面向煤礦井下的新型智能自固定絞車

王 梁

（中煤科工集團煤炭科學(xué)研究總院有限公司，北京 100013）

1 現(xiàn)有絞車應(yīng)用情況及存在的問題

現(xiàn)有的雙速多用絞車是不能夠依靠自身進行固定的，需要利用6根液壓單體支柱采用四壓兩趄式的固定方法，其結(jié)構(gòu)組成與固定方式如圖1所示，主要由絞車車架、工頻電機、聯(lián)軸器與抱閘、手動變速箱、卷纜滾筒及主軸組成，其中兩根后壓液壓單體立柱兩根前壓液壓單體立柱基本垂直于絞車車架，支撐于巷道頂部，將絞車壓向巷道底板，兩根兩趄液壓單體立柱頂端前傾的支撐在絞車車架前端和巷道頂部之間，當(dāng)絞車有向前運動趨勢時，兩趄立柱會產(chǎn)生自鎖死效應(yīng)。該方法存在如下問題：1）這種固定方式中液壓單體支柱與頂板接觸面積小，對頂板比壓大，對頂板破會很嚴(yán)重，采用乳化液泵站支打后無保壓和泄壓功能，隨著頂板浮動會造成支撐固定力不足或者造成單體支柱壓彎或者壓斷事故，進而造成絞車?yán)摰绕茐男允鹿?。該固定方法極易導(dǎo)致絞車框架與液壓單體支柱的接觸位置因壓力過大發(fā)生塑性形變，損壞制動閘以及輸入端聯(lián)軸器等元部件。2）絞車固定困難，效率低下。現(xiàn)有絞車一般需要在鏟車等設(shè)備輔助下，由8人～12人默契配合工作3小時～4小時才能完成一次固定，效率極其低下。3）現(xiàn)有雙速多用絞車采用手動換擋方式進行高低速切換，通過接觸器直接控制絞車起停與正反轉(zhuǎn)，絞車操作困難，尤其是絞車停車操作完全靠絞車司機的經(jīng)驗與技術(shù)，極易造成鋼絲繩過載斷繩，發(fā)生人員傷亡事故[1-2]。

鑒于目前雙速多用絞車存在的問題，亟待開發(fā)設(shè)計一種集自固定裝置、智能電液控系統(tǒng)于一身，可實現(xiàn)遙控控制、變頻調(diào)速、安全自檢等智能化功能為一體的智能自固定絞車，實現(xiàn)對老舊落后絞車的智能化升級改造，提升煤礦井下絞車使用的效率與安全性。

2 新型智能自固定絞車總體結(jié)構(gòu)與組成

新型智能自固定絞車總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要組成的元部件包括頂梁、頂梁加高座、卷筒、底盤及液壓油箱、立柱油缸、掩護梁及四連桿、動力及傳動系統(tǒng)、排線器、智能電液控系統(tǒng)、液壓泵站、防撞梁等。

新型智能自固定絞車各部件的功能及優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1）頂梁、立柱油缸、掩護梁及四連桿與底盤組成自固定系統(tǒng)，如圖2所示，絞車整體在4根立柱油缸的支撐下，能夠在巷道頂部與底板之間牢固固定。在這種定位方式下，理論上當(dāng)絞車受到2100kN拉力時絞車才能被拉動，而絞車設(shè)計最大牽引力為500kN，在這樣的固定力下，絞車不僅可以作為鋼絲繩錨點，而且可以作為滑輪錨點，也就是說，通過定滑輪與動滑輪組合，該絞車在只有自身作為錨固點時就可以輸出最大2000kN牽引力，這非常方便于在綜采工作面的回撤收尾階段回收最后幾個液壓支架。2）立柱油缸具有壓力智能檢測、蓄能器和自動補液功能，其中蓄能器可以對煤礦井下回撤巷道的浮頂壓力波動起到緩沖作用，從而保持絞車的摩擦阻力。智能壓力檢測和自動補液功能可以實時監(jiān)測并補充柱狀油缸的油壓力，避免絞車被拉斷，絞車受力圖如圖3所示。3）底盤及液壓油箱采用一體化設(shè)計，實現(xiàn)了高緊湊度設(shè)計，符合巷道狹小空間的需求。同時，一體化設(shè)計不僅減少了制造材料的消耗，節(jié)約了生產(chǎn)制造成本，還降低了整機的質(zhì)量。4）高性能高可靠性的制動器是實現(xiàn)絞車及時停車的必要條件。該絞車的卷纜傳動部分構(gòu)成與排布如圖4所示，主要由排線器、鋼絲繩、卷纜滾筒及主軸、開式大齒圈、驅(qū)動減速器、駐車制動器、運行制動器和驅(qū)動電機等組成。其中卷纜滾筒驅(qū)動減速箱采用直交軸+雙層斜齒輪布局，從而使其在寬度方向和長度方向有效的節(jié)約空間。驅(qū)動電機與驅(qū)動減速器通過駐車制動器花鍵直連，配合精準(zhǔn)，可靠耐用。該絞車駐車制動器與運行制動器全部采用濕式液壓制動器，通過花鍵直接連接在驅(qū)動減速器一軸與二軸，結(jié)構(gòu)緊湊，結(jié)實耐用，與傳統(tǒng)絞車的抱閘式制動器相比，該濕式制動器可靠性更高，制動性能更好，故障率更低，使用壽命更長，幾乎可以免維護。5）智能電液控系統(tǒng)能夠?qū)α⒅鶋毫?、瓦斯?jié)舛取⒂蜏赜臀坏?6項數(shù)值進行實時監(jiān)測、智能控制與保護或者報警反饋。其中絞車收、放纜操作使用變頻調(diào)速、智能檢測、遙控控制等功能，實現(xiàn)絞車牽引力輸出可檢測、可顯示、可限制，并且能夠使卷筒及時停轉(zhuǎn)，最大程度避免斷繩現(xiàn)象的發(fā)生。6）在卷筒前段設(shè)置大推力排線器，可以對鋼絲繩進行有效管理，極大的減少了絞車使用中亂繩夾繩問題的出現(xiàn)，延長了鋼絲繩使用壽命，并提高了絞車作業(yè)時的安全性[3]。7）其頂梁加高座可拆可換，可根據(jù)不同的巷道高度進行調(diào)節(jié)，也可更換不同高度的頂梁加高座。

整機主要參數(shù)如表1所示。

表1 整機主要參數(shù)

3 綜采搬家倒面中的應(yīng)用情況

3.1 綜采工作面回撤中的應(yīng)用情況

在國家能源集團神東煤炭集團3個綜采工作面中，該絞車先后均參與了回撤作業(yè)任務(wù)，具體情況見表2。

表2 液壓支架回撤數(shù)量與工作面參數(shù)

其中各個工作面回撤情況如下：1）補連塔煤礦12510回撤工作面采用從中間向機頭、機尾回撤的搬家工藝施工，機尾方向由傳統(tǒng)雙速多用絞車回撤，機頭方向由新型智能自固定絞車回撤?；爻烽_始時，機頭方向回撤速度明顯比機尾方向快，但是機頭方向在回撤至最后一個連巷時三角區(qū)發(fā)生頂板漏頂，清理漏頂矸石、減少掩護支架、更換鋼絲繩等耽誤了兩天，最終機頭機尾差不多同時完成回撤任務(wù)。2）單向絞車回撤工藝作為大柳塔煤礦52505綜采回撤工作面搬家的主要施工工藝，包括兩兩相距約60米的4個回撤聯(lián)巷。由于新型智能自固定絞車前期和后期用于該礦52301綜采安裝工作面參加安裝工作（因為新絞車固定方便），因此只在第3聯(lián)巷進行了回撤液壓支架的作業(yè)，安全順利地完成了20架垛式支架和25架綜采支架的回撤牽引工作。3）補連塔礦12512綜采回撤面是大采高工作面，其工作采高約為8m，所應(yīng)用的液壓支架重約79t，其回撤巷道高度約為5.6m，超出了絞車設(shè)計的5.2m固定支撐高度，礦方將頂梁加高座由0.4 m增加至1.4m。此次回撤工作完成回撤垛式支架16臺，液壓支架30架。但是由于該工作面超出絞車設(shè)計使用高度，使絞車處于超負(fù)荷運行狀態(tài)，在回撤完一個連巷后，排線器撥叉發(fā)生斷裂。礦方進行綜合研討后，出于安全因素，隨即升井[4]。

3.2 綜采工作面回安裝中的應(yīng)用情況

在國家能源神東煤炭集團大柳塔煤礦52301綜采安裝工作面和三道溝煤礦85210綜采安裝工作面中，該絞車都參與了安裝任務(wù)。主要用于牽引綜采刮板鏈，同時也通過絞車對采煤機及其他綜采設(shè)備進行牽引和位置調(diào)整。由于新型智能自固定絞車能夠快速定位，在安裝工作面可以隨時調(diào)整絞車固定位置和牽引方向，所以能夠很好的完成安裝工作面各項牽引工作，安裝效率大大提高。

3.3 應(yīng)用情況小結(jié)

新型智能自固定絞車經(jīng)過5個工作面的使用，可以看到，該新型智能自固定絞車與普通絞車相比，主要具有以下優(yōu)點：1）新型智能自固定絞車減少了操作人員的需求量，在降低人力成本的同時，顯著提高了作業(yè)效率。普通絞車效率低下，每次完成安裝定位，至少需要個24個工時（8人×3小時）。新型智能自固定絞車在相同的條件下，平均僅需2名操作員在20min內(nèi)即可完成，這得益于絞車采用的多模塊集成化設(shè)計。因為每個綜采回撤工作面施工最少需要安裝定位絞車5次，所以使用該新型絞車在每個綜采回撤工作面，光安裝定位時間就能節(jié)省至少116.6個工時。2）新型智能自固定絞車采用一體式支架固定裝置，頂部壓力比小，具備了壓力過大時的語音報警和壓力自動調(diào)節(jié)功能，避免了由于液壓支柱壓力過大造成損壞和彎曲帶來的頂板局部壓力過大的現(xiàn)象，立柱支撐油缸能夠?qū)崟r保壓，有效防止絞車滑脫。特別是在安裝工作面時，絞車可以非常方便地插入刮板并逐漸向后牽引刮板鏈條。而用普通雙速多用絞車牽引時，由于其安裝定位費時費力，所以只能放置在相對較遠(yuǎn)的位置牽引刮板鏈。鋼絲繩過長則會產(chǎn)生較大的彈性形變，導(dǎo)致刮板鏈頻繁出現(xiàn)“閃抽”問題（就是由于鋼絲繩彈性回彈導(dǎo)致的短時急速抽拉），這非常容易造成刮板鏈和刮板機等設(shè)備損壞，并且極有可能會對安裝人員造成傷害，存在極大的安全隱患。此外，綜采安裝面一般都需要使用絞車從不同方向?qū)υO(shè)備進行牽引，由于新型智能自固定絞車可以輕松調(diào)整固定位置和牽引角度，更符合綜采安裝面的實際需求。3）新型智能自定式絞車采用遙控操作和變頻調(diào)速的控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對機器的遠(yuǎn)程操作，保證了操作人員的生命安全。變頻調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)對電機的軟啟動、平穩(wěn)加速以及平穩(wěn)停車等操作。特別對綜采安裝工作面，無論是用來牽引刮板鏈還是采煤機，其牽引速度都可以從0緩慢調(diào)整到所需速度。該功能不僅可以有效避免刮板鏈的拉斷，也可以準(zhǔn)確地將采煤機等設(shè)備牽引到合適的位置進行安裝。此外，系統(tǒng)還設(shè)置了多種智能安全檢測和閉鎖保護措施，有效防止了安全事故的發(fā)生[5]。4）絞車采用了排線器，可有效避免鋼絲繩亂繩和夾繩的現(xiàn)象，大幅降低了鋼絲繩損壞和放繩時的工作量，有效提高了對鋼絲繩管理能力，延長了鋼絲繩使用壽命。

4 結(jié)論

新型智能自固定絞車設(shè)計合理，能夠有效避免現(xiàn)有絞車使用中存在的很多問題，整機運行安全、可靠，極大的降低了絞車在煤礦井下使用時的安全隱患，相較于傳統(tǒng)雙速多用途絞車具有顯著的優(yōu)點，其設(shè)計理念具有顯著的創(chuàng)新性和實用性，并在實踐中得到了驗證。

新型智能自固定絞車總體性能滿足使用要求，甚至在8米采高綜采回撤工作面中的5.6米高的回撤巷道中都能夠滿足使用要求，其自固定功能能夠使其快速固定，并且安全、可靠，減人增效效果明顯。

新型智能自固定絞車集自固定裝置、智能電液控系統(tǒng)于一身，其遙控控制、變頻調(diào)速、安全自檢等智能化技術(shù)的成功應(yīng)用，為實現(xiàn)煤礦井下絞車牽引作業(yè)的智能化與現(xiàn)代化提供了良好的設(shè)計思路與堅實的實踐基礎(chǔ)。