采煤機(jī)電纜自動(dòng)拖拽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

祝寶君

（同煤集團(tuán)機(jī)電裝備科大機(jī)械有限公司， 山西 大同 037000）

引言

當(dāng)前，煤炭開采過程中，采煤機(jī)電纜由于缺乏有效的收放牽引裝置，導(dǎo)致電纜磨損嚴(yán)重、耐用性差、更換頻繁，間接影響了采煤工作的效率，如果沒有及時(shí)處理，電纜破損后產(chǎn)生的漏電現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響井下工作的安全性，對煤礦財(cái)產(chǎn)、人員造成嚴(yán)重的威脅。為此，國家一些煤企開始關(guān)注采煤機(jī)電纜在采煤過程中的拖拽牽引問題，根據(jù)自身煤礦開發(fā)了一些電纜拖拽及控制裝置，用來解決采煤過程中電纜磨損嚴(yán)重的問題。比如液壓絞車型電纜拖拽系統(tǒng)、采煤機(jī)電纜收放裝置、采煤機(jī)自動(dòng)拖纜裝置等，但是由于液壓設(shè)備需要較大的空間位置以及電纜收放裝置得靠人力操作等原因，并沒有得到推廣與發(fā)展，本文基于此提出采煤機(jī)電纜自動(dòng)拖拽的設(shè)計(jì)方案[1]。

1 采煤機(jī)電纜的損耗原因分析

由于在采煤過程中，電纜在跟隨采煤機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)頻繁發(fā)生彎曲折疊現(xiàn)象，導(dǎo)致電纜翻出電纜槽。除此之外，電纜的磨損斷裂更是直接引起漏電導(dǎo)致事故的重要原因。為了解決該問題，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析了電纜損耗過重的原因。

1）電纜制造工藝、材質(zhì)本身的原因。隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，國家逐漸完善了煤炭行業(yè)電纜生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)采煤機(jī)電纜使用性能可達(dá)到MT818標(biāo)準(zhǔn)，與國外相比，仍然有很大差距。國內(nèi)電纜的節(jié)徑較大，彎曲半徑較大；外部絕緣材料耐磨性差；電纜芯線工藝落后等原因是電纜耐用性低的重要原因。

2）采煤機(jī)工作過程中的固有運(yùn)動(dòng)方式造成。目前，采煤機(jī)的工作方式主要有三種：滾筒端部煤層斜切進(jìn)刀先采三角煤、往返一次采兩刀；滾筒端部煤層斜切進(jìn)刀、不采三角煤、往返一次采一刀；滾筒中部煤層斜切進(jìn)刀，不采三角煤，往返一次采一刀。無論是哪一種方式，采煤機(jī)都會(huì)沿著綜采面來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電纜的二次彎曲等損耗，如圖1所示。

圖1 電纜的運(yùn)動(dòng)損耗示意圖

3）缺少專門對電纜的自動(dòng)化保護(hù)裝置。當(dāng)前，煤礦設(shè)備逐漸向高度自動(dòng)化發(fā)展，但是往往忽視了一些微小卻極其重要的地方，比如專門用于電纜的保護(hù)裝置。普遍認(rèn)為針對電纜等開發(fā)會(huì)提高生產(chǎn)成本，殊不知每年因?yàn)殡娎|損耗造成的停工、檢修等經(jīng)濟(jì)損失已經(jīng)很大[2]。

2 電纜自動(dòng)拖拽裝置的設(shè)計(jì)

針對電纜損耗較大的問題，有些專家提出了許多電纜保護(hù)裝置，但是皆因占地空間大、自動(dòng)化程度低、對環(huán)境要求高等特點(diǎn)不能大規(guī)模運(yùn)用。為此，筆者提出了電纜自動(dòng)拖拽裝置的設(shè)計(jì)思路。

2.1 電纜拖拽裝置執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)

電纜拖拽裝置系統(tǒng)最重要的部分是其拖拽裝置。拖拽裝置的結(jié)構(gòu)、工作方式直接影響了電纜的拖拽效果。

基于電纜在采煤工作中跟隨采煤機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特性，設(shè)計(jì)了如下頁圖2所示采煤機(jī)電纜自動(dòng)拖拽裝置。其工作原理為：驅(qū)動(dòng)機(jī)頭是整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)為拖拽過程提供動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)機(jī)頭由異步電機(jī)和減速器組成，電機(jī)動(dòng)力經(jīng)由減速器傳遞給主動(dòng)鏈條輪軸，輪軸的機(jī)械動(dòng)力經(jīng)由鏈條傳遞給直接負(fù)責(zé)電纜拖拽的輪架，這個(gè)過程便是電纜拖拽的整個(gè)動(dòng)力傳輸過程。為了保證整個(gè)過程的有效性，設(shè)計(jì)中將鏈條系統(tǒng)的中部放于裝有槽鋼的電纜夾中，很好地控制了傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中的松緊控制，降低了接觸磨擦所造成的動(dòng)力損失；同時(shí)將鏈條的從動(dòng)輪安裝于刮板機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)尾，更好地適應(yīng)采煤過程中的控制。

這種設(shè)計(jì)提供了較高的操作穩(wěn)定性，能夠有效地解決電纜拖拽過程中摩擦磨損的現(xiàn)象，能夠適應(yīng)煤炭井下生產(chǎn)的復(fù)雜環(huán)境[3]。

圖2 電纜拖拽裝置執(zhí)行模塊示意圖

2.2 電纜自動(dòng)拖拽裝置控制模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)采煤工作高度自動(dòng)化，同時(shí)提高采煤效率，保證人員生產(chǎn)的安全的目標(biāo)，必須為電纜執(zhí)行裝置配置科學(xué)合理的控制模塊。為此，從控制裝置的硬件布置與軟件實(shí)現(xiàn)理念兩個(gè)方面來闡述。

首先，電纜自動(dòng)控制模塊硬件部分的構(gòu)成主要包括：兩個(gè)三相異步電機(jī)，分別為電纜拖動(dòng)裝置、采煤機(jī)提供動(dòng)力，分離的動(dòng)力來源不會(huì)產(chǎn)生相互影響，保證工作的高效性；減速器用于協(xié)調(diào)匹配電機(jī)轉(zhuǎn)速與鏈條轉(zhuǎn)速，保證扭矩力的高效傳遞；兩個(gè)變頻器分別負(fù)責(zé)拖動(dòng)裝置電機(jī)與采煤機(jī)電機(jī)的工作狀態(tài)控制，以保證電纜與采煤機(jī)的協(xié)同工作；現(xiàn)場及遠(yuǎn)程控制通過觸摸屏對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，傳輸控制命令到達(dá)控制器后，控制器根據(jù)控制命令協(xié)調(diào)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。控制硬件的具體布局如圖3所示，既保證了控制硬件的使用安全，又不會(huì)影響正常的產(chǎn)煤工作。

其次，選用TIA Portal Step7 Professional V12作為開發(fā)工具，按照模塊化編程思想，使用梯形圖設(shè)計(jì)語言完成控制器程序設(shè)計(jì)、現(xiàn)場以及遠(yuǎn)程監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。最主要的是采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)電纜的張緊控制程序設(shè)計(jì)。本方案設(shè)計(jì)的是恒扭矩控制程序。其工作原理為：采煤機(jī)上行采煤時(shí)，拖拽裝置電機(jī)通過變頻器輸出合適轉(zhuǎn)矩保證電纜處于張緊狀態(tài)；采煤機(jī)下行時(shí)，拖動(dòng)電機(jī)改變轉(zhuǎn)矩方向，保證下行時(shí)的電纜張緊。通過如上步驟，保證電纜始終處于張緊狀態(tài)，防治摩擦造成的磨損。同時(shí)，當(dāng)拖拽裝置運(yùn)行異常時(shí)，控制系統(tǒng)隨即發(fā)出報(bào)警停機(jī)信號，及時(shí)預(yù)防不良的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。控制系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖4所示。

圖3 電纜自動(dòng)拖拽控制系統(tǒng)硬件

圖4 控制系統(tǒng)軟件工作流程圖

通過恒扭矩控制程序能很好地保證電纜處于張緊狀態(tài)，避免與煤巖等的摩擦擠壓，很好地實(shí)現(xiàn)了電纜工作的無人自動(dòng)化控制與保護(hù)[4]。

3 現(xiàn)場實(shí)證

為確保所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠較好地達(dá)到要求功能，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)對恒扭矩控制模式進(jìn)行可行性驗(yàn)證，分析其對電纜真實(shí)的保護(hù)效果，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場測試效果圖

根據(jù)現(xiàn)場簡單實(shí)測，可以發(fā)現(xiàn)在恒扭矩控制模式下，電纜能夠和采煤機(jī)保持很好的跟隨性，無論采煤機(jī)處于上行狀態(tài)還是下行狀態(tài)，拖纜裝置都會(huì)與采煤機(jī)保持協(xié)同作用，始終保證尼龍繩（電纜）處于張緊狀態(tài)，現(xiàn)場實(shí)測證明了該方案設(shè)計(jì)的合理性，能夠保證電纜的工作狀態(tài)，避免擠壓彎曲造成的損害。