采煤機電纜自動拖拽系統的設計

祝寶君

（同煤集團機電裝備科大機械有限公司， 山西 大同 037000）

引言

當前，煤炭開采過程中，采煤機電纜由于缺乏有效的收放牽引裝置，導致電纜磨損嚴重、耐用性差、更換頻繁，間接影響了采煤工作的效率，如果沒有及時處理，電纜破損后產生的漏電現象會嚴重影響井下工作的安全性，對煤礦財產、人員造成嚴重的威脅。為此，國家一些煤企開始關注采煤機電纜在采煤過程中的拖拽牽引問題，根據自身煤礦開發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重的問題。比如液壓絞車型電纜拖拽系統、采煤機電纜收放裝置、采煤機自動拖纜裝置等，但是由于液壓設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展，本文基于此提出采煤機電纜自動拖拽的設計方案[1]。

1 采煤機電纜的損耗原因分析

由于在采煤過程中，電纜在跟隨采煤機往復運動的過程中會頻繁發生彎曲折疊現象，導致電纜翻出電纜槽。除此之外，電纜的磨損斷裂更是直接引起漏電導致事故的重要原因。為了解決該問題，結合實踐經驗分析了電纜損耗過重的原因。

1）電纜制造工藝、材質本身的原因。隨著煤炭行業的發展，國家逐漸完善了煤炭行業電纜生產的標準。目前，國內采煤機電纜使用性能可達到MT818標準，與國外相比，仍然有很大差距。國內電纜的節徑較大，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）采煤機工作過程中的固有運動方式造成。目前，采煤機的工作方式主要有三種：滾筒端部煤層斜切進刀先采三角煤、往返一次采兩刀；滾筒端部煤層斜切進刀、不采三角煤、往返一次采一刀；滾筒中部煤層斜切進刀，不采三角煤，往返一次采一刀。無論是哪一種方式，采煤機都會沿著綜采面來回往復運動，導致電纜的二次彎曲等損耗，如圖1所示。

圖1 電纜的運動損耗示意圖

3）缺少專門對電纜的自動化保護裝置。當前，煤礦設備逐漸向高度自動化發展，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裝置。普遍認為針對電纜等開發會提高生產成本，殊不知每年因為電纜損耗造成的停工、檢修等經濟損失已經很大[2]。

2 電纜自動拖拽裝置的設計

針對電纜損耗較大的問題，有些專家提出了許多電纜保護裝置，但是皆因占地空間大、自動化程度低、對環境要求高等特點不能大規模運用。為此，筆者提出了電纜自動拖拽裝置的設計思路。

2.1 電纜拖拽裝置執行模塊設計

電纜拖拽裝置系統最重要的部分是其拖拽裝置。拖拽裝置的結構、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往復運動的特性，設計了如下頁圖2所示采煤機電纜自動拖拽裝置。其工作原理為：驅動機頭是整個執行機構的動力輸出機構，負責為拖拽過程提供動力。驅動機頭由異步電機和減速器組成，電機動力經由減速器傳遞給主動鏈條輪軸，輪軸的機械動力經由鏈條傳遞給直接負責電纜拖拽的輪架，這個過程便是電纜拖拽的整個動力傳輸過程。為了保證整個過程的有效性，設計中將鏈條系統的中部放于裝有槽鋼的電纜夾中，很好地控制了傳動系統在運動過程中的松緊控制，降低了接觸磨擦所造成的動力損失；同時將鏈條的從動輪安裝于刮板機的回轉機尾，更好地適應采煤過程中的控制。

這種設計提供了較高的操作穩定性，能夠有效地解決電纜拖拽過程中摩擦磨損的現象，能夠適應煤炭井下生產的復雜環境[3]。

圖2 電纜拖拽裝置執行模塊示意圖

2.2 電纜自動拖拽裝置控制模塊設計

為了實現采煤工作高度自動化，同時提高采煤效率，保證人員生產的安全的目標，必須為電纜執行裝置配置科學合理的控制模塊。為此，從控制裝置的硬件布置與軟件實現理念兩個方面來闡述。

首先，電纜自動控制模塊硬件部分的構成主要包括：兩個三相異步電機，分別為電纜拖動裝置、采煤機提供動力，分離的動力來源不會產生相互影響，保證工作的高效性；減速器用于協調匹配電機轉速與鏈條轉速，保證扭矩力的高效傳遞；兩個變頻器分別負責拖動裝置電機與采煤機電機的工作狀態控制，以保證電纜與采煤機的協同工作；現場及遠程控制通過觸摸屏對系統進行實時監測，傳輸控制命令到達控制器后，控制器根據控制命令協調系統的高效運行。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，又不會影響正常的產煤工作。

其次，選用TIA Portal Step7 Professional V12作為開發工具，按照模塊化編程思想，使用梯形圖設計語言完成控制器程序設計、現場以及遠程監控界面設計。最主要的是采煤機運動時電纜的張緊控制程序設計。本方案設計的是恒扭矩控制程序。其工作原理為：采煤機上行采煤時，拖拽裝置電機通過變頻器輸出合適轉矩保證電纜處于張緊狀態；采煤機下行時，拖動電機改變轉矩方向，保證下行時的電纜張緊。通過如上步驟，保證電纜始終處于張緊狀態，防治摩擦造成的磨損。同時，當拖拽裝置運行異常時，控制系統隨即發出報警停機信號，及時預防不良的運動狀態。控制系統軟件工作流程圖如圖4所示。

圖3 電纜自動拖拽控制系統硬件

圖4 控制系統軟件工作流程圖

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

3 現場實證

為確保所設計系統能夠較好地達到要求功能，搭建實驗臺對恒扭矩控制模式進行可行性驗證，分析其對電纜真實的保護效果，如圖5所示。

圖5 現場測試效果圖

根據現場簡單實測，可以發現在恒扭矩控制模式下，電纜能夠和采煤機保持很好的跟隨性，無論采煤機處于上行狀態還是下行狀態，拖纜裝置都會與采煤機保持協同作用，始終保證尼龍繩（電纜）處于張緊狀態，現場實測證明了該方案設計的合理性，能夠保證電纜的工作狀態，避免擠壓彎曲造成的損害。