面向煤礦井下的新型智能自固定絞車

王 梁

（中煤科工集團(tuán)煤炭科學(xué)研究總院有限公司，北京 100013）

1 現(xiàn)有絞車應(yīng)用情況及存在的問(wèn)題

現(xiàn)有的雙速多用絞車是不能夠依靠自身進(jìn)行固定的，需要利用6根液壓?jiǎn)误w支柱采用四壓兩趄式的固定方法，其結(jié)構(gòu)組成與固定方式如圖1所示，主要由絞車車架、工頻電機(jī)、聯(lián)軸器與抱閘、手動(dòng)變速箱、卷纜滾筒及主軸組成，其中兩根后壓液壓?jiǎn)误w立柱兩根前壓液壓?jiǎn)误w立柱基本垂直于絞車車架，支撐于巷道頂部，將絞車壓向巷道底板，兩根兩趄液壓?jiǎn)误w立柱頂端前傾的支撐在絞車車架前端和巷道頂部之間，當(dāng)絞車有向前運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，兩趄立柱會(huì)產(chǎn)生自鎖死效應(yīng)。該方法存在如下問(wèn)題：1）這種固定方式中液壓?jiǎn)误w支柱與頂板接觸面積小，對(duì)頂板比壓大，對(duì)頂板破會(huì)很嚴(yán)重，采用乳化液泵站支打后無(wú)保壓和泄壓功能，隨著頂板浮動(dòng)會(huì)造成支撐固定力不足或者造成單體支柱壓彎或者壓斷事故，進(jìn)而造成絞車?yán)摰绕茐男允鹿省Ｔ摴潭ǚ椒O易導(dǎo)致絞車框架與液壓?jiǎn)误w支柱的接觸位置因壓力過(guò)大發(fā)生塑性形變，損壞制動(dòng)閘以及輸入端聯(lián)軸器等元部件。2）絞車固定困難，效率低下。現(xiàn)有絞車一般需要在鏟車等設(shè)備輔助下，由8人～12人默契配合工作3小時(shí)～4小時(shí)才能完成一次固定，效率極其低下。3）現(xiàn)有雙速多用絞車采用手動(dòng)換擋方式進(jìn)行高低速切換，通過(guò)接觸器直接控制絞車起停與正反轉(zhuǎn)，絞車操作困難，尤其是絞車停車操作完全靠絞車司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，極易造成鋼絲繩過(guò)載斷繩，發(fā)生人員傷亡事故[1-2]。

鑒于目前雙速多用絞車存在的問(wèn)題，亟待開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種集自固定裝置、智能電液控系統(tǒng)于一身，可實(shí)現(xiàn)遙控控制、變頻調(diào)速、安全自檢等智能化功能為一體的智能自固定絞車，實(shí)現(xiàn)對(duì)老舊落后絞車的智能化升級(jí)改造，提升煤礦井下絞車使用的效率與安全性。

2 新型智能自固定絞車總體結(jié)構(gòu)與組成

新型智能自固定絞車總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要組成的元部件包括頂梁、頂梁加高座、卷筒、底盤及液壓油箱、立柱油缸、掩護(hù)梁及四連桿、動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)、排線器、智能電液控系統(tǒng)、液壓泵站、防撞梁等。

新型智能自固定絞車各部件的功能及優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：1）頂梁、立柱油缸、掩護(hù)梁及四連桿與底盤組成自固定系統(tǒng)，如圖2所示，絞車整體在4根立柱油缸的支撐下，能夠在巷道頂部與底板之間牢固固定。在這種定位方式下，理論上當(dāng)絞車受到2100kN拉力時(shí)絞車才能被拉動(dòng)，而絞車設(shè)計(jì)最大牽引力為500kN，在這樣的固定力下，絞車不僅可以作為鋼絲繩錨點(diǎn)，而且可以作為滑輪錨點(diǎn)，也就是說(shuō)，通過(guò)定滑輪與動(dòng)滑輪組合，該絞車在只有自身作為錨固點(diǎn)時(shí)就可以輸出最大2000kN牽引力，這非常方便于在綜采工作面的回撤收尾階段回收最后幾個(gè)液壓支架。2）立柱油缸具有壓力智能檢測(cè)、蓄能器和自動(dòng)補(bǔ)液功能，其中蓄能器可以對(duì)煤礦井下回撤巷道的浮頂壓力波動(dòng)起到緩沖作用，從而保持絞車的摩擦阻力。智能壓力檢測(cè)和自動(dòng)補(bǔ)液功能可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并補(bǔ)充柱狀油缸的油壓力，避免絞車被拉斷，絞車受力圖如圖3所示。3）底盤及液壓油箱采用一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高緊湊度設(shè)計(jì)，符合巷道狹小空間的需求。同時(shí)，一體化設(shè)計(jì)不僅減少了制造材料的消耗，節(jié)約了生產(chǎn)制造成本，還降低了整機(jī)的質(zhì)量。4）高性能高可靠性的制動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)絞車及時(shí)停車的必要條件。該絞車的卷纜傳動(dòng)部分構(gòu)成與排布如圖4所示，主要由排線器、鋼絲繩、卷纜滾筒及主軸、開(kāi)式大齒圈、驅(qū)動(dòng)減速器、駐車制動(dòng)器、運(yùn)行制動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。其中卷纜滾筒驅(qū)動(dòng)減速箱采用直交軸+雙層斜齒輪布局，從而使其在寬度方向和長(zhǎng)度方向有效的節(jié)約空間。驅(qū)動(dòng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)減速器通過(guò)駐車制動(dòng)器花鍵直連，配合精準(zhǔn)，可靠耐用。該絞車駐車制動(dòng)器與運(yùn)行制動(dòng)器全部采用濕式液壓制動(dòng)器，通過(guò)花鍵直接連接在驅(qū)動(dòng)減速器一軸與二軸，結(jié)構(gòu)緊湊，結(jié)實(shí)耐用，與傳統(tǒng)絞車的抱閘式制動(dòng)器相比，該濕式制動(dòng)器可靠性更高，制動(dòng)性能更好，故障率更低，使用壽命更長(zhǎng)，幾乎可以免維護(hù)。5）智能電液控系統(tǒng)能夠?qū)α⒅鶋毫Α⑼咚節(jié)舛取⒂蜏赜臀坏?6項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能控制與保護(hù)或者報(bào)警反饋。其中絞車收、放纜操作使用變頻調(diào)速、智能檢測(cè)、遙控控制等功能，實(shí)現(xiàn)絞車牽引力輸出可檢測(cè)、可顯示、可限制，并且能夠使卷筒及時(shí)停轉(zhuǎn)，最大程度避免斷繩現(xiàn)象的發(fā)生。6）在卷筒前段設(shè)置大推力排線器，可以對(duì)鋼絲繩進(jìn)行有效管理，極大的減少了絞車使用中亂繩夾繩問(wèn)題的出現(xiàn)，延長(zhǎng)了鋼絲繩使用壽命，并提高了絞車作業(yè)時(shí)的安全性[3]。7）其頂梁加高座可拆可換，可根據(jù)不同的巷道高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可更換不同高度的頂梁加高座。

整機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 整機(jī)主要參數(shù)

3 綜采搬家倒面中的應(yīng)用情況

3.1 綜采工作面回撤中的應(yīng)用情況

在國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)3個(gè)綜采工作面中，該絞車先后均參與了回撤作業(yè)任務(wù)，具體情況見(jiàn)表2。

表2 液壓支架回撤數(shù)量與工作面參數(shù)

其中各個(gè)工作面回撤情況如下：1）補(bǔ)連塔煤礦12510回撤工作面采用從中間向機(jī)頭、機(jī)尾回撤的搬家工藝施工，機(jī)尾方向由傳統(tǒng)雙速多用絞車回撤，機(jī)頭方向由新型智能自固定絞車回撤。回撤開(kāi)始時(shí)，機(jī)頭方向回撤速度明顯比機(jī)尾方向快，但是機(jī)頭方向在回撤至最后一個(gè)連巷時(shí)三角區(qū)發(fā)生頂板漏頂，清理漏頂矸石、減少掩護(hù)支架、更換鋼絲繩等耽誤了兩天，最終機(jī)頭機(jī)尾差不多同時(shí)完成回撤任務(wù)。2）單向絞車回撤工藝作為大柳塔煤礦52505綜采回撤工作面搬家的主要施工工藝，包括兩兩相距約60米的4個(gè)回撤聯(lián)巷。由于新型智能自固定絞車前期和后期用于該礦52301綜采安裝工作面參加安裝工作（因?yàn)樾陆g車固定方便），因此只在第3聯(lián)巷進(jìn)行了回撤液壓支架的作業(yè)，安全順利地完成了20架垛式支架和25架綜采支架的回撤牽引工作。3）補(bǔ)連塔礦12512綜采回撤面是大采高工作面，其工作采高約為8m，所應(yīng)用的液壓支架重約79t，其回撤巷道高度約為5.6m，超出了絞車設(shè)計(jì)的5.2m固定支撐高度，礦方將頂梁加高座由0.4 m增加至1.4m。此次回撤工作完成回撤垛式支架16臺(tái)，液壓支架30架。但是由于該工作面超出絞車設(shè)計(jì)使用高度，使絞車處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，在回撤完一個(gè)連巷后，排線器撥叉發(fā)生斷裂。礦方進(jìn)行綜合研討后，出于安全因素，隨即升井[4]。

3.2 綜采工作面回安裝中的應(yīng)用情況

在國(guó)家能源神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦52301綜采安裝工作面和三道溝煤礦85210綜采安裝工作面中，該絞車都參與了安裝任務(wù)。主要用于牽引綜采刮板鏈，同時(shí)也通過(guò)絞車對(duì)采煤機(jī)及其他綜采設(shè)備進(jìn)行牽引和位置調(diào)整。由于新型智能自固定絞車能夠快速定位，在安裝工作面可以隨時(shí)調(diào)整絞車固定位置和牽引方向，所以能夠很好的完成安裝工作面各項(xiàng)牽引工作，安裝效率大大提高。

3.3 應(yīng)用情況小結(jié)

新型智能自固定絞車經(jīng)過(guò)5個(gè)工作面的使用，可以看到，該新型智能自固定絞車與普通絞車相比，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）新型智能自固定絞車減少了操作人員的需求量，在降低人力成本的同時(shí)，顯著提高了作業(yè)效率。普通絞車效率低下，每次完成安裝定位，至少需要個(gè)24個(gè)工時(shí)（8人×3小時(shí)）。新型智能自固定絞車在相同的條件下，平均僅需2名操作員在20min內(nèi)即可完成，這得益于絞車采用的多模塊集成化設(shè)計(jì)。因?yàn)槊總€(gè)綜采回撤工作面施工最少需要安裝定位絞車5次，所以使用該新型絞車在每個(gè)綜采回撤工作面，光安裝定位時(shí)間就能節(jié)省至少116.6個(gè)工時(shí)。2）新型智能自固定絞車采用一體式支架固定裝置，頂部壓力比小，具備了壓力過(guò)大時(shí)的語(yǔ)音報(bào)警和壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，避免了由于液壓支柱壓力過(guò)大造成損壞和彎曲帶來(lái)的頂板局部壓力過(guò)大的現(xiàn)象，立柱支撐油缸能夠?qū)崟r(shí)保壓，有效防止絞車滑脫。特別是在安裝工作面時(shí)，絞車可以非常方便地插入刮板并逐漸向后牽引刮板鏈條。而用普通雙速多用絞車牽引時(shí)，由于其安裝定位費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以只能放置在相對(duì)較遠(yuǎn)的位置牽引刮板鏈。鋼絲繩過(guò)長(zhǎng)則會(huì)產(chǎn)生較大的彈性形變，導(dǎo)致刮板鏈頻繁出現(xiàn)“閃抽”問(wèn)題（就是由于鋼絲繩彈性回彈導(dǎo)致的短時(shí)急速抽拉），這非常容易造成刮板鏈和刮板機(jī)等設(shè)備損壞，并且極有可能會(huì)對(duì)安裝人員造成傷害，存在極大的安全隱患。此外，綜采安裝面一般都需要使用絞車從不同方向?qū)υO(shè)備進(jìn)行牽引，由于新型智能自固定絞車可以輕松調(diào)整固定位置和牽引角度，更符合綜采安裝面的實(shí)際需求。3）新型智能自定式絞車采用遙控操作和變頻調(diào)速的控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器的遠(yuǎn)程操作，保證了操作人員的生命安全。變頻調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的軟啟動(dòng)、平穩(wěn)加速以及平穩(wěn)停車等操作。特別對(duì)綜采安裝工作面，無(wú)論是用來(lái)牽引刮板鏈還是采煤機(jī)，其牽引速度都可以從0緩慢調(diào)整到所需速度。該功能不僅可以有效避免刮板鏈的拉斷，也可以準(zhǔn)確地將采煤機(jī)等設(shè)備牽引到合適的位置進(jìn)行安裝。此外，系統(tǒng)還設(shè)置了多種智能安全檢測(cè)和閉鎖保護(hù)措施，有效防止了安全事故的發(fā)生[5]。4）絞車采用了排線器，可有效避免鋼絲繩亂繩和夾繩的現(xiàn)象，大幅降低了鋼絲繩損壞和放繩時(shí)的工作量，有效提高了對(duì)鋼絲繩管理能力，延長(zhǎng)了鋼絲繩使用壽命。

4 結(jié)論

新型智能自固定絞車設(shè)計(jì)合理，能夠有效避免現(xiàn)有絞車使用中存在的很多問(wèn)題，整機(jī)運(yùn)行安全、可靠，極大的降低了絞車在煤礦井下使用時(shí)的安全隱患，相較于傳統(tǒng)雙速多用途絞車具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)理念具有顯著的創(chuàng)新性和實(shí)用性，并在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。

新型智能自固定絞車總體性能滿足使用要求，甚至在8米采高綜采回撤工作面中的5.6米高的回撤巷道中都能夠滿足使用要求，其自固定功能能夠使其快速固定，并且安全、可靠，減人增效效果明顯。

新型智能自固定絞車集自固定裝置、智能電液控系統(tǒng)于一身，其遙控控制、變頻調(diào)速、安全自檢等智能化技術(shù)的成功應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)煤礦井下絞車牽引作業(yè)的智能化與現(xiàn)代化提供了良好的設(shè)計(jì)思路與堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。