立井罐籠自鎖式雙向動(dòng)力自動(dòng)罐簾門(mén)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張振東

（河南大有能源股份有限公司千秋煤礦，河南三門(mén)峽 472300）

0 引言

河南大有能源股份有限公司千秋煤礦位于河南省義馬煤田中部，始建于1956 年，1958 年簡(jiǎn)易投產(chǎn)，2019 年核定生產(chǎn)能力為150 萬(wàn)噸/年，礦井提升方式為立井罐籠提升。立井罐籠提升作為礦山的主要生產(chǎn)運(yùn)輸方式，是礦山立井提升系統(tǒng)的咽喉部位，副立井提升承擔(dān)著立井上下人員、設(shè)備與物料運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，是十分重要的礦山生產(chǎn)安全場(chǎng)所，現(xiàn)有罐籠是獨(dú)立運(yùn)行的封閉空間，運(yùn)行期間基本與外界隔絕，沒(méi)有信息聯(lián)絡(luò)。我國(guó)各類(lèi)礦山有近萬(wàn)個(gè)立井罐籠提升系統(tǒng)，其中絕大部分立井罐籠提升系統(tǒng)仍然沿用傳統(tǒng)的罐籠與裝備，罐籠內(nèi)部系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的裝備為人工手動(dòng)操作方式，罐籠與外部系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的由人工實(shí)現(xiàn)，其自動(dòng)化問(wèn)題一直困擾生產(chǎn)。因此罐籠內(nèi)部系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)裝備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與智能化，是亟待解決的重大問(wèn)題。針對(duì)上述現(xiàn)狀與問(wèn)題，設(shè)計(jì)推廣應(yīng)用了自鎖式雙向動(dòng)力自動(dòng)罐簾門(mén)，改變了立井罐籠提升系統(tǒng)的傳統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)模式與理念，實(shí)現(xiàn)了立井罐籠提升系統(tǒng)的自動(dòng)化與智能化。

1 改造原因

副立井井筒凈直徑6.0 m，提升高度130 m，裝備一對(duì)2 t礦車(chē)罐籠，擔(dān)負(fù)礦井一水平輔助提升任務(wù)。副立井原罐籠門(mén)采用8 根直徑16 mm 鍍鋅鋼管組合軟鏈條形成簾子結(jié)構(gòu)，每根鋼管兩端焊接直徑35 mm 環(huán)套在罐籠門(mén)兩側(cè)約束滑道上下，開(kāi)啟和關(guān)閉操作均采用人工手動(dòng)操作，且雨季井筒內(nèi)臨水較大，操作方式繁瑣，存在安全隱患。為解決上述問(wèn)題，與技術(shù)部門(mén)聯(lián)合攻關(guān)，為適應(yīng)立井罐籠提升系統(tǒng)中井口、井底罐籠的罐簾門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉要求，設(shè)計(jì)并應(yīng)用立井罐籠自鎖式雙向動(dòng)力自動(dòng)罐簾門(mén)，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修量小、安裝方便、遙控操作、使用安全可靠等特點(diǎn)。

2 立井罐籠自鎖式雙向動(dòng)力自動(dòng)罐簾門(mén)各部分構(gòu)造

智能控制系統(tǒng)由自動(dòng)罐簾門(mén)、智能控制、能源、吸能阻+抱車(chē)鎖定、應(yīng)急無(wú)線通信系統(tǒng)五部分組成。

2.1 自動(dòng)罐簾門(mén)

2.1.1 結(jié)構(gòu)組成

自動(dòng)罐簾門(mén)主要由罐內(nèi)門(mén)檔機(jī)構(gòu)、門(mén)擋導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)鏈條、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源、電控系統(tǒng)等組成（圖1）。

圖1 自動(dòng)罐簾門(mén)原理

2.1.2 工作原理

自動(dòng)罐簾門(mén)驅(qū)動(dòng)裝置安裝在罐籠盤(pán)體內(nèi)部。罐籠進(jìn)出車(chē)方向立柱上焊接上下固定角鋼，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及門(mén)擋滑道采用螺栓固定在焊接角鋼上。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部鏈輪之間安裝傳動(dòng)鏈條。門(mén)擋機(jī)構(gòu)及從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)安裝在門(mén)擋滑道內(nèi)部，其中從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)安裝在門(mén)擋機(jī)構(gòu)滑道下方。在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈輪與從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)之間連接驅(qū)動(dòng)鏈條，驅(qū)動(dòng)鏈條兩端接頭處連接在門(mén)擋機(jī)構(gòu)底部擋桿上，形成無(wú)級(jí)傳動(dòng)鏈。

罐籠到位，打開(kāi)罐簾門(mén)時(shí)，遙控操作驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)正轉(zhuǎn)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)鏈條的作用，驅(qū)動(dòng)鏈條拉動(dòng)門(mén)擋機(jī)構(gòu)底部擋桿向上運(yùn)動(dòng)，底部擋桿依次帶動(dòng)各擋桿向上運(yùn)動(dòng)，罐簾門(mén)打開(kāi)。關(guān)閉罐簾門(mén)時(shí)，遙控操作驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)鏈條的作用，驅(qū)動(dòng)鏈條拉動(dòng)門(mén)擋機(jī)構(gòu)底部擋桿向下運(yùn)動(dòng)，底部擋桿依次帶動(dòng)各擋桿向下運(yùn)動(dòng)，罐簾門(mén)關(guān)閉。

2.1.3 安裝與調(diào)試

自動(dòng)罐簾門(mén)安裝時(shí)需要以安裝布置圖為基礎(chǔ)，對(duì)該裝置安裝進(jìn)行系統(tǒng)安裝。

（1）罐籠立柱上焊接上下固定角鋼。按照?qǐng)D紙要求首先在罐籠立柱上焊接上下固定角鋼，注意角鋼地面與罐籠盤(pán)體底部在同一水平位置，高度誤差不得超過(guò)2 mm，上下固定角鋼之間留有安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及門(mén)擋滑道的空間，焊接必須牢固、可靠。

（2）安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及門(mén)擋滑道。在上固定角鋼上采用螺栓固定安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和下固定角鋼之間安裝門(mén)擋滑道，門(mén)擋滑道在罐籠兩側(cè)都要安裝，緊固螺栓前，調(diào)整門(mén)擋滑道的間距及垂直度。其中，兩側(cè)門(mén)擋滑道的間距誤差不超過(guò)2 mm。

（3）驅(qū)動(dòng)鏈條、從動(dòng)鏈輪安裝。按圖紙要求截取需要的驅(qū)動(dòng)鏈條長(zhǎng)度（節(jié)數(shù)）。在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈輪與從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)鏈輪之間連接驅(qū)動(dòng)鏈條，驅(qū)動(dòng)鏈條的兩端接頭連接在門(mén)擋機(jī)構(gòu)底部擋桿鏈條耳板上。調(diào)整驅(qū)動(dòng)鏈條的張緊度與門(mén)擋機(jī)構(gòu)底部擋桿水平度。

（4）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝。按圖紙要求截取傳動(dòng)鏈條長(zhǎng)度（節(jié)數(shù)），把驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)放入罐籠盤(pán)體內(nèi)部后，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈輪與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈輪之間安裝傳動(dòng)鏈條，調(diào)整驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)于罐籠中心的對(duì)稱(chēng)度與傳動(dòng)鏈條的松緊度，合適后把驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定板焊接在罐籠上，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與之固定螺栓擰緊固定。

（5）門(mén)擋機(jī)構(gòu)安裝。把門(mén)擋機(jī)構(gòu)上部擋桿整體放入門(mén)擋滑道內(nèi)部，并采用連板與底部擋桿連接。

（6）電源控制箱安裝。在罐籠上盤(pán)體內(nèi)部、檢修門(mén)正下方焊接電源控制箱固定梁，電源控制箱采用螺栓與之固定。

（7）接線。電源控制箱內(nèi)部已經(jīng)安裝了電控系統(tǒng)與蓄電池，在對(duì)應(yīng)接線端子位置與驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)之間安裝動(dòng)力電纜。

（8）調(diào)試。按下遙控器上罐簾門(mén)“開(kāi)”按鈕，觀察罐簾門(mén)是否開(kāi)啟，如果是關(guān)閉運(yùn)動(dòng)，則需改變電機(jī)電源極性。罐簾門(mén)打開(kāi)后觀察底部擋桿水平度，如果出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象則需調(diào)整驅(qū)動(dòng)鏈條位置，直至擋桿水平。

2.2 智能控制系統(tǒng)

2.2.1 結(jié)構(gòu)組成

智能控制系統(tǒng)由主控箱、無(wú)線收發(fā)器（多功能接收器/無(wú)線模塊）、手持遙控器、信號(hào)房收發(fā)器、位置/計(jì)數(shù)傳感器、井筒到位傳感器（防爆磁性接近開(kāi)關(guān)與控制磁鋼組合）、信號(hào)電纜等構(gòu)成。主控箱由防爆外殼、防爆隔纜頭、銘牌、接地極、電源開(kāi)關(guān)、顯示窗口、微處理器、無(wú)線收發(fā)器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等部件構(gòu)成（圖2）。

圖2 主控箱

2.2.2 無(wú)線收發(fā)器

無(wú)線收發(fā)器由外殼、微處理器、外置天線、指示燈及輸入輸出接口等組成（圖3）。

圖3 主、從無(wú)線收發(fā)器

2.2.3 手持遙控器

手持遙控器由外殼、微處理器、外置天線、指示燈、顯示、停止、鎖罐、解罐、罐門(mén)開(kāi)關(guān)、阻車(chē)開(kāi)關(guān)、電源開(kāi)關(guān)等按鍵組成。

2.2.4 信號(hào)房操作臺(tái)

信號(hào)房操作臺(tái)控制面板由停止、罐門(mén)開(kāi)/關(guān)和阻車(chē)開(kāi)/關(guān)以及提人/提物轉(zhuǎn)換等開(kāi)關(guān)、按鍵及指示燈組成（圖4）。

2.3 能源供電結(jié)構(gòu)

能源供電結(jié)構(gòu)（無(wú)線供電）由鋰電池、無(wú)線充電發(fā)射器（發(fā)射模組）、無(wú)線發(fā)射板、無(wú)線接收板、無(wú)線充電器（接收模組）、天線、無(wú)線自動(dòng)對(duì)位支架和無(wú)線充電保護(hù)防爆合等構(gòu)成。其中，鋰電池包括外殼、充電口、放電口、銘牌、把手和保護(hù)板等部件。發(fā)射盤(pán)和接收盤(pán)如圖5 所示，總體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖5 接收盤(pán)和發(fā)射盤(pán)

圖6 能源供電總體結(jié)構(gòu)

接收板、接收模組和鋰電池安裝在罐籠上，隨罐籠移動(dòng)；發(fā)射板和發(fā)射模組安裝在井架上，發(fā)射板可上下動(dòng)。罐籠移動(dòng)到正常停車(chē)位時(shí)帶動(dòng)發(fā)射板自動(dòng)對(duì)位接收板；發(fā)射模組由外部交流電降壓整流供電，同時(shí)，發(fā)射模組的微處理器通過(guò)天線一直發(fā)射對(duì)位信號(hào)；接收模組由鋰電池降壓供電，接收模組微處理器一直等待接收對(duì)位信號(hào)，接收對(duì)位信號(hào)范圍為1 m 左右；接收模組微處理器收到對(duì)位信號(hào)后，經(jīng)過(guò)20 s 左右判斷確認(rèn)后，通過(guò)天線發(fā)出返回信號(hào)，發(fā)射模組微處理器收到返回信號(hào)，通過(guò)發(fā)射模組微處理器使電能轉(zhuǎn)換成磁能，并控制發(fā)射板以電磁波形式傳輸出去；接收板感應(yīng)到磁場(chǎng)變換產(chǎn)生電流，電流的變化信號(hào)使接收模組微處理器返饋給發(fā)射模組微處理器，使發(fā)射板與接收板之間形成磁耦合，產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，使接收板產(chǎn)生的電流給鋰電池充電。接收微處理器根據(jù)接收板和發(fā)射板之間距離，以及檢測(cè)鋰電池電壓高低采集的信號(hào)，無(wú)線反饋給發(fā)射模組微處理器，發(fā)射模組微處理器控制磁場(chǎng)強(qiáng)弱變換，從而控制充電電流大小，就構(gòu)建了一套無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。

2.4 吸能阻+抱車(chē)鎖定機(jī)構(gòu)

吸能阻+抱車(chē)鎖定機(jī)構(gòu)由吸能阻、抱車(chē)鎖定、絲杠、扭矩限制器、彈簧、調(diào)節(jié)螺母、電機(jī)、減速機(jī)等組成（圖7）。

圖7 吸能阻+抱車(chē)鎖定機(jī)構(gòu)

提物時(shí)，當(dāng)罐籠到達(dá)正常停車(chē)位時(shí)，罐籠到位開(kāi)關(guān)接通，罐籠到位開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)給微處理器，微處理器一直循環(huán)判斷罐籠是否到位。微處理器收到到位信號(hào)，到位信號(hào)接通，給信號(hào)輸入繼電器供電DC 24 V；給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電DC 48 V，電機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，否則電機(jī)不得電。自動(dòng)發(fā)出鎖罐信號(hào)或手動(dòng)發(fā)出鎖罐信號(hào)給打點(diǎn)房，檢查鎖罐信號(hào)。如果檢測(cè)到已鎖罐信號(hào)，則鎖住打點(diǎn)房打點(diǎn)信號(hào)，不能給絞車(chē)房發(fā)運(yùn)行（動(dòng)罐）信號(hào)。

若在手動(dòng)提物位置，礦車(chē)出（卸）車(chē)時(shí)，井口信號(hào)房或手持遙控器發(fā)出無(wú)線工作信號(hào)，例如退出阻車(chē)信號(hào)給主控箱，主控箱內(nèi)部微處理器接收到無(wú)線退出阻車(chē)信號(hào)，接著判斷是否在提物位置。如果是，自動(dòng)鎖住提人控制程序；退出阻車(chē)信號(hào)在微處理器內(nèi)部按退出阻車(chē)程序執(zhí)行，微處理器輸出使能退出阻車(chē)信號(hào)和反向信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)減速機(jī)、扭矩限制器、絲杠、絲杠帶動(dòng)抱車(chē)鎖定機(jī)構(gòu)后退。當(dāng)抱車(chē)鎖定機(jī)構(gòu)接近吸能阻時(shí)，抱車(chē)鎖定機(jī)構(gòu)的撥叉自動(dòng)嵌入吸能阻，帶動(dòng)吸能阻向下翻轉(zhuǎn)自動(dòng)歸位而停止。接著推車(chē)機(jī)可以把礦車(chē)推出。

礦車(chē)進(jìn)（裝）車(chē)時(shí)，在進(jìn)車(chē)前井口信號(hào)房或手持遙控器發(fā)出阻車(chē)擋車(chē)信號(hào)，擋車(chē)信號(hào)根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)或軟件編寫(xiě)要求，自動(dòng)持續(xù)0.95～1 s。微處理器收到阻車(chē)擋車(chē)信號(hào)，發(fā)出正轉(zhuǎn)使能信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)抱車(chē)鎖定機(jī)構(gòu)前進(jìn)，同時(shí)抱車(chē)鎖定機(jī)構(gòu)帶動(dòng)吸能阻向上翻轉(zhuǎn)，持續(xù)0.95～1 s，剛好到位停止，這時(shí)抱車(chē)鎖定機(jī)構(gòu)的阻車(chē)邊緣滯后吸能阻的擋車(chē)邊緣10 mm 左右停止。接著推車(chē)機(jī)推礦車(chē)進(jìn)罐，礦車(chē)前輪轂抵住吸能阻緩沖而停止。井口信號(hào)房或手持遙控器再發(fā)出阻車(chē)信號(hào)，抱車(chē)鎖定機(jī)構(gòu)繼續(xù)前進(jìn)抱車(chē)，同時(shí)抱車(chē)鎖定機(jī)構(gòu)的撥叉此時(shí)開(kāi)始脫離吸能阻，抱車(chē)鎖定機(jī)構(gòu)抱車(chē)到位停止。

若在自動(dòng)提物位置，自動(dòng)啟動(dòng)油泵，解鎖阻車(chē)器和推車(chē)機(jī)，接著自動(dòng)放下?lián)u臺(tái)和自動(dòng)打開(kāi)安全門(mén)。搖臺(tái)和安全門(mén)均到位后，裝卸車(chē)準(zhǔn)備到位。裝卸車(chē)和手動(dòng)裝卸車(chē)一樣。手持遙控器也可顯示裝卸車(chē)到位信號(hào)（根據(jù)實(shí)際配置情況）。裝車(chē)完畢，手動(dòng)發(fā)出裝卸車(chē)完成信號(hào)，3～5 s 后自動(dòng)發(fā)出自動(dòng)升起搖臺(tái)和自動(dòng)關(guān)閉安全門(mén)。自動(dòng)或手動(dòng)解鎖信號(hào)打點(diǎn)系統(tǒng)，否則打點(diǎn)房不能給絞車(chē)房發(fā)運(yùn)行（動(dòng)罐）信號(hào)。

2.5 應(yīng)急無(wú)線通信系統(tǒng)

應(yīng)急無(wú)線通信系統(tǒng)由主服務(wù)器、麥克風(fēng)、呼叫終端、無(wú)線網(wǎng)橋、網(wǎng)橋（定向）天線、音箱、路由器、網(wǎng)線等組成（圖8）。

圖8 應(yīng)急無(wú)線通信系統(tǒng)

當(dāng)絞車(chē)提升控制系統(tǒng)故障，罐籠提人恰好停在井筒中間位置不能運(yùn)行時(shí)，應(yīng)急無(wú)線通信系統(tǒng)可以通過(guò)A 呼叫終端呼叫罐籠里面的人員，聲音信號(hào)為模擬音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)采集、量化、編碼、壓縮成數(shù)字音頻信號(hào)，通過(guò)主服務(wù)器、D 網(wǎng)橋天線+無(wú)線網(wǎng)橋用高頻信號(hào)作為載波發(fā)出無(wú)線電磁波信號(hào)；C 網(wǎng)橋天線+無(wú)線網(wǎng)橋無(wú)線接收到無(wú)線電磁波信號(hào)后，傳給B 呼叫終端采樣分析、解調(diào)、放大處理成音頻信號(hào)給音箱，通過(guò)音箱發(fā)出聲音，使罐籠里面的人員可以聽(tīng)到A 呼叫終端呼叫；罐籠里面的人員可以按B 呼叫終端上的“呼叫”按鈕與A 呼叫終端人員對(duì)話；同樣B 呼叫終端也可事先發(fā)出求救信號(hào)給A 呼叫終端。

平時(shí)B 呼叫終端+音箱可以當(dāng)作音頻播放器，用于安全宣傳廣播等。

主服務(wù)器、麥克風(fēng)和A 呼叫終端安放在絞車(chē)房或調(diào)度室，音箱和B 呼叫終端放在罐籠里，C 網(wǎng)橋天線+無(wú)線網(wǎng)橋安裝在罐籠頂部，D 網(wǎng)橋天線+無(wú)線網(wǎng)橋安裝在井架過(guò)卷過(guò)放裝置上部。

3 使用方法與注意事項(xiàng)

設(shè)備調(diào)試合格后方可投入正常使用。首次使用遙控功能時(shí)，首先打開(kāi)遙控器上急停旋鈕，操作方法是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)急停旋鈕，使旋鈕彈起，然后按下遙控器上的“START”綠色按鈕，進(jìn)入遙控工作模式。在遙控工作模式可以操作對(duì)應(yīng)的罐簾門(mén)關(guān)閉與開(kāi)啟按鈕，控制罐簾門(mén)動(dòng)作。

裝卸大件物品時(shí)，由于大件物品可能超高，可拆下罐簾門(mén)門(mén)擋底部擋桿銷(xiāo)軸，把上部其他擋桿抽出。然后遙控操作罐簾門(mén)開(kāi)啟，直至底部擋桿運(yùn)行至傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位置，以便裝卸大件物品。裝卸工作完成后，再裝入上部擋桿。

蓄電池更換方法：打開(kāi)上盤(pán)內(nèi)部安裝的電源控制箱，拔下蓄電池與電控系統(tǒng)之間的電源插頭，提出蓄電池后放入備用蓄電池，插入電源插頭，蓄電池更換完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

立井罐籠自鎖式雙向動(dòng)力自動(dòng)罐簾門(mén)在副井運(yùn)行近一年時(shí)間，通過(guò)多次調(diào)試和改進(jìn)，現(xiàn)已能夠穩(wěn)定運(yùn)行，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并具有適應(yīng)性強(qiáng)、安全可靠、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。首次將罐門(mén)、罐內(nèi)阻車(chē)、應(yīng)急通信、無(wú)線充電及危險(xiǎn)識(shí)別進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)與智能控制，并實(shí)現(xiàn)與外部關(guān)聯(lián)設(shè)備及系統(tǒng)的信息互聯(lián)互通，符合立井罐籠提升系統(tǒng)智能化發(fā)展要求。開(kāi)發(fā)的罐內(nèi)危險(xiǎn)識(shí)別技術(shù)和裝備能識(shí)別人的危險(xiǎn)狀態(tài)，提高應(yīng)急處置的及時(shí)性。采用定點(diǎn)智能無(wú)線充電方式，有效解決了電能供給難題。設(shè)計(jì)罐籠應(yīng)急通信系統(tǒng)，用于異常狀態(tài)下罐內(nèi)乘員進(jìn)行自救逃生。此外，應(yīng)急通信系統(tǒng)還可用于罐籠檢修的輔助，實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)與罐外的實(shí)時(shí)通信聯(lián)絡(luò)，保證檢修作業(yè)的安全性。