露天礦鉆機電纜智能收放技術(shù)

馬連成，陸占國，鐘 浩，沈友碩，楊興月，孫效玉，王仁炎

（1.鞍鋼礦業(yè)集團 齊大山鐵礦,遼寧 鞍山 114000；2.東北大學(xué) 智慧礦山研究中心，遼寧 沈陽 110819）

鉆機作為一種重要的工程機械，在采礦、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域扮演著關(guān)鍵的角色。其中電纜的卷取和釋放是1 個重要的過程，由于電纜線截面大、拖曳距離遠，人工拖拽勞動強度大、效率低、需要多人配合，且拖曳過程容易導(dǎo)致電纜破損或放電引起安全事故，直接影響鉆機的作業(yè)效率和安全性。

電纜卷筒是為大型移動設(shè)備提供動力電源、控制電源或控制信號的電纜卷繞裝置[1-4]，適用于需要移動電纜供電的各種場所，廣泛應(yīng)用于起重、船舶、港口、礦山、冶金、工業(yè)自動化隧道、架橋、市政工程、礦油勘探和井下作業(yè)等行業(yè)和區(qū)域的供電設(shè)備上。有些礦山采用電纜卷筒方式為鉆機供電，一定程度上提高了鉆機的工作效率與安全性[5]。傳統(tǒng)的電纜管理方式存在效率低、安全風(fēng)險高的問題，因此，實現(xiàn)鉆機的遠程無人自動化作業(yè)，研究智能電纜收放系統(tǒng)是一項迫切需要的技術(shù)創(chuàng)新。

1 自動收放纜技術(shù)

1.1 電纜自動收放設(shè)備及工作方式

目前國內(nèi)關(guān)于鉆機電纜智能收放裝置的研究報道較少，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的最新發(fā)展現(xiàn)狀[6-8]，適合鉆機電纜自動收放的裝置主要有以下2 種：

1）獨立電纜收放車。由電纜收放部分、控制部分、行走部分、測距拖曳部分等4 部分組成。電纜收放車與鉆機相互獨立，電纜收放車和鉆機配合完成行走與收放纜工作。

2）后置式卷纜裝置。由電纜收放部分、控制部分2 部分組成。卷纜裝置整體安置在鉆機的適當(dāng)位置，與鉆機融為一體。

電纜收放車的優(yōu)點是電纜收放設(shè)備相對獨立，并可以作為移動式的高壓電源為其他設(shè)備進行供電；缺點是價格貴，與鉆機配合控制復(fù)雜。而后置式卷纜裝置的優(yōu)點是與鉆機緊密結(jié)合，操作簡單，智能控制容易，價格便宜，比電纜收放車性價比高。

1.2 卷筒驅(qū)動方式

電纜卷筒驅(qū)動主要有配重式、力矩電機式、磁滯式、變頻傳動式[9]。其中前3 種為恒轉(zhuǎn)矩方式，第4種為恒張力方式。

恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動方式在任何時候傳遞到卷筒的轉(zhuǎn)矩都是相同的。鉆機在行走卷纜時，電纜在卷筒上的半徑是從最小到最大變化的。根據(jù)力學(xué)平衡方程F＝M/R。式中：F 為電纜所受張力；M 為卷筒所受轉(zhuǎn)矩；R為電纜在卷筒上半徑。如果轉(zhuǎn)矩M 不變，則電纜所受拉力和電纜在卷筒上的半徑成反比，因此電纜在空盤與滿盤運行時的拉力相差很大，容易造成電纜拉力損壞，縮短電纜使用壽命。

為消除恒轉(zhuǎn)矩電纜卷筒對電纜所受拉力變化的缺點，需要找到1 種電纜拉力基本恒定的電纜卷筒驅(qū)動方式。根據(jù)公式F＝M/R 可知，要實現(xiàn)拉力不變，則需要卷筒轉(zhuǎn)矩隨著電纜在卷筒卷繞的半徑變化而變化。

2 恒張力或恒轉(zhuǎn)矩控制模型及控制方法

2.1 卷纜速度

卷纜速度取決于卷筒卷繞轉(zhuǎn)速、卷筒半徑與卷繞電纜半徑。對電纜排線進行分析[10]，卷纜排列示意圖如圖1。

圖1 卷纜排列示意圖

式中：Vi為電纜線卷繞到每層的線速度，m/min；i＝1，…，n；n 為卷筒最大卷纜層數(shù)；ω 為卷筒角速度，轉(zhuǎn)/min；d0為電纜直徑，m；d 為卷筒直徑，m。

為使電纜排線緊密而平整（沒有空隙和壓線情況），則滿足下式：

式中：ΔV 為相鄰層間的線速度變化量，m/min。

式中：ΔT 為卷筒轉(zhuǎn)動1 圈的時間，min。

2.2 卷纜張力或轉(zhuǎn)矩

對卷纜過程分析可知，電動機提供牽引動力，電纜從卷筒下垂的自身重力、電纜與地面的摩擦力、電纜懸空繃緊的張力提供阻力。當(dāng)牽引力大于阻力時，進行卷纜；當(dāng)阻力大于牽引力時，進行放纜；二力平衡，電纜不動則：

式中：M 為電機到卷筒的輸出轉(zhuǎn)矩，kN·m；N 為電機到卷筒的輸出功率，kW；F 為電纜張力，kN。

以第1 圈電纜為例進行分析。根據(jù)式（1），可得：

分別代入式（6）、式（7）得：

轉(zhuǎn)矩M 或張力F 均與電機輸出功率N 成正比，與卷纜轉(zhuǎn)速ω、速度Vi成反比。在50 Hz 以下時，張力或轉(zhuǎn)矩是與頻率成正比變化的；當(dāng)頻率達到50 Hz 時，電機達到最大輸出功率，即額定功率，此時張力或轉(zhuǎn)矩也達到最大值；如果頻率在50 Hz 以后再繼續(xù)增加，則張力或轉(zhuǎn)矩與頻率成反比變化，因為輸出功率繼續(xù)增加頻率，張力或轉(zhuǎn)矩則明顯會減小。因此根據(jù)實際需要，設(shè)置好電機的額定功率，使卷筒工作功率不超過電機的額定功率，通過調(diào)整頻率，保持恒轉(zhuǎn)矩或恒張力。

2.3 卷纜張力或轉(zhuǎn)矩控制方法選擇

由式（9）、式（10）可知，在恒轉(zhuǎn)速情況下，轉(zhuǎn)矩與張力均與電機輸出功率成正比，但張力同時還與卷纜半徑成反比，控制轉(zhuǎn)矩更簡單；在恒線速情況下，轉(zhuǎn)矩與張力同樣均與電機輸出功率成正比，但轉(zhuǎn)矩還與卷纜半徑成正比，控制張力更簡單。

顯然，恒轉(zhuǎn)速方法較恒線速更簡單，容易實現(xiàn)，但在卷纜層數(shù)較多時，內(nèi)層張力與外層張力會相差較大。因此如果卷纜層數(shù)較多，如深井開采、電纜鋪設(shè)施工等大型卷纜設(shè)備，需要采用恒線速方法。由于鉆機電纜相對卷纜半徑較小，且卷纜層數(shù)通常不超過3 層，內(nèi)外層張力差距不大，可采用恒轉(zhuǎn)速控制方法。

2.4 變頻控制

恒張力變頻控制原理如圖2。

圖2 恒張力變頻控制原理

電纜卷筒的控制系統(tǒng)由張力控制專用變頻器、三相異步電機、減速機、各類檢測單元等組成，使電纜在卷放和換向過程中所受張力基本恒定。變頻器的張力控制采用開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式，開環(huán)是指沒有張力反饋信號，變頻器僅靠控制電機輸出轉(zhuǎn)矩即可達到控制目的；轉(zhuǎn)矩控制模式是指變頻器控制的是電機的轉(zhuǎn)矩，而不是頻率，輸出頻率跟隨電纜的速度自動變化。顯然，電纜上張力來源于卷筒的轉(zhuǎn)矩，由公式F＝M/R 可知，如果能根據(jù)卷徑的變化調(diào)整卷筒的轉(zhuǎn)矩，就可以控制電纜上的張力。

與開環(huán)轉(zhuǎn)矩模式有關(guān)的功能模塊如下：

1）張力設(shè)定部分。根據(jù)最大懸垂長度＋20 m 的電纜質(zhì)量設(shè)定張力。

2）卷徑計算部分。通過排線器獲取電纜卷繞層數(shù)，依據(jù)卷筒直徑、電纜直徑、卷繞層數(shù)、減速箱減速比等參數(shù)進行綜合運算，對電動機進行轉(zhuǎn)矩調(diào)整，達到精細控制張力的目的。

3）轉(zhuǎn)矩補償部分。變頻器中慣量補償部分通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，自動地根據(jù)加減速率進行轉(zhuǎn)矩補償，使系統(tǒng)在加減速過程中仍獲得穩(wěn)定的張力，補償系統(tǒng)阻力對張力產(chǎn)生的影響。

3 系統(tǒng)組成與應(yīng)用

通過對現(xiàn)場設(shè)備進行評估和測量，選用后置式卷纜裝置，確定最終方案如下：在鉆機前部增加自動收放纜的卷纜裝置，既實現(xiàn)行走過程的自動收、放電纜，避免電纜拖地及損傷電纜；又避免前部整體過重，鉆機整機不平衡，行走負荷過大等問題。

3.1 系統(tǒng)組成

電纜卷筒總成組成示意圖如圖3。

圖3 電纜卷筒總成組成示意圖

系統(tǒng)由電纜卷筒、變頻控制器、電動機、減速器、排線器、滑環(huán)組件、集電環(huán)及控制箱等組成。

1）電動機。電動機為三相異步電動機，受變頻器控制，和減速箱搭配輸出合適的轉(zhuǎn)矩和張力，驅(qū)動卷筒運轉(zhuǎn)。

2）減速機。減速機是卷筒傳動系統(tǒng)中重要部件，采用蝸輪蝸桿加液力耦合方式。電動機的轉(zhuǎn)矩通過與蝸輪蝸桿減速系統(tǒng)結(jié)合在一起的液力耦合器傳送到減速機輸出軸上。減速機根據(jù)實際需要輸出合適的減速比，輸出轉(zhuǎn)矩滿足卷筒最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。①根據(jù)電纜張力的大小自動調(diào)節(jié)卷筒輸出的轉(zhuǎn)矩大小，并在卷筒停止時剎住卷筒；②保證卷筒卷線速度與主機行走同步：當(dāng)鉆機行走速度小于卷筒卷收的速度時，減速機內(nèi)部產(chǎn)生滑差來彌補卷筒和鉆機行走速度上的速度差，起到過載保護電纜的作用，可長時間的過載。

3）變頻器。高性能模塊化變頻器是整個控制系統(tǒng)的核心，變頻器安裝在控制箱內(nèi)。由于采用變頻控制技術(shù)，增加了檢測單元和智能化控制系統(tǒng)，出色的控制性能和良好的可靠性，保證了電纜卷筒運行的穩(wěn)定性，從根本上改善了電纜卷繞性能。用戶可根據(jù)實際需要調(diào)整轉(zhuǎn)矩/張力的大小。

4）電纜卷筒。根據(jù)電纜的直徑和長度選用合適的電纜卷筒。為了適應(yīng)戶外環(huán)境，提高防腐能力，電纜卷筒宜采用表面熱浸鋅工藝。

5）卷筒護罩。卷筒護罩的作用是保護變頻器、卷筒、電纜在現(xiàn)場不受飛石、雨淋的損傷。

6）排線器及排纜傳動機構(gòu)。排線器及排纜傳動機構(gòu)用于在卷纜或者放纜的時候，把電纜均勻地卷繞在卷筒上。其中排線器減速機與卷筒通過一定傳動比的鏈輪連接，使排線器總成的移動速度和卷筒卷收的速度匹配。在電纜卷繞層數(shù)發(fā)生變化時，將相關(guān)信息傳遞給變頻控制器，變頻控制器據(jù)此調(diào)整電動機輸出功率。

7）集電環(huán)與大架總成。集電環(huán)實現(xiàn)把電流由卷筒傳遞到鉆機，大架總成用來安裝和支撐所有的卷筒部件。

3.2 收放纜和鉆機行走同步控制

1）收纜。收纜時，根據(jù)收纜的拉力，調(diào)節(jié)減速機的輸出拉力，保證在能把電纜卷起的同時不損壞電纜。電纜卷筒匹配的電動機、減速器在卷筒內(nèi)徑收纜時的線速度高于鉆機最快運行速度，從而保證卷筒能及時主動同步收卷電纜。

2）放纜。放纜時，電纜靠拖拽實現(xiàn)放纜。減速機內(nèi)部的摩擦力會使電纜保持一定的張力，保證電纜放纜時電纜不會不受控的松落。放纜時電機仍輸出收卷轉(zhuǎn)矩，在電纜的拖拽下，卷筒被動同步放出電纜，此時作用在電纜上的拉力仍大于電纜重力，保證電纜不會滑出。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用

卷筒內(nèi)徑900 mm，外徑1 200 mm，卷繞電纜長度200 m，收放速度0～35 m/min，防護等級IP65，安裝在2 臺牙輪鉆機上。從質(zhì)量平衡的角度，將卷纜設(shè)備安裝在與立起鉆架相反的鉆機前部。經(jīng)過近1 年的應(yīng)用，卷筒收放纜智能自如，排線整齊，既提高了收放纜效率，又減少了電纜損傷，效果良好。

4 結(jié)語

1）電纜收放設(shè)備有獨立電纜收放車與后置式電纜收放裝置2 種形式，根據(jù)鉆機空間特點，采用與鉆機緊密結(jié)合的后置式當(dāng)時，經(jīng)濟實惠，操作控制簡單，便于電纜智能收放的實現(xiàn)。

2）通過變頻器動態(tài)調(diào)整電動機輸出扭矩方式有效控制電纜張力，通過減速機內(nèi)部滑差方式調(diào)整卷筒和鉆機行走速度的差異性，實現(xiàn)簡單，使用維護方便。

3）系統(tǒng)收放電纜自如，排線規(guī)整有序，顯著提高鉆機行走工作時效，有效避免碾壓電纜與漏電傷人等安全事故的發(fā)生，應(yīng)用效果良好。