谷 彬

(神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)公司 榆家梁煤礦，陜西 榆林 719315)

我國絕大多數(shù)煤礦綜采工作面使用采煤機(jī)開采[1]，在采煤過程中，采煤機(jī)電纜及水管路隨采煤機(jī)往返運動，在采煤機(jī)多次短程往返、尤其是斜切進(jìn)刀過程中，電纜夾容易在垂直方向上發(fā)生多次彎折疊加，不僅使得電纜夾滑出電纜槽引起過度磨損或擠傷，而且也會使得采煤機(jī)“馬鞍架”無法順利通過，特別是在薄煤層，支架沒有足夠的降架空間，導(dǎo)致支架無法順利拉架和推溜[2-4]。目前，綜采工作面采煤機(jī)電纜管理主要靠人工處理，勞動強(qiáng)度大，且處理頻次高，不利于煤礦實現(xiàn)安全、高效開采[5]。

為了解決綜采工作面采煤機(jī)多次往返運行導(dǎo)致供電電纜多層疊加的問題，國內(nèi)外諸多科研院所和企業(yè)研發(fā)了多種自動拖纜裝置，波蘭Famur公司研發(fā)了一套鏈傳動系統(tǒng)的拖纜裝置，鏈條拖動拖纜小車拖拽采煤機(jī)電纜自動跟隨采煤機(jī)運行。尹朝陽[6]研發(fā)了一種采用無極繩原理的拖纜系統(tǒng)，采煤機(jī)掉頭時，采煤機(jī)處的管纜和拖纜繩(鏈)拖拽更加順暢。徐向東[7]研發(fā)的拖纜系統(tǒng)不僅建立了采煤機(jī)電纜拖拽的數(shù)學(xué)模型，而且也對設(shè)備的選型進(jìn)行了比較詳細(xì)的描述。楊立[8]研發(fā)的拖纜實驗臺采用速度控制和轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)拖纜小車與采煤機(jī)運行相匹配，模擬了井下拖纜運行的工況。上述研究工作促進(jìn)了采煤機(jī)自動拖纜技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，拓寬了拖纜裝置研發(fā)的思路，但是當(dāng)前的自動拖纜技術(shù)比較分散，沒有系統(tǒng)性的給出自動拖纜系統(tǒng)的設(shè)計、研發(fā)方法，缺少井下復(fù)雜工況運行的試驗支撐。筆者將根據(jù)自動拖纜運行的特點，結(jié)合現(xiàn)代礦井自動化、智能化發(fā)展的需求[9]，對綜采工作面自動拖纜系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案、系統(tǒng)設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)研究展開論述。

1 工程背景及運行原理

1.1 工程背景

自動拖纜系統(tǒng)涉及到自動控制、遠(yuǎn)程通信、系統(tǒng)融合等技術(shù)，對工作面自動化、智能化程度要求比較高，筆者以國家能源集團(tuán)神東榆家梁煤礦43102工作面為依托，開展技術(shù)研究。榆家梁43102工作面應(yīng)用了三維地質(zhì)模型構(gòu)建、無人巡檢、生產(chǎn)控制、智能協(xié)同聯(lián)控等關(guān)鍵技術(shù)，屬于第3代智能化工作面[10]。43102工作面位于4-3煤，工作面長度340.45m，推進(jìn)長度2191m，起伏角度不大于9°，一般為3～5°，可采儲量207萬t，平均采高1.45m，屬于中薄型煤層，配套MG2×250/1200-WD1 型采煤機(jī)、SGZ800/1400型刮板輸送機(jī)、ZY9200/09/18D型液壓支架(中部)。

1.2 拖纜系統(tǒng)運行原理

本系統(tǒng)的工作原理是利用動滑輪的特性，采煤機(jī)電纜夾纏繞在拖纜小車的拖纜滾輪上，控制系統(tǒng)實時讀取采煤機(jī)的運行方向、速度、位置等相關(guān)技術(shù)參數(shù)，控制拖纜驅(qū)動部運行，動力傳輸選擇非常適合礦山長運距、重載運行的鏈條傳輸動力[11，12]，實現(xiàn)拖纜小車和采煤機(jī)實時同步跟隨，二者之間一直保持方向一致、速度V拖纜=V采煤機(jī)/2的關(guān)系，始終保持采煤機(jī)電纜具備恒定的張力，不發(fā)生二次折彎。運行原理如圖1所示。

圖1 拖纜系統(tǒng)運行原理

2 機(jī)械系統(tǒng)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)工作面整體配套，自動拖纜驅(qū)動部布置在工作面機(jī)尾段，從機(jī)頭到機(jī)尾運行為拖纜狀態(tài)，機(jī)尾到機(jī)頭為放纜狀態(tài)。機(jī)械系統(tǒng)主要包括驅(qū)動部、尾回轉(zhuǎn)部、電纜槽、驅(qū)動鏈、拖纜小車、鏈張緊系統(tǒng)等，總體方案如圖2所示。

圖2 機(jī)械系統(tǒng)總體方案

1)驅(qū)動部。驅(qū)動部采用水平布置方式，即電機(jī)平行于工作面。傳動系統(tǒng)選擇電機(jī)與減速器一體式的減速電機(jī)，電機(jī)自帶編碼器。驅(qū)動鏈輪與減速電機(jī)通過扭矩軸連接，鏈輪體采用高強(qiáng)度合金鋼鍛造成型，機(jī)架焊接成型，與刮板輸送機(jī)聯(lián)接，驅(qū)動部總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 驅(qū)動部總體結(jié)構(gòu)

2)尾回轉(zhuǎn)部。尾回轉(zhuǎn)部安裝在輸送機(jī)中間部位的電纜槽中，可在一定長度的軌道槽內(nèi)滑動，與驅(qū)動部鏈輪一起共同起到回轉(zhuǎn)鏈條的作用。

3)電纜槽。電纜槽集電纜管理、拖纜小車運行、驅(qū)動鏈運行于一體，不僅做為電纜、水液管路、信號線等的存放空間，而且是拖纜小車和驅(qū)動鏈條的運行通道。

4)拖纜小車。拖纜小車是拖纜裝置的動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳動裝置輸出的動力通過鏈條傳遞到拖纜小車上，再由拖纜小車拖動電纜夾在電纜槽內(nèi)定向運動。

5)鏈張緊系統(tǒng)。鏈張緊系統(tǒng)通過液壓系統(tǒng)控制液壓缸調(diào)整尾回轉(zhuǎn)部的位置，從而達(dá)到調(diào)節(jié)鏈條松緊程度的目的，為了輸出恒定的張力，工作過程中液壓缸處于實時張緊狀態(tài)[13]。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

依據(jù)拖纜力計算公式[14]：

Ft=2(qμl+Fc)+Fj+FL

(1)

式中，F(xiàn)t為拖纜力，N；Q為電纜夾組件重量，N/m；M為電纜夾組件摩擦系數(shù)；L為拖動長度，m；Fj為拖纜架摩擦力，N；FL為驅(qū)動鏈摩擦力，N。

計算可得拖纜力Ft=49kN。系統(tǒng)裝機(jī)功率：

P=FtVt/(kη)=14.7(kW)

(2)

式中，Vt為拖動速度，取Vt=0.18m/s；K為裕度系數(shù)，取η=0.7；H為傳動效率，取η=0.86。

取裝機(jī)功率為15kW。拖纜系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 拖纜系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.3 拖纜系統(tǒng)中部配套

拖纜系統(tǒng)中部電纜槽與刮板輸送機(jī)中部槽聯(lián)結(jié)，拖纜小車的運行軌道在電纜槽上，拖纜鏈道與電纜槽為焊接一體結(jié)構(gòu)，由于43102工作面平均采高只有1.45m，煤層最低時為1.2m，為了盡可能降低配套空間，拖纜鏈道布置方式采用拖纜鏈道垂直布置，其配套方式如圖4所示。

圖4 拖纜中部配套

3 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)包括井下就地控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)兩部分。井下就地控制系統(tǒng)主要對采集到的采煤機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，處理，并通過一定的控制算法控制變頻器輸出，控制拖纜小車同向、半速跟隨采煤機(jī)運行。就地控制系統(tǒng)設(shè)有壓力、位置、行程等多種傳感器，實時監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)，然后反饋到控制系統(tǒng)主站，以便進(jìn)一步校正與決策。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)位于井下集中控制中心，實時與就地控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并統(tǒng)一納入礦井健康管理中心，然后傳輸?shù)降孛娣挚刂行?，形成地質(zhì)、采礦、機(jī)電等多源異構(gòu)信息的實時共享和數(shù)據(jù)反饋?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 硬件系統(tǒng)

3.1.1 控制主站

采用ZDYG127(A)-Z礦用隔爆兼本安型電液控制裝置主站，以可編程控制器(PLC)作為核心，配置通信模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊，以MEG128為核心的按鍵通訊板為輸入控制器和TPC1261Hii真彩12寸液晶顯示屏作為顯示系統(tǒng)，按鍵通訊板負(fù)責(zé)對鍵盤和按鈕的輸入信號進(jìn)行采集，控制裝置主站結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 控制裝置主站結(jié)構(gòu)

3.1.2 控制分站

為了便于遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集及現(xiàn)場安裝，在尾回轉(zhuǎn)部設(shè)置控制分站，用于采集液壓缸壓力、行程、位置等相關(guān)數(shù)據(jù)，也可控制電磁閥組開啟與關(guān)閉，實現(xiàn)尾部張緊系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控。控制分站通過控制總線與主站通信，實現(xiàn)主站統(tǒng)一決策與管理。

3.1.3 變頻器及編碼器

變頻器選擇BPJ-45/660K型四象限變頻器，采用ABB機(jī)芯，工作電壓660V，輸出頻率5～60Hz，帶轉(zhuǎn)矩控制功能。電機(jī)編碼器安裝在電機(jī)中心軸上，為絕對值型。

3.1.4 傳感器

系統(tǒng)用到的傳感器主要有位置傳感器、壓力傳感器和行程傳感器。位置傳感器在工作面多點布置，采用KHC100礦用本安型磁性接近傳感器，常開型，動作點距離大于等于100mm；壓力傳感器采用GDP60型礦用壓力傳感器，工作量程60MPa，分別率1MPa，串聯(lián)在油缸進(jìn)液口上，實時測量油缸有桿腔的壓力；行程傳感器采用SMW-CTS-D系列磁致伸縮位移傳感器，工作量程最大可達(dá)2m，供電電壓24V，安裝在油缸中，可將油缸的行程數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂品终局小?/p>

3.2 軟件系統(tǒng)

軟件設(shè)計包括上位機(jī)編程和下位機(jī)編程兩個部分。上位機(jī)采用北京亞控科技組態(tài)王6.55進(jìn)行控制界面組態(tài)。設(shè)有主界面、參數(shù)設(shè)置界面、故障查詢界面、運行數(shù)據(jù)界面、曲線顯示界面等。

下位機(jī)采用PLC進(jìn)行控制程序設(shè)計，用結(jié)構(gòu)化編程方式編程，以功能塊為單元進(jìn)行分類，主程序塊ZB1用于整個控制功能的架構(gòu)管理，其結(jié)構(gòu)層下根據(jù)不同功能分為多個功能塊，有電機(jī)控制功能塊KC1、傳感器數(shù)據(jù)采集功能塊KC2、通訊功能塊KC3以及其它輔助功能塊KC4，功能塊也可以調(diào)用相應(yīng)功能的子程序。程序功能如圖7所示。

圖7 程序功能框圖

3.3 系統(tǒng)通信及工作流程

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備的不同性能采用不同的通信協(xié)議。主站與變頻器、液晶顯示器、電機(jī)編碼器等之間的通信采用RS485通信，主站與從站PLC之間采用CAN通信協(xié)議，液晶顯示器與按鍵通訊板采用RS232通訊協(xié)議。主站與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與井上分控中心采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)通信。通信結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 通信結(jié)構(gòu)示意圖

自動拖纜電控系統(tǒng)的控制主站、控制分站、各傳感器、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及地面分控中心在系統(tǒng)運行時互相協(xié)同配合，出現(xiàn)故障時會報警顯示，必要時各系統(tǒng)會聯(lián)合閉鎖并停機(jī)，其工作流程如圖9所示。

圖9 電控系統(tǒng)工作流程

4 關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 過載保護(hù)技術(shù)

1)扭矩軸過載保護(hù)。在設(shè)備過載保護(hù)中，機(jī)械式保護(hù)最直接、最靈敏，尤其是在動力輸出開始段，可最大限度的保護(hù)設(shè)備部件。減速電機(jī)與鏈輪之間采用扭矩軸連接。扭矩軸中間部位段根據(jù)計算及實驗數(shù)據(jù)設(shè)計環(huán)形剪切槽[15]。當(dāng)負(fù)載異常劇增時(比如刮卡)，扭矩軸斷裂，減速電機(jī)空轉(zhuǎn)，設(shè)備停止運轉(zhuǎn)。根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算公式：

式中，d為剪切槽最小截面直徑，mm；τp為材料許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取75MPa；T為扭矩軸加載扭矩，N·m，實際中按1.5倍過載計算，取12210N·m。由式(3)計算得d≥91.9 mm，設(shè)計中取95mm。

2)電器過載保護(hù)。電控系統(tǒng)實時采集變頻器輸出的電流及電機(jī)溫度，當(dāng)電流及溫度有一個參數(shù)超過預(yù)警值時，電控系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令，并上傳到遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和地面分控中心進(jìn)行聲光報警。

3)液壓過載保護(hù)。鏈條張緊系統(tǒng)采用液壓缸實時張緊，在液壓缸進(jìn)液口串聯(lián)一個壓力傳感器和溢流閥，當(dāng)泵站壓力異常升高，或鏈條上的負(fù)載急劇增大時，液壓缸上的壓力相應(yīng)增大，超過溢流閥卸液值時，溢流閥向外噴液，同時壓力傳感器上傳壓力數(shù)據(jù)，提醒工作人員處理，避免液壓缸壓力過大而爆缸或者損壞密封。

4.2 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩協(xié)同控制技術(shù)

該系統(tǒng)采用變頻器轉(zhuǎn)速控制為主、轉(zhuǎn)矩控制為輔的協(xié)同控制模式。在放纜階段，采煤機(jī)拖動電纜運行，拖纜小車跟隨運行，負(fù)載基本恒定，當(dāng)拖纜系統(tǒng)因鏈條傳動遲緩、數(shù)據(jù)通信延遲等導(dǎo)致拖纜小車跟不上采煤機(jī)運行時，采煤機(jī)會對拖纜小車有一定拖動力，此時反饋到變頻器上的轉(zhuǎn)矩會相應(yīng)減小，甚至出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩，控制主機(jī)給變頻器發(fā)加速指令，直到輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到設(shè)定值時，拖纜系統(tǒng)按照半速跟隨原則進(jìn)行跟機(jī)運行，控制流程如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩協(xié)同控制流程

4.3 拖纜裝置現(xiàn)場應(yīng)用

該套系統(tǒng)自2020年6月在榆家梁煤礦43102工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗以來，進(jìn)行了單機(jī)運行調(diào)試、變速及超頻調(diào)試、跟機(jī)空載調(diào)試、聯(lián)調(diào)聯(lián)試4個階段，累計運行調(diào)試時間近6個月。在采煤機(jī)掛纜聯(lián)調(diào)聯(lián)試2個多月中，工作面累計推進(jìn)300m，過煤量近20多萬t，經(jīng)歷了老頂來壓、周期來壓、過上層煤柱、過斷層等多種復(fù)雜工況的考驗，目前設(shè)備運行平穩(wěn)，電纜自動拖拽靈活、可靠，完全可以代替人工實現(xiàn)現(xiàn)場采煤機(jī)電纜管理，達(dá)到了設(shè)計要求；同時拖纜小車具有清煤功能，可以自動清理電纜槽里的落煤，減少了人工清煤的勞動強(qiáng)度。

5 結(jié) 論

1)以榆家梁43102工作面為應(yīng)用背景，研發(fā)了設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)，給出了設(shè)備總體布置方案，設(shè)計了核心零部件，并對其功能及主要作用進(jìn)行了描述，給出了設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)，設(shè)計了拖纜鏈道垂直布置的配套方案。

2)基于設(shè)計的機(jī)械系統(tǒng)，研發(fā)了電控系統(tǒng)。對控制主站、控制分站、傳感器等核心零部件進(jìn)行了選型，并對軟件設(shè)計、系統(tǒng)通信進(jìn)行了詳細(xì)研究。

3)進(jìn)行了過載保護(hù)技術(shù)研究，設(shè)計了機(jī)械、電器、液壓三種過載保護(hù)方式，提高了設(shè)備運行的可靠性；創(chuàng)新了放纜狀態(tài)下轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩協(xié)同控制模式，提出了以轉(zhuǎn)速控制為主、轉(zhuǎn)矩控制為輔、二者協(xié)同控制的控制策略。

4)設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，經(jīng)過多種復(fù)雜工況的考驗，運行比較平穩(wěn)，達(dá)到了設(shè)計要求，具備向市場推廣的條件。