掘進機結構及電控系統的設計

陳永豐

（陽泉煤業集團長溝煤礦有限責任公司機運部機電隊， 山西 和順 032700）

引言

目前國內具有較多型號的掘進機，大多數為重型以及中小型的掘進機，其中重型掘進機的代表有LH-3000、S200 以及 EBJ160 型號[1]；中小型掘進機代表有AM50和S100型號[2]。近年來，這些型號的掘進機維穩，很少在此基礎上有較大的突破以及改進，面對快速發展的煤炭產業，已難以滿足產業需求。因此，為滿足市場對于掘進機的需求，研制一種截割功率在100～150 kW的掘進機，且具有較好的適應性、先進性、高效性以及可靠性。

1 掘進機結構的設計

該掘進機的主要運行功能包括截割、操作、裝運、行走等，針對于具有各種形狀斷面的半煤巖或者井下煤的巷道，總裝機的功率為242 kW，截割功率為132 kW，切割煤巖的硬度大致為60～70 MPa。當在確定位置截割時，截割寬度最大為5.24 m，截割高度最大為4 m。

該掘進機的電控系統通過可編程控制器（PLC）控制，可反映出如油箱的溫度、截割的功率以及系統的壓力等參數，這些均可通過液晶顯示屏進行展現。為提高整個施工環境的安全，該掘進機配備有噴霧系統，可有效地抑制相關截割所產生的火花和粉塵。

該掘進機主要包括三大機構：截割、裝運和行走；包括三大系統：水路、液壓以及電氣系統，三大機構和三大系統構成整個掘進機的設備裝配，該掘進機的總體參數如表1所示。

1.1 主體部分

主體部分主要用于承載各個機構等部件，其上部主要安裝截割機構，下部安裝裝運機構，刮板運輸機安裝在機架的內部，電氣操作箱位于后左部，噴霧泵站位于后中部，傳動部位于后右部，轉載機架則為于主體部分的尾部。

表1 掘進機的總體參數

1.2 截割機構

截割機位于主體部分的回轉臺上，主要通過銷軸和升降油缸進行連結。巷道的截割主要是依靠截割機通過一級的直齒和兩級的行星減速，如此驅動截割頭旋轉，截割頭直徑選用相對較小；截割方式采用縱軸方向；截割功率為132 kW。在截割的運行過程中，可通過內部輸送水至截割頭部噴射出來水霧以達到降塵的目的。

1.3 裝運機構

裝運機構主要由兩部分組成，包括裝載部和運輸部，分別位于主體部的下部以及主體部分。

1.4 行走機構

行走機構主要通過液壓的馬達進行驅動，位于主體部位的左右，通過一級的直齒和兩級的行星減速，整個掘進動作的完成傳遞過程為動力傳遞至驅動的鏈輪，隨后傳遞至履帶，最后完成整個掘進機的前后、左右的行進運動。

1.5 電氣系統

該電氣系統主要由操縱箱、電氣控制箱、照明燈、警鈴等組成部分構成[3]。供電電壓為660 V或者1 140 V，液晶屏可實時反映工況以及相關工況參數，整個回路由PLC控制，安全可靠。

1.6 液壓系統

液壓系統的壓力選擇為16 MPa,供油主要通過三聯齒輪泵進行，采用直動和先導式兩種控制方式。

1.7 噴霧冷卻系統

該系統主要保證整個截割過程的安全性，主要的運行回路包括內噴霧、外噴霧以及冷卻水構成，主要抑制整個施工環境中的火花和粉塵。

2 電控系統的設計

掘進機的電控系統組成部分主要包括電控箱、操縱箱以及電器元件，如圖1所示。整個電控系統運行的數據采集過程主要通過電流、溫度傳感器以及電壓互感器將信號傳至于電流、電壓以及溫度變送器，隨之利用模塊可將模擬信號轉換為數字信號，最終傳至PLC，通過分析數據，使得PLC作出指令。

圖1 電控系統組成部分

本文主要開發一種適用于切割煤以及應用于半煤巖巷道的掘進機，該機型符合目前國內的市場要求。針對該掘進機的電控系統采用可編程控制器（PLC）作為控制的核心，該控制回路的主電源為本安型電源；利用電壓變送器和電流互感器，將原本的模擬信號轉化成數字信號，整個電路為數字電路；設置相關的語音報警裝置，當掘進機在開始啟動以及行走過程中有語音報警提示；所采用的通訊方式為串行接口。

2.1 溫控電路

當截割電動機以及油泵的設備組成部分發生故障，比如在設備開始啟動、機械傳動以及超負荷運行過程中，這些故障極易引起繞組發熱。如若該部分的溫度大于電機自身部分能夠承受的溫度時，結果則導致電動機燒壞事故。為避免電動機溫度過高，引發事故，設計出相關的溫控電路。設置出R1、R2、R3以及三個熱敏電阻組成分壓器。當存在一個過熱的繞組時，其相鄰的熱敏電阻阻值急速增大，這一現象使得分壓點的電壓達到最高電壓值，導通電路中的VT1通道，導通VS通道，中斷單片機，最終可通過回路控制使得電機斷電，整個回路安全可靠。

2.2 語音系統

語音系統主要位于電控箱的內部，通過將啟動的信號傳送到語言合成板或者傳送至控制電路中，按照操作者所按下的運行指令，發出該指令對應的語言提示。例如，當操作者按下標有“啟動”鍵的指令時，隨之發出“請注意！掘進準備開始啟動”的提示，整個操作過程簡單便捷。

本部分主要設計出語音系統軟件，所設計出的語音系統軟件首先可產生的采樣頻率為10 Hz，再者可壓縮儲存所采集的數字量，其中所采用的壓縮處理方法被稱為“狀態計數法”，例如，對于一個數值連續出現128次，只需要采集一個字節。此種方法方便快捷，同時也設計出相應軟件程序來滿足語音功能。

2.3 數據通訊

通常掘進機的工作過程為司機通過操作箱作出操作指令，隨后傳送至電控箱，電控箱根據指令要求調控于具體設備。傳統的操作箱將信號傳送至電控箱時，需要20多根導線進行連接，如若將信號進行反饋，則需要多至30根導線進行連接。過多的連線不僅加大了這個設備的整體體積，同時，在掘進機進行施工過程中，也加重了安全隱患。因此，本部分主要設計出計算機通訊條件來進行信號的傳送與反饋，同時，設計相應的軟件程序可完成計算機通訊。

3 應用評價

對該掘進機結構以及電控系統進行設計，主要達成以下特點：截割方式采用縱軸方向，具有較大的截割功率，高效率；截割頭選用的直徑相對較小，具有合理的布局結構，高穩定性；配備有內外噴霧系統，有著良好的施工環境；電控系統選擇供電電壓為660 V或者1 140 V，液晶屏可實時反映工況以及相關工況參數，整個回路由PLC控制，安全可靠。

將該設計配備有的該掘進機應用于某設備制造廠完成了首批試制；并將該設備送至檢測設備廠完成檢測；最后應用于某礦進行工業的試驗。整個試驗結果表明，改進后的掘進機整體設計合理、結構緊湊、可操作性強。