劉建良 趙 波

(國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)開拓準(zhǔn)備中心，陜西省榆林市，719315)

管線安裝一般主要有焊接、除銹刷漆、裝卸運(yùn)輸、打預(yù)埋孔、安裝預(yù)埋件、安裝管道6個(gè)工序，一般的作業(yè)方式如下：管道法蘭或管道對(duì)接焊接采用手工電弧焊，除銹刷漆采用手工除銹和刷漆，裝卸運(yùn)輸采用人工裝卸板車運(yùn)輸，打預(yù)埋孔采用電鉆或液壓鉆人工打眼，安裝預(yù)埋件采用自制平臺(tái)登高并人工推移平臺(tái)，安裝管道采用手拉吊鏈起吊并人工推移就位。管線安裝這6個(gè)工序普遍存在作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、職業(yè)健康危害大、作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高、質(zhì)量無法保證等缺點(diǎn)。

國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦四盤區(qū)的煤層厚度在7.95～9.25 m之間，平均厚度可達(dá)9.11 m，屬于特厚煤層，煤層傾角為1°～3°，屬較穩(wěn)定煤層。經(jīng)過科學(xué)論證，神東公司決定在上灣煤礦上馬8.8 m超大采高智能綜采工作面。這一項(xiàng)目成為目前世界上一次采全高最高、單面產(chǎn)量最大、自動(dòng)化回采率最高的綜采工作面。然而隨之而來的是對(duì)綜采面配套各系統(tǒng)的管道、纜線的安裝方式及安裝高度也發(fā)生了變化。超大采高綜采面安裝時(shí)所使用的特種車輛最寬為4.5 m，最高為3.2 m，所以要求工作面輔助運(yùn)輸巷內(nèi)各系統(tǒng)管道及纜線最低安裝高度不得低于3.5 m，傳統(tǒng)的安裝方式和安裝設(shè)備已無法滿足超大采高綜采面管線安裝高度的要求。

神東礦區(qū)采掘工作面機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化水平不斷提升，采掘速度也不斷提高，然而與采掘工作面配套的供風(fēng)、供排水、供電、注漿、注氮等系統(tǒng)的管線安裝仍采用手工焊接刷漆、人工裝卸、手動(dòng)打眼、人拉肩扛的安裝方式，這種安裝方式速度較慢，因此影響了采掘工作面的配套安裝進(jìn)度?；诖?，根據(jù)管線安裝工序和超大采高工作面的特點(diǎn)，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研論證，研發(fā)了管道切割除銹刷漆一體機(jī)、管道自動(dòng)焊接機(jī)、防爆管道吊運(yùn)車、防爆預(yù)埋孔鉆車、防爆升降平臺(tái)車、防爆管道抓舉車等機(jī)電安裝成套設(shè)備，以滿足不同高度、不同安裝條件的管線安裝，解決超大采高綜采面管線安裝高度高、配套管線安裝速度慢的難題，從而達(dá)到提高安裝速度、提升安裝效率、保證作業(yè)安全、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提升經(jīng)濟(jì)效益“上裝備、保安全、提效益”的目的。

1 管道切割除銹刷漆一體機(jī)的研發(fā)及應(yīng)用

管道切割除銹刷漆一體機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)管道切割、除銹、刷漆的機(jī)械化作業(yè)，避免人工除銹刷漆帶來的職業(yè)健康危害和環(huán)境污染[1]，不僅可以降低員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可以提高作業(yè)效率。

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

管道切割除銹噴漆一體機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：結(jié)構(gòu)尺寸為1500 mm×700 mm×1820 mm，適用管道長度為5000～6000 mm，適應(yīng)管道直徑為100～400 mm，切割管道壁厚度為≤20 mm，噴漆厚度為80 m，噴漆供氣壓力為0.4～0.6 MPa，噪聲(聲壓級(jí))為80 dB(A)，系統(tǒng)工作電壓為380 V，主機(jī)行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為5.5 kW，液壓泵站電機(jī)功率為11 kW，除銹輪電機(jī)功率為7.5 kW。

1.2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

管道切割除銹噴漆一體機(jī)主要由管道固定支座及管道旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)支座、行走主機(jī)、工作臂、上下料機(jī)構(gòu)、控制箱、管道中間支撐架以及行走軌道等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管道切割除銹噴漆一體機(jī)總體結(jié)構(gòu)

1.2.1 固定支座及管道旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

固定支座的功能一是在處理管道時(shí)支撐管道的一端，起到固定張緊管道的作用，二是安裝驅(qū)動(dòng)管道旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使管道在處理過程中處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)[2]。管道旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在支座箱體內(nèi)。固定支座及管道旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。

1.2.2 移動(dòng)支座

移動(dòng)支座的功能是支撐管道并且可根據(jù)管道長度在軌道上來回移動(dòng)，在處理管道時(shí)要起到張緊管道的作用，主要包括的機(jī)構(gòu)有管道卡具、管道升降平臺(tái)、支座移動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

圖2 固定支座及管道旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.2.3 行走主機(jī)

行走主機(jī)的功能主要是搭載除銹切割以及噴

漆部件的工作臂行走，主要結(jié)構(gòu)包括行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及工作臂的連接機(jī)構(gòu)。為了滿足適應(yīng)不同直徑管道的處理，主機(jī)行走采用無級(jí)調(diào)速技術(shù)。根據(jù)管道在處理時(shí)的布置情況，工作臂鉸接與行走在主機(jī)的一側(cè)。

1.2.4 工作臂

工作臂主要安裝除銹鋼絲輪、等離子切割頭和油漆噴頭，采用箱式結(jié)構(gòu)，將除銹鋼絲輪、等離子切割頭以及油漆噴頭安裝于工作臂前部，后部為除塵裝置，整個(gè)工作臂鉸接與行走在主機(jī)上。工作臂結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 工作臂結(jié)構(gòu)

1.2.5 上下料機(jī)構(gòu)

上下料裝置由鉸接臂和控制油缸組成，工作時(shí)將管道放置在鉸接臂的前端，伸出控制油缸，當(dāng)管道升到與升降平臺(tái)同高度時(shí)，將管道滾到升降平臺(tái)，再由升降平臺(tái)將管道升高到與管道驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)卡具同等的高度。

1.2.6 控制箱

整套設(shè)備的電氣、液壓泵站以及液壓控制部分全部集中在控制箱內(nèi)，控制箱為箱式結(jié)構(gòu)，共分為3個(gè)空間，前部下半部分為電氣控制空間，前部上半部分為操作手柄、按鈕以及開關(guān)等，后半部分為液壓泵站與液壓控制閥空間。

1.3 應(yīng)用情況及效果

2016年6月，道切割除銹刷漆一體機(jī)在上灣煤礦安裝后進(jìn)行了應(yīng)用，DN100管道除銹刷漆共計(jì)4500根。在該設(shè)備未使用前，平均每班4名人員給DN100管道手工除銹刷漆，可以完成60根，人工工效為15根/人·班。使用該設(shè)備后，每班需2名作業(yè)人員，每班平均處理96根管道，人工工效為48根/人·班，該設(shè)備的人工工效是手工除銹刷漆的320%,且具有省人、省力、安全可靠、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可避免有害粉塵和有害氣體對(duì)員工健康的職業(yè)危害和環(huán)境污染。

2 管道自動(dòng)焊接機(jī)的研發(fā)及應(yīng)用

煤礦機(jī)電安裝中需要大量焊接各種管徑的鐵質(zhì)管道，管道焊接有管道-法蘭焊接與管道-管道焊接，無論是管道-法蘭焊接還是管道-管道焊接都因?yàn)楹覆氖菆A周而非是平面，在焊接中包含了平焊、立焊、仰焊等多種焊接技術(shù)，目前主要以人工焊接為主[3]。尤其是需要管道現(xiàn)場焊接對(duì)接，由人工完成焊接時(shí)效率更低，因此管道-法蘭焊接和管道-管道焊接影響著管道工程的安裝速度。因此研發(fā)管道自動(dòng)焊接機(jī)，既可以完成管道-法蘭焊接又可以完成管道-管道焊接的專用設(shè)備，以取代人工焊接。

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

管道自動(dòng)焊接機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：焊接管道直徑為150～800 mm，管壁厚度為6～20 mm，供電電壓為380/660 V，送絲方式為自動(dòng)，焊接方式為自動(dòng)/手動(dòng)，控制方式為無線遙控，無線遙控最小有效距離為50 m。

2.2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

管道自動(dòng)焊接機(jī)主要由焊接行走小車、焊接電源、焊接送絲裝置、自動(dòng)控制系統(tǒng)4部分組成，如圖4所示。

圖4 管道自動(dòng)焊接機(jī)組成

2.2.1 焊接行走小車

為了提高焊接效率，便于現(xiàn)場操作，焊接行走小車采用了磁性輪無軌式行走型式[4]。焊接行走小車主要由小車車體、左右擺動(dòng)臂、上下調(diào)節(jié)臂、永磁式行走輪、法蘭焊接工裝等5部分組成。永磁式行走輪由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)圍繞管道360°連續(xù)行走，左右擺動(dòng)臂用于控制不同寬度焊縫時(shí)焊槍的擺動(dòng)速度、擺動(dòng)幅度、兩端停留時(shí)間等，上下調(diào)節(jié)臂用于調(diào)節(jié)焊槍與焊接木材之間的距離，法蘭焊接工裝可以實(shí)現(xiàn)在焊接法蘭時(shí)調(diào)節(jié)焊槍角度的作用。同時(shí)焊接行走小車集成了自動(dòng)化控制收發(fā)系統(tǒng)，既可以接收自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，將指令傳給焊接電源和送絲機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接電流與送絲速度，又可以將當(dāng)前數(shù)據(jù)參數(shù)傳給自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.2.2 焊接電源

選用芬蘭KEMPPI公司的HiArc M 500 A焊機(jī)作為焊接電源，該焊機(jī)具有無論電源電壓如何波動(dòng)，都可保證焊接輸出的穩(wěn)定性、可調(diào)節(jié)性以及引弧可靠性。在焊接前和焊接期間，可遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)焊接參數(shù)的，并能很好地兼容自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

2.2.3 自動(dòng)送絲機(jī)

在焊接工藝方面，對(duì)各種工藝進(jìn)行了比較，確定了實(shí)心焊絲氣體保護(hù)焊與藥芯焊絲氣體保護(hù)焊的焊接工藝[5]。為了減少焊接小車的體積和負(fù)載、提高小車的行走平穩(wěn)度以及提高焊接質(zhì)量，送絲方式采用推送式。選用KEMPPI公司的HF 10P送絲機(jī)，該送絲機(jī)使用直徑為0.8～1.6 mm的填充焊絲,焊絲盤最大直徑為300 mm，送絲速度為0～21 m/min，可實(shí)現(xiàn)與焊接電源、焊接行走小車及自動(dòng)化控制系統(tǒng)的完美匹配。

2.2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)

焊接工藝參數(shù)主要包括焊接電流、焊接電壓、焊接小車的行走速度、送絲速度、焊槍的左右擺動(dòng)速度、焊槍擺動(dòng)到兩端的停留時(shí)間等[6]，在焊接過程中，由于焊點(diǎn)位置的不同，要求在整個(gè)環(huán)縫焊接過程中對(duì)焊接工藝參數(shù)要時(shí)刻進(jìn)行控制與調(diào)整[7]。自動(dòng)控制系統(tǒng)控制原理為：首先對(duì)管道不同位置的焊點(diǎn)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測試，然后擬合各焊接工藝參數(shù)沿全位置的變化曲線，在焊接過程中，由焊接小車的位置檢測器檢測其位置，根據(jù)擬合曲線在該位置的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行程序自動(dòng)控制，而對(duì)焊縫出現(xiàn)左右偏差或者當(dāng)焊接環(huán)境的溫度和風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)由人工遙控方式進(jìn)行調(diào)整，彌補(bǔ)無焊縫跟蹤功能的不足，以達(dá)到滿意的焊接質(zhì)量。

2.3 應(yīng)用情況及效果

2017年11月，管道自動(dòng)焊接機(jī)在上灣煤礦安裝一隊(duì)進(jìn)行了應(yīng)用，從直徑150 ～500 mm的管道進(jìn)行了管道對(duì)接環(huán)縫全位置自動(dòng)焊接和管道法蘭焊接，焊接效果非常理想。累計(jì)焊接600余條焊縫，焊接法蘭的效率是人工焊接的150%，管道對(duì)接環(huán)縫焊接的效率是人工焊接的300%，管道自動(dòng)焊接機(jī)的綜合效率是人工環(huán)節(jié)的200%，且焊縫質(zhì)量高、成型好且外形美觀。對(duì)焊縫進(jìn)行剖面檢查可見，焊縫剖面均勻、無任何焊接缺陷，焊縫質(zhì)量按照X射線探傷Ⅱ級(jí)檢測，合格率達(dá)到99%以上。管道自動(dòng)焊接機(jī)重量輕、操作簡便，只需進(jìn)行短暫的技術(shù)培訓(xùn)，就能操作該套設(shè)備，便于推廣使用。

3 防爆管道吊運(yùn)車研發(fā)及應(yīng)用

煤礦管道一般采用人工搬運(yùn)或手拉葫蘆起吊的裝車方式，存在占用人員多、裝卸效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。特別是較大管徑管道單根重量超過350 kg，人工搬抬困難，手拉葫蘆起吊工序繁瑣、效率極低，作業(yè)安全無法保障。防爆管道吊運(yùn)車是實(shí)現(xiàn)管道的機(jī)械裝卸和機(jī)械運(yùn)輸?shù)囊惑w化專用裝備，替代了原有的老式管道裝卸方式。

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

防爆管道吊運(yùn)車主要技術(shù)參數(shù)如下：外形尺寸(長×寬×高)為9835 mm×1960 mm×2300 mm，額定載重量為5 kg，最小轉(zhuǎn)彎半徑為8620 mm，最大爬坡能力為14°，最大行走速度為30 km/h，最大起吊重量為3.2 t，最大起升高度為7100 mm，折疊狀態(tài)高度為1630 mm，回轉(zhuǎn)角度為330°，驅(qū)動(dòng)方式為兩驅(qū)，停車制動(dòng)為彈簧制動(dòng)、液壓松閘，工作制動(dòng)為靜壓+多盤濕式制動(dòng)。

3.2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

防爆管道吊運(yùn)車主要由機(jī)架及車廂、隨車吊機(jī)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等4部分組成，其整體側(cè)視圖如圖5所示。

圖5 防爆管道吊運(yùn)車整體側(cè)視圖

3.2.1 機(jī)架及車廂

防爆吊運(yùn)車是在原防爆牽引車底盤上加裝吊運(yùn)裝置，為了布置吊機(jī)，將四輪驅(qū)動(dòng)改為兩輪驅(qū)動(dòng)，后機(jī)架、車廂、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)方式做了重新設(shè)計(jì)，使其能滿足吊機(jī)安裝后的各項(xiàng)性能參數(shù)。吊機(jī)安裝在后機(jī)架上，并配置兩只支撐腿，支撐腿安裝在后機(jī)架上以增加設(shè)備的抓地寬度和穩(wěn)定性[8]。

3.2.2 隨車吊機(jī)

隨車吊機(jī)安裝在后機(jī)架上，隨車吊機(jī)選用了進(jìn)口吊機(jī)，起重臂系統(tǒng)由內(nèi)臂和液壓伸縮臂兩部分組成。在起吊貨物時(shí)，先將兩只支撐腿支撐于地面上，通過操作吊機(jī)的控制閥來啟動(dòng)吊機(jī)起重臂的液壓舉升、伸縮及回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了貨物的升降、吊運(yùn)、回轉(zhuǎn)。在起吊貨物時(shí)應(yīng)使用盡可能短的吊臂，保證起吊安全性。同時(shí)可在吊臂末端加裝自制模具，可以實(shí)現(xiàn)管道、電纜的托舉，實(shí)現(xiàn)吊機(jī)的功能擴(kuò)展。

3.2.3 液壓系統(tǒng)

整車采用2套獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，一套供機(jī)車液壓驅(qū)動(dòng)及車輛轉(zhuǎn)向使用，一套供隨車吊機(jī)使用，在滿足吊機(jī)的吊裝動(dòng)作外預(yù)留一路液壓接口回路，供液壓鉆或液壓扳手使用。

3.2.4 電氣系統(tǒng)

本車電氣系統(tǒng)主要用于機(jī)車保護(hù)、電源自鎖、啟動(dòng)、熄火控制電路、照明和信號(hào)提示， 主要由發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)器、控制按鈕、鑰匙開關(guān)、MCDX-III 電源、電磁氣閥(啟動(dòng))、照明開關(guān)、照明燈、信號(hào)燈、倒車報(bào)警裝置、礦用柴油機(jī)車保護(hù)監(jiān)控儀(系統(tǒng))等設(shè)備組成。

3.3 應(yīng)用情況及效果

2017年5月開始，防爆吊運(yùn)車在上灣煤礦安裝一隊(duì)進(jìn)行了應(yīng)用，吊運(yùn)DN273管道共計(jì)1650根。使用防爆運(yùn)輸車和防爆管道吊運(yùn)車分別拉運(yùn)DN273管道，每車?yán)\(yùn)12根，防爆運(yùn)輸車采用頂板錨索掛吊鏈起吊管道的傳統(tǒng)裝管方式，每班需4人，每班拉運(yùn)2趟，人均裝運(yùn)工效為6根/人·班；防爆管道吊運(yùn)車隨車吊裝管道，每班2人，每班拉運(yùn)3趟，人均裝運(yùn)工效為18根/人·班，防爆管道吊運(yùn)車的裝運(yùn)工效是防爆運(yùn)輸車的300%。與傳統(tǒng)的裝卸方式比較，使用防爆管道吊運(yùn)車作業(yè)效率更高，且機(jī)械吊裝比人員搬運(yùn)或手拉葫蘆吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)小、人員勞動(dòng)強(qiáng)度低。

4 防爆預(yù)埋孔鉆車研發(fā)及應(yīng)用

管線預(yù)埋孔的間距一般為1000～5000 mm，孔徑小于50 mm一般采用人工手持電鉆、風(fēng)鉆或液壓鉆的鉆孔方式，深度為300～1500 mm，預(yù)埋件主要為錨桿或螺紋鋼；孔徑大于50 mm一般采用人工手持水鉆的鉆孔方式，深度為500～1000 mm，預(yù)埋件主要為槽鋼。掘進(jìn)工作面支護(hù)所用的兩臂錨桿機(jī)雖然鉆孔效率高，因設(shè)備笨重履帶行走移動(dòng)速度慢，且需頻繁接電，無法應(yīng)用到管線預(yù)埋孔的施工。此外，管線預(yù)埋孔施工所采用的手持鉆機(jī)的鉆孔方式輔助作業(yè)量大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、粉塵和噪音大、安全風(fēng)險(xiǎn)大且作業(yè)效率低，尤其是大孔徑預(yù)埋孔施工采用手持水鉆鉆孔鉆進(jìn)難度大，需2人同時(shí)協(xié)同推進(jìn)，鉆孔效率更低。防爆預(yù)埋孔鉆車改變了原有的手持式鉆孔方式，實(shí)現(xiàn)了管線預(yù)埋孔的機(jī)械鉆孔，即可打頂眼，也可打幫孔和底孔，即可鉆小孔，也可鉆大孔，且自行移動(dòng)快速、靈活。

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

防爆預(yù)埋孔鉆車主要技術(shù)參數(shù)如下：外形尺寸(長×寬×高)為8100 mm×1960 mm×2200 mm，最小離地間隙為215 mm，打孔直徑為18～180 mm，側(cè)幫打孔高度為200～4800 mm，工作范圍(寬×高)為5500 mm×4000 mm，驅(qū)動(dòng)方式為四驅(qū)，停車制動(dòng)為彈簧制動(dòng)、液壓松閘，工作制動(dòng)為靜壓+多盤濕式制動(dòng)，推進(jìn)方式為油缸，推進(jìn)行程為1700 mm，推進(jìn)速度為10000 mm/min(可調(diào))，空載返回速度為20000 mm/min(可調(diào))，額定轉(zhuǎn)速為500/1000 mm/min，額定壓力為18 MPa，回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)角度為±30°，工作平臺(tái)高度范圍為1200～2000 mm，打鉆機(jī)構(gòu)左右旋轉(zhuǎn)角度為180°，打鉆機(jī)構(gòu)前后旋轉(zhuǎn)角度為180°，打鉆機(jī)構(gòu)滑動(dòng)行程為2300 mm。

4.2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

防爆預(yù)埋孔鉆車由鉆臂、升降機(jī)構(gòu)、打鉆機(jī)構(gòu)、操作平臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)架及車廂、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等9部分構(gòu)成，其整體側(cè)視圖如圖6所示。

圖6 防爆預(yù)埋孔鉆車整體側(cè)視圖

4.2.1 鉆臂

鉆臂機(jī)構(gòu)一端通過回轉(zhuǎn)支撐與后機(jī)架連接，另一端通過三角架與升降機(jī)構(gòu)連接。主要由鉆臂、鉆臂支承桿、各種油缸等部分組成。其主要?jiǎng)幼鞴δ苡校罕凵砩舷律?45°；臂身±15°角向外回轉(zhuǎn)；鉆臂方筒整體前后伸縮 500 mm；鉆臂回轉(zhuǎn)座整體前后伸縮 500 mm。

4.2.2 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)可以翻轉(zhuǎn)，通過與鉆臂連接的三角架，實(shí)現(xiàn)水平前后移動(dòng)和豎直上下移動(dòng)，升降行程為2300 mm，保證在鉆孔時(shí)水平和豎直方向的孔都能在一條直線上，提高鉆孔作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化程度。

4.2.3 打鉆機(jī)構(gòu)

打鉆機(jī)構(gòu)通過 2 個(gè)旋轉(zhuǎn)油缸與升降機(jī)構(gòu)連接，可以上下前后、左右各 180°的旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊、靈活。打鉆機(jī)構(gòu)還有瞄準(zhǔn)裝置，防止在鉆孔作業(yè)時(shí)鉆頭跑偏[9]。

4.2.4 操作平臺(tái)

鉆車設(shè)有可升降的操作平臺(tái)，適應(yīng)在不同高度的鉆孔作業(yè)，操作平臺(tái)由料斗、 操作臺(tái)、升降機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

4.2.5 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)由柴油機(jī)、廢氣處理箱、廢氣波紋管、進(jìn)氣波紋管、進(jìn)氣箱、水油散熱器、空氣濾清器等組成。

4.2.6 機(jī)架及車廂

車架主要是由前機(jī)架和后機(jī)架兩大部件鉸接組成。前、后機(jī)架可作左右各37°的相對(duì)擺轉(zhuǎn)，車輛隨轉(zhuǎn)向油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。前機(jī)架是各主要元部件的安裝基礎(chǔ)，并設(shè)置敞開式駕駛室。前驅(qū)動(dòng)橋通過鋼板彈簧懸掛在前機(jī)架上，以實(shí)現(xiàn)減振。后機(jī)架主要承載升降平臺(tái)、鉆臂打鉆機(jī)構(gòu)等，后驅(qū)動(dòng)橋通過鋼板懸掛在后機(jī)架上。

4.2.7 傳動(dòng)系統(tǒng)

本車傳動(dòng)方式采用液力機(jī)械傳動(dòng)，前、后橋四輪驅(qū)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)由柴油機(jī)、變矩器、變速箱、前后傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋等組成。

4.2.8 液壓系統(tǒng)

預(yù)埋孔鉆車各動(dòng)作機(jī)構(gòu)為全液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向、制動(dòng)及打鉆液壓系統(tǒng)3部分組成。

4.2.9 電氣系統(tǒng)

本車電氣系統(tǒng)主要用于機(jī)車保護(hù)、電源自鎖、啟動(dòng)、熄火控制電路、照明和信號(hào)提示。

主要由發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)器、控制按鈕、鑰匙開關(guān)、MCDX-III 電源、電磁氣閥(啟動(dòng))、照明開關(guān)、照明燈、信號(hào)燈、倒車報(bào)警裝置、礦用柴油機(jī)車保護(hù)監(jiān)控儀(系統(tǒng))、工作觀察影像等設(shè)備組成。

4.3 應(yīng)用情況及效果

2018年1月，安裝一隊(duì)在上灣煤礦1～2煤四盤區(qū)支架專用巷應(yīng)用防爆預(yù)埋孔鉆車。共施工Φ42 mm鉆孔10400個(gè)，平均每班施工140個(gè)；施工Φ160 mm、深600 mm的預(yù)埋孔2160個(gè)，平均每班施工30個(gè)。采用防爆預(yù)埋孔鉆車需2名作業(yè)人員，每班施工Φ42 mm鉆孔140個(gè)，人均工效為70個(gè)/人·班；每班施工Φ160 mm鉆孔30個(gè)，人均工效為15個(gè)/人·班。采用手持式液壓鉆打眼需3名作業(yè)人員，每班施工Φ42 mm鉆孔90個(gè)，人均工效為30個(gè)/人·班；采用手持式水鉆鉆孔需3名作業(yè)人員，每班施工Φ160鉆孔12個(gè)，人均工效4個(gè)/人·班。施工Φ42mm鉆孔采用防爆預(yù)埋孔鉆車的人工工效是采用手持鉆人工工效的233%，施工Φ160 mm鉆孔采用防爆預(yù)埋孔鉆車的人工工效是采用水鉆鉆孔人工工效的375%，因此，采用防爆型預(yù)埋孔鉆車的人工綜合工效是采用手持式鉆具鉆孔人工綜合工效的304%。此外，防爆預(yù)埋孔鉆車鉆孔的深度和對(duì)煤壁的垂直度是通過位置傳感器來控制，所以鉆孔質(zhì)量優(yōu)于人工手持打孔。采用防爆預(yù)埋孔鉆車鉆孔不僅減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度、降低了作業(yè)工程中的安全風(fēng)險(xiǎn)、減輕了粉塵和噪音的職業(yè)危害，而且提高了鉆孔效率和鉆孔質(zhì)量。

5 防爆升降平臺(tái)車研發(fā)及應(yīng)用

神東礦區(qū)各礦井主要大巷及工作面巷道高度都在3000 mm以上，為了保證輔運(yùn)巷內(nèi)車輛行駛以及運(yùn)輸巷運(yùn)輸機(jī)安裝等，管道、電纜需要盡量靠近頂板及煤壁安裝，以保證巷道有效截面積。在管線安裝過程中，經(jīng)常涉及高處打眼、安裝預(yù)埋、連接管道、敷設(shè)電纜等高空作業(yè)。在傳統(tǒng)高空施工作業(yè)中往往使用搭腳手架、鐵質(zhì)平臺(tái)等，由于腳手架和鐵質(zhì)平臺(tái)不便移動(dòng)且不能適應(yīng)安裝高度變化的需求，制約了在高空作業(yè)過程中的作業(yè)效率，且腳手架和鐵質(zhì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單，容易晃動(dòng)，又無防護(hù)欄，易發(fā)生人員高空墜落事故，存在很大安全隱患。防爆升降平臺(tái)車可隨安裝作業(yè)進(jìn)度同步跟進(jìn)，高度連續(xù)可調(diào)以適應(yīng)安裝高度變化的需求，平臺(tái)車車廂整體穩(wěn)固并設(shè)置防護(hù)欄，徹底解決了腳手架、鐵質(zhì)平臺(tái)等傳統(tǒng)登高工具的使用弊端。

5.1 主要技術(shù)參數(shù)

防爆升降平臺(tái)車主要技術(shù)參數(shù)如下：最大舉升重量為2000 kg，最大調(diào)平(前)為10°，最大舉升高度為3800 mm，作業(yè)平臺(tái)長度為4000 mm，作業(yè)平臺(tái)寬度為1960 mm，作業(yè)平臺(tái)護(hù)欄高度為1200 mm，外形尺寸(長×寬×高)為7930 mm×1960 mm×2580 mm，最大運(yùn)行速度為30 km/h，最小離地間隙為215 mm。

5.2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

防爆升降平臺(tái)車主要由防爆牽引車、作業(yè)平臺(tái)、雙叉臂等3部分組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖7所示。

圖7 防爆升降平臺(tái)車結(jié)構(gòu)組成

5.2.1 防爆牽引車

該車以WC-5E防爆工程車為原型，經(jīng)過對(duì)后機(jī)架加長、加固等改造，對(duì)液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行重新計(jì)算，使之能與升降作業(yè)平臺(tái)所需性能相匹配，具有經(jīng)久耐用、維修簡單、零配件與礦區(qū)在用車型通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

5.2.2 作業(yè)平臺(tái)

使用高強(qiáng)度型鋼為骨架，采用“四橫四縱”結(jié)構(gòu)，在保證作業(yè)平臺(tái)的剛性的同時(shí)最大限度地減輕平臺(tái)的重量。在平臺(tái)外圍采用沉孔方式預(yù)留8個(gè)100 mm×100 mm的固定孔，作為護(hù)欄的安裝孔或平臺(tái)二次開發(fā)時(shí)的安裝孔。在平臺(tái)的前端還集成了液壓操作臺(tái)、工具材料箱、防觸頂傳感器、緊急停機(jī)按鈕以及為日后使用液壓鉆時(shí)的預(yù)留液壓接口等。

5.2.3 雙叉臂

升降平臺(tái)采用空心剪叉臂結(jié)構(gòu)，保證升降平臺(tái)工作時(shí)良好的穩(wěn)定性，經(jīng)過有限元仿真分析最終確定叉臂各連接孔及液壓油缸連接孔位置，使其能做到在滿足所有參數(shù)時(shí)質(zhì)量最輕，作業(yè)時(shí)叉臂不易變形[10]。

5.3 應(yīng)用情況及效果

2016年5月，安裝一隊(duì)在上灣煤礦1～2煤輔運(yùn)巷應(yīng)用防爆型升降平臺(tái)車，廣泛應(yīng)用井下諸如例管道龍門安裝、高空打眼及預(yù)埋件安裝、高空管道對(duì)接、高空電纜吊掛等高空作業(yè)。人員進(jìn)入車廂后，作業(yè)人員在作業(yè)平臺(tái)上操作控制手柄將作業(yè)平臺(tái)升至所需高度即可進(jìn)行作業(yè)，隨著作業(yè)地點(diǎn)向前推移，只需升降車向前移動(dòng)至下一作業(yè)地點(diǎn)即可，不僅省去了傳統(tǒng)作業(yè)中人工移動(dòng)腳手架等工序，而且也省去了傳統(tǒng)高空作業(yè)時(shí)人員上下腳手架時(shí)帶來的安全隱患。在高空安裝設(shè)備、龍門時(shí)則省去了傳統(tǒng)作業(yè)中對(duì)設(shè)備、工件的起吊工序，可以將設(shè)備、工件及安裝附屬配件放在作業(yè)平臺(tái)上直接舉升至安裝位置進(jìn)行作業(yè)。使用腳手架等傳統(tǒng)登高工具進(jìn)行登高作業(yè)時(shí)需4人協(xié)同作業(yè)，高空安裝管道預(yù)埋件為100個(gè)/班，人工工效為25個(gè)/人·班；使用防爆升降平臺(tái)車進(jìn)行登高作業(yè)時(shí)只需3人，高空安裝管道預(yù)埋件為180個(gè)/班，人工工效為60個(gè)/人·班；使用防爆升降平臺(tái)車的安裝工效是使用腳手架等傳統(tǒng)登高工具安裝工效的240%。防爆型升降平臺(tái)車提高了高空作業(yè)效率、降低了安全風(fēng)險(xiǎn)、減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度、方便了安裝作業(yè)，具有省人、省力、安全可靠、快捷方便的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了減人增效。

6 防爆管道抓舉車的研發(fā)及應(yīng)用

目前，煤礦井下巷道內(nèi)管道安裝管徑以DN100-DN500為主，DN150及以下管徑通常采用逐點(diǎn)起吊法，先將管道在地面全部連接好，間隔6～10 m吊掛2～3個(gè)手拉葫蘆，人工手拉葫蘆將管道起吊至安裝高度，待管道固定好后再逐次拆卸手拉葫蘆懸掛到下一個(gè)起吊點(diǎn)，循環(huán)往復(fù)。DN200及以上管徑通常采用組段起吊法，將2～4根管道先在地面連接好，間隔6 m吊掛2～4個(gè)手拉葫蘆，采用人工拉手動(dòng)葫蘆將管道起吊至安裝高度，待管道固定并安裝好后拆下所有手拉葫蘆掛在下一個(gè)起吊點(diǎn)，如此往復(fù)循環(huán)。由于DN200及以上管徑大、柔軟性差，起吊和對(duì)管作業(yè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低、安全隱患大，起吊前準(zhǔn)備工作多且延誤時(shí)間長。防爆管道抓舉車可將管道一次抓舉到位，徹底解決了傳統(tǒng)手拉葫蘆起吊的諸多弊端，實(shí)現(xiàn)了管道起吊作業(yè)由手動(dòng)向機(jī)械自動(dòng)起吊的轉(zhuǎn)變。

6.1 防爆型管道抓舉車主要技術(shù)參數(shù)

防爆管道抓舉車主要技術(shù)參數(shù)如下：外形尺寸(長×寬×高)為7200 mm×1960 mm×2200 mm，最小工作范圍(寬×高)為5000 mm×3500 mm，工作狀態(tài)穩(wěn)車方式為液壓支腿，抓取管道直徑為150～500 mm，最大抓舉管道重量為1500 kg，最大行走速度為30 km/h，最大舉升高度為5000 mm，軸向移動(dòng)距離為800 mm，橫向移動(dòng)距離為1000 mm，水平旋轉(zhuǎn)角度為14°，抓舉機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度為195°，驅(qū)動(dòng)方式為四驅(qū)，停車制動(dòng)為彈簧制動(dòng)、液壓松閘，工作制動(dòng)為靜壓+多盤濕式制動(dòng)。

6.2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

該裝置主要由抓舉機(jī)械手、升降操作臺(tái)、機(jī)架及車廂、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等7部分組成，防爆管道抓舉車整體側(cè)視圖如圖8所示。

6.2.1 抓舉機(jī)械手

抓舉機(jī)械手是防爆管道抓舉車進(jìn)行管道鋪設(shè)作業(yè)的重要部件，它位于管道抓舉車的后機(jī)架上面，抓舉機(jī)械手由左右平移滑道、前后平移滑道、回轉(zhuǎn)升降部、抓舉臂、抓斗部及各個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)減速器組成。抓舉機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)前后移動(dòng)距離為 800 mm，橫向左右移動(dòng)距離為 1000 mm，水平旋轉(zhuǎn) 14°，同時(shí)抓斗還能繞其回轉(zhuǎn)座軸線旋轉(zhuǎn) 195°，抓舉臂中間部分可伸縮 400 mm，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在管道安裝鋪設(shè)過程中的抓、舉、伸、讓、轉(zhuǎn)、對(duì)等功能，防爆管道抓舉車抓舉機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 防爆管道抓舉車整體側(cè)視圖

圖9 防爆管道抓舉車抓舉機(jī)械手結(jié)構(gòu)

6.2.2 升降操作臺(tái)

升降操作臺(tái)由操作臺(tái)和升降套筒組成，升降套筒內(nèi)置伸縮油缸實(shí)現(xiàn)操作平臺(tái)的升降，以適應(yīng)不同的作業(yè)高度。

6.2.3 機(jī)架及車廂

車架主要是由前機(jī)架和后機(jī)架兩大部件鉸接組成。前、后機(jī)架可作左右各 37°的相對(duì)擺轉(zhuǎn)，車輛隨轉(zhuǎn)向油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向油缸一端裝在后機(jī)架轉(zhuǎn)向油缸鉸點(diǎn)，另一端裝在前機(jī)架轉(zhuǎn)向油缸鉸點(diǎn)。前機(jī)架是各主要元部件的安裝基礎(chǔ)，并設(shè)置封閉式駕駛室，定員1人。前驅(qū)動(dòng)橋通過鋼板彈簧懸掛在前機(jī)架上，以實(shí)現(xiàn)減振。后機(jī)架主要承載抓舉機(jī)構(gòu)，后驅(qū)動(dòng)橋通過鋼板彈簧懸掛在后機(jī)架上。

6.2.4 動(dòng)力系統(tǒng)

本車動(dòng)力系統(tǒng)由柴油機(jī)、廢氣處理箱、廢氣波紋管、進(jìn)氣波紋管、進(jìn)氣箱、水油散熱器、空氣濾清器等組成。

6.2.5 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)方式采用液力機(jī)械傳動(dòng)，前、后橋四輪驅(qū)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)由柴油機(jī)、變矩器、變速箱、前、后傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋等組成。其動(dòng)力由柴油機(jī)的飛輪傳給變矩器，再由變矩器輸出，將動(dòng)力傳給變速箱，變速箱的輸出軸經(jīng)傳動(dòng)軸分別與前、后驅(qū)動(dòng)橋相聯(lián)，將動(dòng)力傳給前、后驅(qū)動(dòng)橋，最后傳給驅(qū)動(dòng)輪。

6.2.6 液壓系統(tǒng)

防爆管道抓舉車各動(dòng)作機(jī)構(gòu)為全液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)、制動(dòng)及抓舉液壓系統(tǒng)3部分組成。

6.2.7 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要用于機(jī)車保護(hù)、電源自鎖、啟動(dòng)、熄火控制電路、照明和信號(hào)提示等部分組成，主要由發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)器、控制按鈕、鑰匙開關(guān)、MCDX-III 電源、電磁氣閥(啟動(dòng))、照明開關(guān)、照明燈、信號(hào)燈、倒車報(bào)警裝置、礦用柴油機(jī)車保護(hù)監(jiān)控儀(系統(tǒng))等設(shè)備組成。

6.3 應(yīng)用情況及效果

2018年2月，防爆管道抓舉車在上灣煤礦22號(hào)煤四盤區(qū)支架專用巷管道安裝工程中應(yīng)用管道抓舉車，共安裝DN150管道10800 m，安裝DN250管道10800 m。采用傳統(tǒng)逐點(diǎn)起吊和組段起吊每班需8名作業(yè)人員，平均每班安裝DN150管道50根，人工工效為6.25根/人·班，安裝DN250管道30根，人工工效為3.75根/人·班；使用防爆管道抓舉車每班需6名作業(yè)人員，平均每班安裝DN150管道100根，人工工效為16.67根/人·班，安裝DN250管道70根，人工工效為11.67根/人·班。防爆管道抓舉車安裝DN150管道人工工效是逐點(diǎn)起吊的187%，安裝DN250管道人工工效是組段起吊的311.2%，防爆管道抓舉車的綜合工效是人工起吊的249.1%。防爆型管道抓舉車優(yōu)化了安裝工藝、提高了安裝效率、降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

7 綜合應(yīng)用效果

管道自動(dòng)焊接機(jī)、管道除銹刷漆一體機(jī)、防爆管道吊運(yùn)車、防爆預(yù)埋孔鉆車、防爆升降平臺(tái)車、防爆管道抓舉車的研發(fā)和應(yīng)用徹底改變了管線安裝工序中的傳統(tǒng)作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)了管道手工焊接→機(jī)械手自動(dòng)焊接、手工除銹刷漆→機(jī)械刷自動(dòng)除銹刷漆、手工搬運(yùn)或起吊→機(jī)械隨車起吊、手推登高平臺(tái)→自行走可升降平臺(tái)、手持鉆具打眼→機(jī)械打眼、 手工起吊安裝→機(jī)械手抓舉安裝，實(shí)現(xiàn)了管線安裝從手工作業(yè)向機(jī)械化作業(yè)的過渡。管道自動(dòng)焊接機(jī)、管道除銹刷漆一體機(jī)主要解決了管道在地面的前期準(zhǔn)備問題，提高了焊接、除銹和刷漆速度，縮短了準(zhǔn)備時(shí)間，減輕了地面員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了員工在焊塵、油漆等有害氣體環(huán)境中作業(yè)，保證了員工的職業(yè)健康。 防爆管道吊運(yùn)車解決了管道的裝卸問題，提高了裝卸運(yùn)輸速度，大大減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免人員搬抬管道而出現(xiàn)磕手碰腳事故。防爆預(yù)埋孔鉆車、防爆升降平臺(tái)、和防爆管道抓舉車解決了管線在井下作業(yè)現(xiàn)場的安裝問題，即打預(yù)埋孔、高空作業(yè)、管道安裝，提高了作業(yè)現(xiàn)場的安裝速度，減輕了井下員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，保證了現(xiàn)場作業(yè)安全。

機(jī)電安裝成套設(shè)備在大采高面的綜合應(yīng)用，徹底解決了大采高工作面?zhèn)鹘y(tǒng)安裝方式和安裝設(shè)備無法滿足大采高工作面管線安裝高度的需求，解決了管線安裝速度慢、影響采掘工作面推進(jìn)進(jìn)度的問題。2018年2月-2020年3月，機(jī)電安裝成套設(shè)備全面使用到了上灣煤礦12401和12402兩個(gè)超大采高工作面的管線安裝工程中，取得了良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用效果，保證了超大采高工作面的正常接續(xù)，實(shí)現(xiàn)了減人增效的目的。機(jī)電安裝成套設(shè)備具有省人、省力、安全可靠、快捷方便、健康環(huán)保、效率高、風(fēng)險(xiǎn)小的特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊，能夠?qū)崿F(xiàn)“上裝備、保安全、提效益”的目的。