采煤機智能化電纜拖拽裝置的應用研究

吳曉明

（晉能控股煤業集團云崗礦，山西 大同 037017）

隨著山西省智能化煤礦和智能化綜采工作面的不斷建設，山西省已逐步實現煤礦開采的“少人化、無人化、安全化”。在煤礦開采中，MG300/700-AWD型交流電牽引采煤機的應用有效地提高了煤礦開采的自動化和智能化程度，但該采煤機配置的舊式拖纜裝置應用效果不理想，導致電纜使用壽命降低，影響煤礦開采效率。針對這一情況，設計了一種新型智能化電纜拖拽裝置[1-6]，并在晉能控股煤業集團云崗礦8411智能化工作面進行了工業性試驗。

1 采煤機舊式拖纜裝置及存在的問題分析

1.1 舊式拖纜裝置組成及工作原理

MG300/700-AWD型交流電牽引采煤機配套有拖纜裝置，主要是在采煤機上山、下山采煤過程中，起到收入電纜和水管的作用。該采煤機舊式拖纜裝置結構如圖1，主要包括拖纜架、連接螺釘、回轉套、連接銷、連接耳、電纜卡、連接架、電纜夾板等部件。

圖1 采煤機舊式拖纜裝置結構示意圖

采用連接螺釘將拖纜架固定在電控箱上，采用連接架對O型鏈環電纜夾進行連接。電纜和水管從電纜夾的一端穿向另一端，最后由電纜卡卡住固定，防止其掉落。當采煤機發生牽引方向變化時，安裝在拖纜架上的回轉套可同時發生方向旋轉，讓電纜夾不發生側向彎曲。

1.2 舊式拖纜裝置存在的問題分析

MG300/700-AWD型交流電牽引采煤機配套的舊式拖纜裝置，在應用過程中問題頻發，主要有以下幾種情況：

（1）在機頭、機尾斜切進刀時，采煤機需要反復行走，導致電纜夾板發生疊加三層情況，超出電纜槽發生脫落。

（2）采煤機在急傾斜工作面作業時，上行拽拉電纜阻力增加，電纜易造成拉傷損壞。

（3）部分工作面的活動空間狹小，當拖纜發生故障時，人工維修非常困難。

2 新型智能化電纜拖拽裝置的設計

2.1 智能化電纜拖拽裝置結構分析

基于MG300/700-AWD型交流電牽引采煤機配套的舊式拖纜裝置在應用過程中存在的問題，針對性地提出了一種新型智能化電纜拖拽裝置。該裝置主要由機械和電氣兩大部分組成。

2.1.1 智能化電纜拖拽裝置機械部分組成

采煤機智能化電纜拖拽裝置機械部分組成如圖2，主要由驅動部、拖纜小車、滑座、彈簧缸、固定座、保護罩、油缸、回轉輪、軌道等部件組成。

圖2 智能化電纜拖拽裝置機械部分組成示意圖

驅動部為裝置提供驅動力，軌道為裝置提供支撐力，拖纜小車拖動電纜夾跟隨采煤機運行，傳動部鏈條回路可形成循環往復的運動狀態，回轉部為裝置提供張緊力。

采煤機在工作過程中，裝置中的拖纜小車安裝在刮板輸送機電纜槽內，并跟隨采煤機進行往復運動，運行速度為采煤機運行速度的1/2，此時電纜夾發生1次彎折，電纜2層疊加。

2.1.2 智能化電纜拖拽裝置電氣部分組成

采煤機智能化電纜拖拽裝置電氣部分組成如圖3，主要由電控驅動系統、鏈條自動張緊系統、上位機監測系統三部分組成。

圖3 智能化電纜拖拽裝置電氣部分組成示意圖

（1）電控驅動系統主要由電機、減速器、編碼器、變頻器、控制箱、CAN通信、RS485通信、校準開關等組成。控制箱內安設有西門子S7-1245C型PLC控制器，采集采煤機運行速度、方向、拉力，電纜拖拽裝置電機轉矩，拖纜小車位置等參數，計算確定拖纜小車應運行的速度。采用ACS800型多傳動直接轉矩控制型變頻器，能快速響應負載轉矩的變化。編碼器采用多軸伺服系統的多圈絕對值編碼器，該位置控制系統可精確測量并記錄拖纜小車的位置與速度，通過基于CAN總線的通信控制系統傳輸給PLC控制器。校準開關安裝在機尾位置，對拖纜小車位置進行進一步校準。

（2）鏈條自動張緊系統主要由張緊壓力傳感器、回轉部張緊油缸、支架控制器、綜合接入器等組成。支架控制器可接收一切關于張緊力調節命令信號并實施。鏈條自動張緊系統在拖纜小車運行前可提前預張緊鏈條，同時在拖纜小車運行過程中也可自動調節回轉部張緊油缸的壓力，保證鏈條始終保持在張緊狀態下工作。

（3）上位機監測系統主要由電纜拖拽裝置主機、采煤機主機、電液控主機、以太網、KJJ12交換機等部件組成。上位機系統采用天瑪公司的LongWallMind系統軟件，通過網線接入以太環網。該系統軟件與新型智能化電纜拖拽裝置的不同設備互聯，能完成以下功能：① 與電纜拖拽裝置主機互聯后，能實時對裝置運行狀態的監測、數據的存儲、報警顯示，并可實現拖纜小車的可視化；② 與采煤機主機互聯后，可與采煤機進行數據的交互和顯示；③ 與電液控主機互聯后，可對裝置回轉部自動張緊狀態進行監測。

2.2 智能化電纜拖拽裝置控制系統設計

2.2.1 控制策略

智能化電纜拖拽裝置S7-1245C型PLC控制器控制策略如圖4，控制策略中有采煤機速度、采煤機實際位置、采煤機牛頭拉力、電機輸出轉矩四大變量。

圖4 智能化電纜拖拽裝置S7-1245C型PLC控制器控制策略圖

通過調節控制策略中的四大變量，實現調節裝置中拖纜小車運行速度的作用，讓其跟隨采煤機行走。在這過程中電纜夾始終保持1次彎曲的情況，電纜2層疊加，可有效防止電纜夾卡阻、脫軌現象的發生，保障電纜的安全。在這一過程當中，電纜拖拽裝置無需遠程人工干預控制，即可實現自適應跟隨采煤機運行，實現了電纜隨采煤機牽引方向、速度自動收放控制，避免多層疊加，實現了智能化和自動化控制。

2.2.2 通信監測機制

設備通信主要分為四部分，如圖4。PLC通過CAN總線與采煤機直接通信，通過以太網與采煤機主機通信，均可獲得采煤機當前運行的位置、速度、方向、拉力信息，兩者形成冗余通信機制。當PLC與編碼器通信失敗時，PLC可根據讀取到的變頻器輸出電機轉速進行積分運算，計算拖纜小車的位置。除PLC與變頻器通信中斷外，有且僅有一個通信中斷時，采煤機電纜拖拽裝置仍能保持跟機自適應運行。

3 應用效果分析

新型智能化電纜拖拽裝置在MG300/700-AWD型交流電牽引采煤機完成安裝調試后，于2021年3月投入到實踐開采中。截至2021年9月，該采煤機已工作半年之久，采煤機運行正常，新型智能化電纜拖拽裝置工作狀態理想，電纜拖拽裝置無一起安全事故發生。新型智能化電纜拖拽裝置采用了自適應調節方式，有效保證了拖纜小車和采煤機牛頭處的2層疊加狀態，自適應調節狀態下，拖纜小車理論與實際位置偏差（如圖5）值較小，驗證了其能較好地自適應跟隨采煤機運行。

圖5 自適應調節狀態下拖纜小車理論與實際位置偏差