主井卸載倉(cāng)位超限保護(hù)裝置的研究與應(yīng)用

劉相楠 張 琨 王榮剛 孔 棟

（鄂爾多斯市營(yíng)盤壕煤炭有限公司，鄂爾多斯 017300）

1 研究背景

煤礦為高危行業(yè)，要實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，需要減少現(xiàn)場(chǎng)施工人員，提高自動(dòng)化水平。作為煤礦開(kāi)采中的重要設(shè)備，礦井提升機(jī)的自動(dòng)化水平是生產(chǎn)系統(tǒng)中最高級(jí)的。

營(yíng)盤壕煤礦與德?tīng)柼┛斯竞献鏖_(kāi)發(fā)的礦井提升機(jī)無(wú)線巡視系統(tǒng)，基于德國(guó)西門子公司sm@rtaccess技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。巡檢人員可手持巡檢儀讀取上位機(jī)所有信息，實(shí)時(shí)比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況，在診斷故障和評(píng)判設(shè)備運(yùn)行情況方面具有重要作用。

煤礦立井使用箕斗將煤炭提升至地面后，采用曲軌或外動(dòng)力方式打開(kāi)箕斗的扇形閘門，將煤炭卸載到卸載倉(cāng)內(nèi)。卸載倉(cāng)下部是給煤機(jī)，能將煤炭轉(zhuǎn)載到皮帶機(jī)上。

主井提升系統(tǒng)是礦井的咽喉。卸載煤倉(cāng)倉(cāng)位超限保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作或發(fā)生故障時(shí)，會(huì)影響礦井的生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

卸載煤倉(cāng)潮濕、粉塵大、振動(dòng)大，保護(hù)裝置容易發(fā)生故障，導(dǎo)致主井停止提升。為確保主井提升系統(tǒng)的安全可靠性，針對(duì)卸載倉(cāng)位超限保護(hù)裝置展開(kāi)了一系列研究探索，實(shí)踐應(yīng)用了多種形式的保護(hù)裝置，總結(jié)了各種保護(hù)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 電極式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置

最初使用的是電極式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置。當(dāng)卸載倉(cāng)滿倉(cāng)時(shí)，電極式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置的金屬探頭與煤倉(cāng)里的煤接觸，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)位超限保護(hù)動(dòng)作，此時(shí)提升機(jī)滿倉(cāng)停車。

電極式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置的金屬探頭與煤接觸，相當(dāng)于與地面構(gòu)成了起動(dòng)回路。由于空氣濕度變化，煤質(zhì)含水情況不同，保護(hù)裝置的靈敏性和可靠性均不理想。當(dāng)空氣比較潮濕或煤炭中含水較多時(shí)，潮濕的煤炭濺到探頭上，電極式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置可能出現(xiàn)誤動(dòng)作，使提升機(jī)不能運(yùn)行而影響礦井生產(chǎn)。而當(dāng)煤質(zhì)比較干燥、導(dǎo)電性弱時(shí)，即使卸載煤倉(cāng)的實(shí)際煤位已經(jīng)超限，煤炭接觸到金屬探頭也不能實(shí)現(xiàn)保護(hù)停車，會(huì)使多出的煤炭撒向井底，嚴(yán)重威脅工作人員和井筒裝備的安全[1]。

3 萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置

由于電極式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置存在不可忽視的缺點(diǎn)，無(wú)法滿足使用需要，后來(lái)改用萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置。萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)外形如圖1所示。裝置中的傳感器垂直向下安裝，在傳感器擺桿沒(méi)有外力作用時(shí)，由于重力的作用該裝置處于垂直向下的狀態(tài)。當(dāng)傳感器端頭受到外力作用時(shí)，擺桿會(huì)離開(kāi)中心點(diǎn)，在達(dá)到一定角度時(shí)觸發(fā)彈片，使常開(kāi)點(diǎn)閉合、常閉點(diǎn)斷開(kāi)。

圖1 萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)

將該萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)垂直向下安裝于卸載煤倉(cāng)后部，貼近設(shè)定的煤位高度。當(dāng)煤炭堆積到一定程度推動(dòng)擺桿時(shí)，會(huì)引發(fā)倉(cāng)位超限保護(hù)裝置報(bào)警，并停止提升機(jī)運(yùn)行。萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)擺桿的端部設(shè)置為螺旋槳型，以防發(fā)生煤粉不能推動(dòng)擺桿發(fā)生保護(hù)失效的事故。

使用初期，發(fā)現(xiàn)萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置相對(duì)于電極式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置優(yōu)點(diǎn)突出，動(dòng)作靈敏可靠。但是，該裝置長(zhǎng)期受煤炭沖擊，可能會(huì)被煤炭整體埋沒(méi)，故障率為10次/月，不符合現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井的要求。

4 擺桿+萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置

為降低萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置的故障率，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械裝置，將萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)安裝在卸載倉(cāng)外部墻壁上。在卸載煤倉(cāng)上安裝機(jī)械擺桿，擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)同軸的鐵片觸碰萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)，使萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

最初設(shè)計(jì)的擺桿長(zhǎng)度為1.2 m，擺桿端部與篦子梁下部平齊，預(yù)想當(dāng)煤位到達(dá)篦子梁高度時(shí)倉(cāng)位超限保護(hù)裝置啟動(dòng)。但是，現(xiàn)實(shí)使用中經(jīng)常出現(xiàn)前一次卸煤后煤位距擺桿下端10 cm左右，而卸載倉(cāng)下的給煤機(jī)因各種原因沒(méi)有啟動(dòng)，煤位一直保持不變，下一次卸煤時(shí)可能出現(xiàn)煤炭溢出掉入井筒的情況。所以，倉(cāng)位超限保護(hù)裝置必須保證卸載倉(cāng)內(nèi)留有一箕斗煤炭的空余容量。煤炭粒度不同，卸載倉(cāng)前部與后部的煤炭高度差總有變化。如果倉(cāng)位超限保護(hù)裝置僅安裝在卸載倉(cāng)后部，就不能準(zhǔn)確反映卸載倉(cāng)的最高煤位，可能出現(xiàn)保護(hù)失效事件。

卸載倉(cāng)上部的篦子梁是為了防止大塊煤矸進(jìn)入倉(cāng)內(nèi)。煤流中存在大塊煤矸時(shí)，會(huì)在篦子梁上被擔(dān)住，但阻止其他小塊煤矸進(jìn)入倉(cāng)內(nèi)會(huì)導(dǎo)致煤位虛高，造成煤矸超出卸載倉(cāng)落入井筒內(nèi)。針對(duì)以上問(wèn)題，要求采掘時(shí)避免出現(xiàn)大塊煤矸，調(diào)整卸載倉(cāng)篦子梁的寬度，以防在篦子梁上堆積煤矸，同時(shí)在卸載倉(cāng)前部和后部各安裝一道擺桿式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置。在每次箕斗卸煤時(shí)，安裝在前部的保護(hù)裝置擺桿會(huì)受到煤矸沖擊。根據(jù)卸煤時(shí)間，設(shè)置延時(shí)報(bào)警，如果連續(xù)30 s萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)一直處于動(dòng)作狀態(tài)，則倉(cāng)位超限保護(hù)裝置故障閉鎖提升機(jī)的下一次運(yùn)行。此時(shí)，即使裝煤的箕斗已經(jīng)提升到卸載倉(cāng)口，也不能向卸載倉(cāng)內(nèi)卸煤。

經(jīng)過(guò)這項(xiàng)改造，行程開(kāi)關(guān)不再受煤炭沖擊和埋沒(méi)，大大降低了故障率。安裝前后兩道擺桿式保護(hù)裝置，基本杜絕了倉(cāng)位超限事故的發(fā)生。

但是，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)前部安裝的萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)的故障率為4次/月，每次影響生產(chǎn)時(shí)間1 h左右，每月影響生產(chǎn)約4 h，少提升煤炭4 000 t，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)160萬(wàn)元。為降低倉(cāng)位超限保護(hù)裝置的故障率，提高經(jīng)濟(jì)效益，檢查損壞的萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)后發(fā)現(xiàn)，故障原因是動(dòng)作過(guò)于頻繁，箕斗向卸載倉(cāng)內(nèi)卸煤時(shí)沖擊力過(guò)大，擺桿和鐵皮組成的同軸轉(zhuǎn)動(dòng)裝置中擺桿長(zhǎng)度為鐵皮長(zhǎng)度的10倍。根據(jù)杠桿原理，鐵皮對(duì)萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)的沖擊力是煤炭對(duì)擺桿沖擊力的10倍，后續(xù)需對(duì)其進(jìn)行改良。

5 擺桿+接近開(kāi)關(guān)式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置

為克服擺桿+萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置故障率高的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種非直接接觸式的倉(cāng)位超限保護(hù)裝置。

在各類開(kāi)關(guān)中，對(duì)接近它的物件有“感知”能力的元件稱為位移傳感器。利用位移傳感器，無(wú)須與運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行機(jī)械直接接觸就可以操作的位置開(kāi)關(guān)稱為接近開(kāi)關(guān)[2]。當(dāng)物體接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)面到達(dá)動(dòng)作距離時(shí)，不需要機(jī)械接觸及施加任何壓力即可使開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)交流或直流電器或給計(jì)算機(jī)裝置提供控制指令。接近開(kāi)關(guān)是一種開(kāi)關(guān)型傳感器，具有行程開(kāi)關(guān)和微動(dòng)開(kāi)關(guān)的特性，同時(shí)具有傳感性能，且動(dòng)作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應(yīng)快，應(yīng)用壽命長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，具有防水、防震、耐腐蝕等特點(diǎn)。接近開(kāi)關(guān)主要有電感式、電容式、霍爾式、交流型以及直流型等幾種類型。

接近開(kāi)關(guān)又稱無(wú)觸點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)，是理想的電子開(kāi)關(guān)量傳感器。當(dāng)金屬檢測(cè)體接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)區(qū)域時(shí)，開(kāi)關(guān)能無(wú)接觸、無(wú)壓力、無(wú)火花，可迅速發(fā)出電氣指令，準(zhǔn)確定位運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置和行程。即使用于一般的行程控制，它的定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調(diào)整的方便性和對(duì)惡劣環(huán)境的適用能力，也是一般機(jī)械式行程開(kāi)關(guān)不能比擬的[3]。

使用接近開(kāi)關(guān)代替萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)，將接近開(kāi)關(guān)安裝于距離鐵皮10 mm左右的位置。正常情況下，接近開(kāi)關(guān)可以感應(yīng)到鐵片的存在。但是，當(dāng)擺桿受煤炭沖擊離開(kāi)中心線位置時(shí)，接近開(kāi)關(guān)不能感應(yīng)到鐵片，會(huì)有一個(gè)信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)中。30 s內(nèi)，該信號(hào)連續(xù)存在，說(shuō)明煤位超限，擺桿被煤矸卡住，不能回到中心線位置。

將萬(wàn)向行程開(kāi)關(guān)更換為接近開(kāi)關(guān)后，故障率降低到2次/月，每月減少經(jīng)濟(jì)損失80萬(wàn)元。為繼續(xù)降低故障率，逐次分析故障，發(fā)現(xiàn)均為機(jī)械故障。擺桿、轉(zhuǎn)軸、鐵片為組合式結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期受沖擊，連接處易松動(dòng)。當(dāng)擺桿與轉(zhuǎn)軸的連接處發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，擺桿回到中心線位置，鐵片仍然偏離接近開(kāi)關(guān)，會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)故障，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生了一次擺桿脫落掉入卸載煤倉(cāng)的事故。

6 擺桿+磁性開(kāi)關(guān)式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置

為解決擺桿+接近開(kāi)關(guān)式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置的機(jī)械故障多的問(wèn)題，有兩個(gè)解決方向：一是增強(qiáng)這種組合結(jié)構(gòu)的連接牢固性，將兩者徹底焊接在一起，但不便更換被撞彎的擺桿；二是簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用一根整體的擺桿，但不用通過(guò)組合結(jié)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)具體情況，選擇簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用一根整體的擺桿，不用通過(guò)組合結(jié)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)，即一根擺桿上半部穿一根銷子，固定在卸載煤倉(cāng)上面的橫梁上。在擺桿頂端安裝一塊磁鐵，在磁鐵對(duì)面安裝一個(gè)磁性開(kāi)關(guān)。正常情況下，磁性開(kāi)關(guān)可以感應(yīng)到磁鐵的存在。當(dāng)擺桿受到煤炭沖擊而離開(kāi)中心線位置時(shí)，磁性開(kāi)關(guān)不能感應(yīng)到磁鐵的存在，此時(shí)會(huì)有一個(gè)信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)中。30 s內(nèi)該信號(hào)連續(xù)存在，說(shuō)明煤位超限，擺桿被煤矸卡住，不能回到中心線位置。

磁性開(kāi)關(guān)又叫干簧管或磁控管，是利用磁場(chǎng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制的一種開(kāi)關(guān)元件。當(dāng)無(wú)磁時(shí)，電路斷開(kāi)，能用來(lái)檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)或電路狀態(tài)。磁性開(kāi)關(guān)不處在工作狀態(tài)時(shí)，玻璃管中的兩個(gè)簧片不接觸。如果有磁性物質(zhì)接近玻璃管，在磁場(chǎng)作用下，兩個(gè)簧片會(huì)被磁化而相互吸合在一起，從而使電路接通。當(dāng)磁性物質(zhì)消失后，沒(méi)有外磁力的影響，兩個(gè)簧片又會(huì)因?yàn)樽陨砭哂械膹椥远珠_(kāi)，斷開(kāi)電路。

磁性開(kāi)關(guān)與接近開(kāi)關(guān)相比，感應(yīng)范圍更大。接近開(kāi)關(guān)的有效感應(yīng)距離為10 mm，磁性開(kāi)關(guān)的感應(yīng)距離為50 mm。使用磁性開(kāi)關(guān)，在擺桿受沖擊發(fā)生輕微變形時(shí)，不會(huì)影響監(jiān)測(cè)結(jié)果。

實(shí)施該項(xiàng)改造后，倉(cāng)位超限保護(hù)裝置的故障率下降到1次/月。

7 雷達(dá)物位儀式倉(cāng)位超限保護(hù)裝置

在礦井下的主煤倉(cāng)上口安裝雷達(dá)物位儀，用來(lái)測(cè)量煤倉(cāng)的煤位。雖然空氣潮濕、有霧氣、煤塵，但使用效果好，測(cè)量精度高。

為徹底杜絕倉(cāng)位超限保護(hù)裝置發(fā)生故障，計(jì)劃使用完全非接觸式傳感器——雷達(dá)物位儀[4]。雷達(dá)物位儀中天線發(fā)射調(diào)頻連續(xù)雷達(dá)波（Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）。這個(gè)雷達(dá)波以光速在空間傳播，遇到被測(cè)物料表面后，部分能量被反射回來(lái)被同一天線接收。發(fā)射雷達(dá)波與接收雷達(dá)波的時(shí)間間隔與天線到被測(cè)物料表面的距離成正比。由于雷達(dá)波的傳播速度極高，發(fā)射雷達(dá)波與接收雷達(dá)波的時(shí)間間隔很小，基本為納秒量級(jí)，很難確認(rèn)。

“發(fā)射—反射—接收”是雷達(dá)物位儀的基本工作原理。利用這一原理可以測(cè)量實(shí)容器內(nèi)物料高度。雷達(dá)物位儀由發(fā)射裝置、接收裝置、信號(hào)處理器、顯示器以及控制按鈕等硬件組成。發(fā)射裝置是通電后發(fā)射雷達(dá)波到被測(cè)物料表面的裝置。接收裝置能接收從被測(cè)物料表面反射回來(lái)的雷達(dá)波。信號(hào)處理器是處理接收回來(lái)的雷達(dá)波，然后通過(guò)顯示器進(jìn)行顯示[5]。

將雷達(dá)物位儀安裝在卸載煤倉(cāng)上，前后各安裝1臺(tái)。雷達(dá)物位儀將實(shí)時(shí)測(cè)量的料倉(cāng)內(nèi)物料高度值轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)傳輸給控制儀表。在控制儀表上設(shè)置煤位上限值，當(dāng)煤炭高度高于上限值并持續(xù)30 s后，報(bào)倉(cāng)位超限故障[6]，閉鎖提升機(jī)的下一次運(yùn)行，并禁止箕斗向卸載煤倉(cāng)內(nèi)卸煤。安裝雷達(dá)物位儀時(shí)必須固定牢固，不得受振動(dòng)改變方向，并注意躲開(kāi)卸載煤倉(cāng)上口篦子梁等障礙物。每月擦拭一次雷達(dá)物位儀的發(fā)射接收口玻璃，防止煤塵在玻璃上堆積，干擾信號(hào)的發(fā)射與接收。

安裝雷達(dá)物位儀后，取消頻繁受煤炭沖擊的擺桿結(jié)構(gòu)，可杜絕倉(cāng)位超限保護(hù)裝置發(fā)生故障，實(shí)現(xiàn)真正的零故障運(yùn)行。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)卸載煤倉(cāng)倉(cāng)位超限保護(hù)裝置的不斷研究改造，試驗(yàn)各種機(jī)構(gòu)和傳感器，不斷降低故障率，最終杜絕了故障的發(fā)生，確保了礦井煤炭提升運(yùn)輸?shù)陌踩咝浴Ｊ褂梅墙佑|式檢測(cè)裝置可大幅降低設(shè)備設(shè)施的故障率，根據(jù)傳感器的性能參數(shù)合理選用傳感器，對(duì)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能具有重大意義。