韓學(xué)敏

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000))

0 引 言

我國地下煤層儲量豐富，隨著煤礦開采技術(shù)的不斷提高，煤層開采深度逐漸增加，隨之帶來的是井下作業(yè)人員升降出入問題較多。架空乘人裝置可以快速上下斜井，減少煤礦作業(yè)的輔助時間，提高人員進(jìn)出的效率[1]。架空乘人裝置安裝有乘人座椅，采用滑輪組及鋼絲繩的形式對座椅進(jìn)行固定及移動，實現(xiàn)上下井的操作運(yùn)行。架空乘人裝置運(yùn)行速度低、人員上下方便，一次性成本投入較小[2]，在使用過程中對設(shè)備運(yùn)行維護(hù)操作簡單，目前在煤礦開采中得到廣泛應(yīng)用[3]。由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，架空乘人裝置長期運(yùn)行中，驅(qū)動輪主軸及尾輪主軸的承載較大，同時承受驅(qū)動輪的扭矩及沿鋼絲繩的拉力作用，存在一定的沖擊載荷作用，對傳動軸的使用造成影響[4]，容易引發(fā)安全事故，因此對傳動軸進(jìn)行保護(hù)裝置優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計是提高煤礦安全性的重要措施。筆者重點采用機(jī)械式保護(hù)及電氣式保護(hù)相結(jié)合的方式，通過對斷軸保護(hù)裝置的優(yōu)化設(shè)計及一體化電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化改造，實現(xiàn)對架空乘人裝置的安全保護(hù)，降低設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費用，為井下安全生產(chǎn)提供保障。

1 架空乘人裝置斷軸保護(hù)功能

架空乘人裝置主要由驅(qū)動裝置、乘人座椅、牽引鋼絲繩、尾輪裝置及電氣控制系統(tǒng)組成，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)充分考慮使用的安全性。由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，特別是經(jīng)過長時間運(yùn)行，驅(qū)動輪承受負(fù)載較大，設(shè)備啟動及制動時受到?jīng)_擊載荷作用，造成驅(qū)動主軸的磨損或斷裂[5]。架空乘人裝置輸送距離較長，必須采取相應(yīng)保護(hù)措施，避免造成乘車作業(yè)人員發(fā)生安全事故。

斷軸保護(hù)裝置是架空乘人裝置關(guān)鍵組成部分，通過斷軸保護(hù)裝置避免驅(qū)動輪或尾輪的飛出[6]，防止鋼絲繩的脫落，避免乘人座椅及人員出現(xiàn)意外飛出受傷。斷軸保護(hù)裝置可以采用機(jī)械式及電氣式兩種形式[7]，機(jī)械式保護(hù)即對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的設(shè)計保護(hù)，當(dāng)斷軸有危險時，在結(jié)構(gòu)上能及時進(jìn)行保護(hù)；電氣式保護(hù)即采用電氣系統(tǒng)連接傳感器的形式，對主軸相應(yīng)的位置進(jìn)行信號檢測，當(dāng)存在斷軸危險時，采用電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。機(jī)械保護(hù)相對電氣保護(hù)的安全可靠性高[8]，是架空乘人裝置斷軸保護(hù)的主要方式，但機(jī)械式保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)使用及維護(hù)困難[9]，在井下環(huán)境中運(yùn)行受到一定的限制，而結(jié)合兩種保護(hù)方式的優(yōu)點實現(xiàn)對主軸的可靠保護(hù)[10]，不僅可實現(xiàn)對架空乘人裝置的可靠保護(hù)，且便于在井下的環(huán)境中廣泛使用，可充分滿足礦井輸送的需求。

2 新型斷軸保護(hù)裝置設(shè)計

依據(jù)架空乘人裝置結(jié)構(gòu)，斷軸保護(hù)裝置的優(yōu)化設(shè)計重點是要保證結(jié)構(gòu)安裝的簡單易用性，并便于進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)使用。斷軸保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)主要分為驅(qū)動輪主軸的保護(hù)裝置及尾輪主軸的保護(hù)裝置兩部分。以下分別對驅(qū)動輪主軸斷軸保護(hù)裝置及尾輪主軸斷軸保護(hù)裝置進(jìn)行設(shè)計分析，采用機(jī)械式保護(hù)與電氣式保護(hù)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對架空乘人裝置的可靠保護(hù)。

2.1 驅(qū)動輪主軸斷軸保護(hù)裝置

架空乘人裝置驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，驅(qū)動系統(tǒng)安裝在整個架空乘人裝置的頭部機(jī)架位置，采用花鍵軸形式進(jìn)行動力及扭矩的傳遞，在傳動軸的上端與電機(jī)減速器相連接，下端通過花鍵與驅(qū)動輪輪轂相連接，進(jìn)行驅(qū)動裝置的驅(qū)動。

圖1 架空乘人裝置的驅(qū)動系統(tǒng)1.電動機(jī) 2.液壓制動器 3.減速器 4.主體固定支架 5.輪緣制動器 6.主轉(zhuǎn)動輪 7.空心軸 8.花鍵軸

依據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理對斷軸保護(hù)裝置設(shè)計，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 驅(qū)動輪斷軸保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)1.支架 2.主體支架 3.限位機(jī)構(gòu) 4.電器檢測元件

采用支架的形式連接于架空乘人裝置支架上，保護(hù)裝置中設(shè)計有限位機(jī)構(gòu)，對主軸位置進(jìn)行機(jī)械式限制，并采用電氣檢測元件，對主軸位置進(jìn)行電氣系統(tǒng)檢測及保護(hù)。驅(qū)動系統(tǒng)主軸發(fā)生斷裂破壞時，則通過下方保護(hù)裝置避免主軸脫落，并通過限位機(jī)構(gòu)確保主軸位置變化小。如果主軸斷裂造成驅(qū)動輪位置發(fā)生改變，可通過電氣檢測元件將信號傳輸至控制系統(tǒng)中[11]，控制系統(tǒng)及時將驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行斷電閉鎖控制，實現(xiàn)主軸斷裂后架空乘人裝置的保護(hù)。

2.2 尾輪主軸斷軸保護(hù)裝置

架空乘人裝置尾輪部分安裝在機(jī)尾的位置處，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，尾輪系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)在架空乘人裝置中屬于隨動系統(tǒng)，工作過程中，行走輪在架空乘人裝置機(jī)尾支架導(dǎo)軌上，通過鋼絲繩對迂回輪的牽引作用實現(xiàn)尾輪系統(tǒng)的移動。在系統(tǒng)移動過程中，可實現(xiàn)對承載鋼絲繩長度的調(diào)節(jié)，從而保持架空乘人裝置整體載荷狀態(tài)的穩(wěn)定性，保證對人員輸送的安全及平穩(wěn)。

圖3 架空乘人裝置的尾輪系統(tǒng)1.導(dǎo)軌 2.行走輪 3.尾輪架 4.(尾)迂回輪 5.張緊導(dǎo)向雙滑輪

依據(jù)架空乘人裝置尾輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理，對尾輪的主軸進(jìn)行斷軸保護(hù)裝置的設(shè)計，其結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。尾輪主軸保護(hù)裝置同樣與架空乘人裝置主體之間采用支架的形式連接，隨著尾輪系統(tǒng)移動而移動，尾輪系統(tǒng)主軸發(fā)生磨損斷裂時，尾輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生一定位置改變，剛好落入到保護(hù)裝置支架中，從而限制其位置進(jìn)一步移動，避免鋼絲繩位置變化引起乘人座椅的脫落等；主軸斷裂造成尾輪位置改變，通過電氣檢測元件將信號傳輸至控制系統(tǒng)中，使控制系統(tǒng)將尾輪系統(tǒng)進(jìn)行斷電閉鎖控制，實現(xiàn)尾輪主軸斷裂后架空乘人裝置的保護(hù)。

圖4 尾輪斷軸保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)

3 架空乘人裝置電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化改造

對架空乘人裝置電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行一體化的優(yōu)化改造，采用變頻自動控制方式實現(xiàn)對架空乘人裝置的自動化控制。自動化電氣控制系統(tǒng)的組成包括硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。硬件控制系統(tǒng)部分主要包括操作控制臺、PLC的控制站及傳感器，傳感器負(fù)責(zé)對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，控制系統(tǒng)中的報警裝置負(fù)責(zé)對工作異常進(jìn)行報警提示。操作控制臺負(fù)責(zé)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的顯示，并可對架空乘人裝置的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)人機(jī)交互控制。

圖5 自動化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

控制系統(tǒng)PLC采用西門子S7-1200型控制器，選擇具有40個I/O口的226型號，實現(xiàn)對架空乘人裝置的主機(jī)及斷軸保護(hù)裝置所有接口的控制。

架空乘人裝置自動化控制系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 自動化控制系統(tǒng)的流程圖

輸入信號包括結(jié)構(gòu)的位置、鋼絲繩的速度、操作的驅(qū)動、斷軸保護(hù)裝置的傳感器信號等，對所用傳感器與PLC采用profibus協(xié)議進(jìn)行匹配通信。系統(tǒng)采用液晶曲面顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。軟件系統(tǒng)采用組態(tài)王進(jìn)行PLC的組態(tài)及控制程序編寫，控制程序主要包括系統(tǒng)主控制程序及相應(yīng)的初始化參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)的傳輸與處理模塊等。

系統(tǒng)在礦井集控系統(tǒng)下工作，當(dāng)檢測有人員上車時，依據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的指令進(jìn)行自身系統(tǒng)啟動，并對自動系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行校驗，當(dāng)有異常時進(jìn)行手動操作啟動，依據(jù)檢測到的人數(shù)及礦井的集控數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的判定以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。運(yùn)行過程中，對斷軸保護(hù)裝置等信號進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測有保護(hù)信號時及時進(jìn)行停車操作并報警，系統(tǒng)運(yùn)行正常時送至下車點，人員下車后系統(tǒng)自動停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 斷軸保護(hù)裝置的應(yīng)用及效果分析

對架空乘人裝置進(jìn)行斷軸保護(hù)裝置優(yōu)化設(shè)計，是煤礦安全生產(chǎn)的必要措施，特別是對人員生命安全保護(hù)至關(guān)重要。新型保護(hù)裝置結(jié)合機(jī)械式及電氣式保護(hù)的優(yōu)點，設(shè)計獨立的保護(hù)裝置模塊，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上與主機(jī)的結(jié)構(gòu)連接簡單，機(jī)械結(jié)構(gòu)堅固耐用，電氣保護(hù)裝置與主機(jī)的控制系統(tǒng)直接對接，系統(tǒng)的靈敏度高，實現(xiàn)機(jī)械保護(hù)與電氣保護(hù)的雙重安全保護(hù)。斷軸保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡單，可進(jìn)行模塊化安裝，且與系統(tǒng)的整體設(shè)計一致，便于進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對架空乘人裝置的安全保護(hù)，提高煤礦運(yùn)行的安全性。

對某煤礦使用的四部架空乘人裝置進(jìn)行斷軸保護(hù)裝置改造后，經(jīng)過安裝施工等共花費5.68萬元，與添加同等功能的獨立保護(hù)裝置相比可節(jié)省40余萬元，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。在實際進(jìn)行應(yīng)用過程中，采用架空乘人保護(hù)裝置設(shè)備運(yùn)行時僅需1名工作人員操作，全年可節(jié)省人工費用20余萬元。對設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)方面，所需的維護(hù)材料及維修的工作量可大量減少，全年約可節(jié)省人工及維護(hù)配件費用50余萬元。通過對斷軸保護(hù)裝置的使用，可以提高架空乘人裝置的安全性，保障人員的安全，降低了設(shè)備的運(yùn)行費用，可有效的避免惡性事故的產(chǎn)生。

5 結(jié) 語

架空乘人裝置是煤礦生產(chǎn)中進(jìn)行上下巷道的人員輸送裝置，在煤礦生產(chǎn)中具有廣泛應(yīng)用。架空乘人裝置采用滑輪組運(yùn)行原理，在井下長期運(yùn)行中，驅(qū)動輪及尾輪主軸的承載較大，且容易受到?jīng)_擊載荷的作用，容易發(fā)生磨損甚至斷裂的問題，造成煤礦的安全事故。為避免主軸斷裂時對人員的傷害，對架空乘人裝置的驅(qū)動輪及尾輪設(shè)計斷軸保護(hù)裝置，依靠機(jī)械保護(hù)與電氣保護(hù)相結(jié)合的方式，對主軸斷裂時進(jìn)行可靠的保護(hù)，及時進(jìn)行斷電操作，避免驅(qū)動輪及尾輪的墜落，從而保護(hù)作業(yè)人員免受傷害，提高煤礦的安全性，保證煤礦的安全開采。