綜采工作面采煤機自動拖纜系統的設計分析

王璽淦

（晉能控股煤業集團挖金灣煤業有限責任公司，山西 大同 037001）

引言

目前，我國絕大部分煤礦綜采工作面應用采煤機采掘，在煤礦開采過程中，采煤機電纜線及排水管路隨采煤機來回移動，在采煤機數次近程來回、尤其是切角下刀過程中，電纜夾非常容易在豎直角度上產生數次彎曲，不但促使電纜夾滑下電纜線槽造成過多損壞或夾傷，而且導致采煤機“馬鞍子架”沒法順利通過，特別是在薄煤巷，支撐架沒有充分的降架空間，造成支撐架沒法順利拉架和推溜。現階段，綜采工作面采煤機電纜線管理方法關鍵靠人力解決，勞動效率大，且解決次數高，不利于煤礦業完成安全性、高效率采掘，因此，針對綜采工作面采煤機全自動拖纜系統展開設計分析。

1 拖纜系統運行原理

本體系的設計原理是運用動滑輪組的特點，采煤機電纜夾盤繞在拖纜小車的拖纜滾軸上，控制系統實時讀取采煤機的運行方位、速率、部位等有關性能參數，控制拖纜驅動部運行，驅動力傳送選擇特別適合礦山開采長運距、重載運行的鏈條傳輸動力，完成拖纜小車和采煤機的同步追隨，二者之間一直維持方位一致、速率V拖纜=V采煤機/2 的關聯，持續保持采煤機電纜線具有穩定的支撐力，不產生二次折彎[1]。運行原理如圖1 所示。

圖1 拖纜系統運行原理

2 機械系統總體結構

為了更好地融入工作面總體配套設施，全自動拖纜驅動部布局在工作面機尾段，從機頭到機尾運行為拖纜情況，機尾到機頭為放纜狀況。機械結構關鍵包含驅動部、尾旋轉部、電纜線槽等，整體方案如圖2 所示。

圖2 機械系統總體方案

1）驅動部。驅動部選用水平布局方法，即電機平行于工作面。傳動系統挑選電動機與減速機一體式的減速機，電動機內置伺服電機。驅動鏈輪與減速機利用扭距軸聯接，鏈輪鏈條體選用高韌性碳素鋼煅造成型，機架電焊焊接成型，與刮板輸送機連接。

2）尾回轉部。尾旋轉部安裝在輸送機正中間位置的電纜線槽中，可在一定長度的路軌槽體滾動，與驅動部鏈輪共同具有旋轉傳動鏈條的功能。

3）電纜槽。電纜線槽集電纜線管理、拖纜小車運行、驅動鏈運行于一體，不但作為電纜線、水液管道、電源線等的儲存空間，而且是拖纜小車和驅動鏈條的運行通道。

4）拖纜小車。拖纜小車是拖纜設備的動作執行機構，傳動裝置輸出的動力通過傳動鏈條傳送到拖纜小車上，再由拖纜小車拖拽電纜夾在電纜線槽體定向運動。

5）鏈張緊系統。鏈張緊系統通過液壓傳動系統控制液壓系統調節尾旋轉部的部位，進而實現調整傳動鏈條松緊程度的目的，為了更好地輸出穩定的支撐力，工作中液壓系統處在實時張緊狀態。

3 電控系統

電子控制系統包含礦井就地控制系統和遠程控制系統兩部分。礦井就地控制系統對收集到的采煤機數據信息進行剖析、分辨、解決，并經過一定的控制優化算法控制變頻調速器輸出，控制拖纜小車同方向、半速追隨采煤機運行。就地控制系統配有壓力、部位、行程等各種感應器，實時監測有關數據信息，隨后反饋到控制系統主站，便于進一步校準與決策。實時監控系統坐落于礦井集中化控制核心，即時與就地控制系統進行數據傳輸，并統一列入煤礦健康管理中心，隨后傳送到路面分控核心，產生地質、開采、機電等多源對映異構信息內容的實時分享和反饋。控制系統如圖3 所示。

圖3 控制系統結構示意圖

3.1 硬件系統

3.1.1 控制主站

選用ZDYG127（A）-Z 礦井隔爆兼本安型液壓控制設備主站，以可編程控制器（PLC）做為關鍵，配備通訊控制模塊、數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊，以MEG128 為關鍵的功能鍵通信板為輸入控制器和TPC 1261Hii 真彩12 寸液晶顯示器做為顯示設備，功能鍵通信板負責對電腦鍵盤和按鍵的輸入信號完成收集[2]。

3.1.2 控制分站

為了更好地有利于控制系統對遠端數據收集及現場安裝，在尾旋轉部設定控制子站，用以收集液壓系統壓力、行程、部位等有關數據信息，也可控制繼電器組打開與關掉，完成尾端張緊系統的遠程操控。控制子站通過控制系統總線與主站通信，完成主站統一管理與決策。

3.1.3 變頻器及編碼器

變頻器挑選BPJ-45/660K 型四象限變頻器，選用ABB 機芯，工作標準電壓660 V，輸出頻率5～60 Hz帶轉距控制作用。電機編碼器安裝在電動機核心軸上，為絕對值型。

3.2 軟件系統

軟件開發包含上位機程序編寫和下位機程序編寫2 個部分。上位機選用北京市亞控科技組態王6.55 進行控制頁面組態。配有主界面、基本參數頁面、常見故障查看頁面、運行數據信息頁面、曲線圖表明頁面等。

下位機選用PLC 進行控制編程設計，用結構化編程方法程序編寫，以功能塊為模塊來實施歸類，源程序塊ZB1 用以全部控制功能的構架管理，其固層下按照不同功能來分成好幾個功能塊，有電機控制功能塊IBC 1、感應器數據收集功能塊KC2、通信功能塊KC3 及其他功能塊KC4，功能塊還可以啟用相對應作用的程序段。

3.3 系統通信及工作流程

系統依據設施的差異特性選用不同的通信協議。主站與變頻器、液晶顯示屏、電機編碼器等相互之間的通信選用RS485 通信，主站與從站PLC 中間選用CAN 通信協議，液晶顯示屏與功能鍵通信板選用RS232 通信協議。主站與遠程控制系統、遠程控制系統與分控中心采取工業以太環網通信。

自動拖纜電子控制系統的控制主站、控制子站、各感應器、遠程控制系統及路面分控中心在系統運行時相互協作、相互配合，發生常見故障的時候會發出警報，關鍵時各體系會協同鎖閉并關機，其工作內容如圖4 所示。

圖4 電控系統工作流程圖

4 關鍵技術及現場應用

4.1 關鍵技術

1）電器過載保護。電子控制系統實時收集變頻器輸入輸出的工作電流及電動機溫度，當電流量及溫度有一個主要參數超出預警信息值時，電子控制系統傳出關機命令，并上傳入遠程控制系統和路面分控中心來進行聲光報警。

2）液壓過載保護。傳動鏈條張緊系統選用液壓系統來進行及時張緊，在液壓系統進液口串連一個液位傳感器和溢流閥，當泵房壓力出現異常上升，或傳動鏈條上的負荷大幅度擴大時，液壓系統上的壓力相對應擴大，超出溢流閥卸液值時，會向外噴霧，同時液位傳感器提交壓力數據信息，提示工作人員進行處理，防止液壓系統壓力過大而爆缸或是毀壞密封性。

4.2 拖纜裝置現場應用效果分析

該套系統自2020 年6 月在43102 工作面進行生產性實驗至今，進行了單機運行調節、調速及超頻調節、跟機空載調節、聯調聯試4 個環節，總計運行調節時間近6 個月。在采煤機掛纜聯調聯試2 個半月中，工作面總計推動300 m，過煤量近15 萬t，經歷了老頂來壓、周期來壓、過頂層煤柱、過斷層等各種繁雜工作狀況的磨練，現階段機器設備運行穩定，電纜線自動拖動靈便，可以完全代替人力完成當場采煤機電纜線管理，做到了相關要求；同時拖纜小車具備清煤作用，能夠自動清理電纜線槽里的落煤，降低了人力清煤的勞動量。

5 結論

1）研發了采煤機全自動拖纜設備的機械結構，得出了設備整體布局方案，設計了關鍵零部件，并對其作用及功能進行了闡述，得出了設備的性能參數，設計了拖纜鏈道豎直布局的建設方案。

2）根據設計的機械結構，研發了電子控制系統。對控制主站、控制子站、感應器等關鍵零部件進行了型號選擇，并對軟件開發、系統通訊進行了具體研究。

3）進行了過載保護技術研究，設計了機械設備、電器、液壓三種過壓保護方法，提升了機器設備運行的穩定性；創新了放纜情況下轉速與轉距協作控制方式，明確提出了以轉速控制為主、轉距控制為輔、二者協作控制的控制對策。

4）機器設備實現了當場運用，經過了各種繁雜工作狀況的磨練，運行較為穩定，做到了設計要求，具有向市場推廣的要求。