(gè)裝置動(dòng)作后在水平方向上最短長(zhǎng)度為105cm，最長(zhǎng)為135cm。設(shè)計(jì)原理如圖1 所示。

圖1 液壓自調(diào)式吊掛裝置設(shè)計(jì)原理圖

2 隨架移動(dòng)液壓自調(diào)式吊掛裝置組成

該裝置由固定基座、升降千斤頂、水平推移千斤頂、水平固定架、升降架、傳感器放置架、放置架滑道、標(biāo)尺八部分組成，裝置整體長(zhǎng)70～135cm、高85cm、質(zhì)量35 kg，且該裝置升降千斤頂收縮（帶動(dòng)升降架在垂直面內(nèi)向下旋轉(zhuǎn)90°）和推移千斤頂完全收縮后可滿足水平固定架與升降架成90°夾角，達(dá)到設(shè)計(jì)美觀要求。隨架移動(dòng)液壓自調(diào)式吊掛裝置如圖2所示，工作原理如圖3 所示。

圖2 隨架移動(dòng)液壓自調(diào)式吊掛裝置

圖3 隨架移動(dòng)液壓自調(diào)式吊掛裝置工作原理

固定基座：用300 mm×200 mm 的16 號(hào)鋼板制作，在基座對(duì)角線相交處掏一個(gè)Φ30 mm 圓孔，以此為圓心，以6 cm 為半徑畫(huà)圓，與對(duì)角線相交處分別掏Φ30 mm 圓孔，圓孔整體呈“三角形”穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)裝置與端頭支架側(cè)護(hù)板的固定。

水平固定架：用長(zhǎng)55 cm 的12 號(hào)槽鋼制作，一端與固定基座頂端焊接，另一端掏Φ20 mm 孔用于與升降架鉸接，并用10 號(hào)鋼板拉筋提高鉸接處強(qiáng)度。

升降架：用長(zhǎng)為50 cm 的10 號(hào)槽鋼制作，一端掏Φ20 mm 孔用于與水平固定架鉸接，并在槽內(nèi)掏45 cm×3.5 cm 的信號(hào)線穿孔。

放置架：用長(zhǎng)40 cm 的8 號(hào)槽鋼制作，并在槽內(nèi)掏35 cm×3.5 cm 的信號(hào)線穿孔，鉸接端與水平推移千斤頂鉸接。

放置架滑道：用4 根5 cm 長(zhǎng)5 號(hào)角鐵在放置架兩側(cè)對(duì)稱焊接成“?”“?”型結(jié)構(gòu)，并用2 根30 cm長(zhǎng)3 號(hào)角鐵焊接在升降架槽內(nèi)，相互配合實(shí)現(xiàn)支撐滑動(dòng)和鎖緊滑動(dòng)。

標(biāo)尺：由30 cm 長(zhǎng)3 號(hào)扁鐵焊接在升降架上，每隔10 cm 用焊條點(diǎn)焊刻度。

鉸接耳：鉸接耳均用10 號(hào)鋼板制作，滿足升降千斤頂、水平推移千斤頂固定端固定牢固的要求，升降千斤頂行程端鉸接耳增大內(nèi)腔寬度允許千斤頂可以在外缸直徑范圍內(nèi)垂直方向上旋轉(zhuǎn)。水平推移千斤頂固定端鉸接耳與固定基座之間拉筋增加強(qiáng)度，滿足瞬間推力要求。

3 隨架移動(dòng)液壓自調(diào)式吊掛裝置操作步驟、技術(shù)要求及適用范圍

3.1 操作步驟

收縮裝置水平推移千斤頂→收縮裝置升降千斤頂→降端頭架→拉端頭架→升端頭架→伸裝置升降千斤頂至升降架水平→伸水平推移千斤頂調(diào)節(jié)傳感器至距幫距離滿足要求。

3.2 技術(shù)要求

因裝置整體與尾端頭架固定時(shí)已考慮距頂板切頂線距離不超過(guò)300 mm，故在使用過(guò)程中始終不用考慮此項(xiàng)吊掛要求，只需調(diào)節(jié)水平推移千斤頂使傳感器距工作面下幫煤壁距離符合吊掛標(biāo)準(zhǔn)即可。標(biāo)尺以圖3 中水平推移千斤頂與放置架“┐”型鉸接耳焊接最右端位置為參照點(diǎn)，黑色豎條間距為10 cm，當(dāng)傳感器從一個(gè)黑色刻度移動(dòng)到另一個(gè)黑色刻度，則傳感器在水平面內(nèi)移動(dòng)10 cm，以此調(diào)節(jié)傳感器距下幫煤壁的距離，同時(shí)標(biāo)尺易于觀察，方便操作人員掌握所需調(diào)節(jié)的的水平距離。操作時(shí)需嚴(yán)格按照上述操作步驟執(zhí)行，以免傳感器和裝置損壞。

3.3 適用范圍

該裝置適用于端頭架側(cè)護(hù)板距工作面下幫煤壁距離為1.25～2.15 m，頂板較好的綜采工作面。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

2021 年7 月綜采面上隅角多臺(tái)傳感器隨架移動(dòng)液壓自調(diào)式吊掛裝置設(shè)計(jì)制作完成后，在石炭二疊系山4 號(hào)層8108 綜采面開(kāi)展工業(yè)性試驗(yàn)，隨著綜采面從35 m 推進(jìn)至375 m，日進(jìn)度4.8 m，經(jīng)觀察和現(xiàn)場(chǎng)工作人員反映，上隅角多臺(tái)傳感器吊掛裝置完成傳感器吊掛僅需10 s 左右，且現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化管理水平和吊掛標(biāo)準(zhǔn)得到了有效提升，且操作人員始終在液壓支架支護(hù)范圍內(nèi)完成吊掛，完全避免了操作人員置于空頂區(qū)域多次挪移吊掛，具有明顯的安全優(yōu)勢(shì)，裝置原理、功能及可靠性得到了充分驗(yàn)證。

5 結(jié)論

1）隨架移動(dòng)液壓自調(diào)式吊掛裝置針對(duì)綜采工作面上隅角多臺(tái)傳感器隨工作面的推進(jìn)需人工吊掛、挪移頻繁，難以實(shí)時(shí)滿足吊掛標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)際問(wèn)題，以提高吊掛效率、標(biāo)準(zhǔn)和消除吊掛人員安全風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)而研究設(shè)計(jì)，以較低成本實(shí)現(xiàn)了綜采面上隅角多臺(tái)傳感器吊掛的標(biāo)準(zhǔn)化自動(dòng)化改造升級(jí)，提供了切實(shí)合理的自動(dòng)化轉(zhuǎn)型方案。

2）該裝置所有動(dòng)作均由液壓操作手把控制，均采用液壓缸極限位置定位，操作簡(jiǎn)單，吊掛過(guò)程僅需10 s 左右，吊掛效率高，吊掛標(biāo)準(zhǔn)高。

3）該裝置與尾端頭支架采用螺栓固定，在遇頂板破碎或裝置構(gòu)件損壞時(shí)方便更換，且各構(gòu)件制作原料來(lái)源廣泛、易于制作，且重復(fù)利用率高、整體美觀、安裝方便、易于拆卸，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

4）吊掛裝置隨綜采面推進(jìn)每移動(dòng)吊掛一次傳感器可約節(jié)省15 min，綜采單工按500 元計(jì)算，可年節(jié)約人工成本約103 人，約51500 元，設(shè)計(jì)材料成本消耗1035 元，一套裝置可多個(gè)工作面重復(fù)使用，預(yù)估使用壽命為10 年，可創(chuàng)效近52 萬(wàn)元。

5）在8108 綜采面工業(yè)性試驗(yàn)表明，本裝置操作簡(jiǎn)單，能有效改善吊掛人員的操作安全性，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高綜采面上隅角傳感器吊掛自動(dòng)化水平和現(xiàn)場(chǎng)管理質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)傳感器吊掛動(dòng)態(tài)達(dá)標(biāo)，對(duì)礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)[3]和綜采工作面標(biāo)準(zhǔn)化水平的提升具有顯著效果，綜采面綜合效率也得到了一定程度的提高。