掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)及電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳永豐

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)長(zhǎng)溝煤礦有限責(zé)任公司機(jī)運(yùn)部機(jī)電隊(duì)， 山西 和順 032700）

引言

目前國(guó)內(nèi)具有較多型號(hào)的掘進(jìn)機(jī)，大多數(shù)為重型以及中小型的掘進(jìn)機(jī)，其中重型掘進(jìn)機(jī)的代表有LH-3000、S200 以及 EBJ160 型號(hào)[1]；中小型掘進(jìn)機(jī)代表有AM50和S100型號(hào)[2]。近年來(lái)，這些型號(hào)的掘進(jìn)機(jī)維穩(wěn)，很少在此基礎(chǔ)上有較大的突破以及改進(jìn)，面對(duì)快速發(fā)展的煤炭產(chǎn)業(yè)，已難以滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)需求。因此，為滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)于掘進(jìn)機(jī)的需求，研制一種截割功率在100～150 kW的掘進(jìn)機(jī)，且具有較好的適應(yīng)性、先進(jìn)性、高效性以及可靠性。

1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

該掘進(jìn)機(jī)的主要運(yùn)行功能包括截割、操作、裝運(yùn)、行走等，針對(duì)于具有各種形狀斷面的半煤巖或者井下煤的巷道，總裝機(jī)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(dāng)在確定位置截割時(shí)，截割寬度最大為5.24 m，截割高度最大為4 m。

該掘進(jìn)機(jī)的電控系統(tǒng)通過(guò)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(tǒng)的壓力等參數(shù)，這些均可通過(guò)液晶顯示屏進(jìn)行展現(xiàn)。為提高整個(gè)施工環(huán)境的安全，該掘進(jìn)機(jī)配備有噴霧系統(tǒng)，可有效地抑制相關(guān)截割所產(chǎn)生的火花和粉塵。

該掘進(jìn)機(jī)主要包括三大機(jī)構(gòu)：截割、裝運(yùn)和行走；包括三大系統(tǒng)：水路、液壓以及電氣系統(tǒng)，三大機(jī)構(gòu)和三大系統(tǒng)構(gòu)成整個(gè)掘進(jìn)機(jī)的設(shè)備裝配，該掘進(jìn)機(jī)的總體參數(shù)如表1所示。

1.1 主體部分

主體部分主要用于承載各個(gè)機(jī)構(gòu)等部件，其上部主要安裝截割機(jī)構(gòu)，下部安裝裝運(yùn)機(jī)構(gòu)，刮板運(yùn)輸機(jī)安裝在機(jī)架的內(nèi)部，電氣操作箱位于后左部，噴霧泵站位于后中部，傳動(dòng)部位于后右部，轉(zhuǎn)載機(jī)架則為于主體部分的尾部。

表1 掘進(jìn)機(jī)的總體參數(shù)

1.2 截割機(jī)構(gòu)

截割機(jī)位于主體部分的回轉(zhuǎn)臺(tái)上，主要通過(guò)銷(xiāo)軸和升降油缸進(jìn)行連結(jié)。巷道的截割主要是依靠截割機(jī)通過(guò)一級(jí)的直齒和兩級(jí)的行星減速，如此驅(qū)動(dòng)截割頭旋轉(zhuǎn)，截割頭直徑選用相對(duì)較小；截割方式采用縱軸方向；截割功率為132 kW。在截割的運(yùn)行過(guò)程中，可通過(guò)內(nèi)部輸送水至截割頭部噴射出來(lái)水霧以達(dá)到降塵的目的。

1.3 裝運(yùn)機(jī)構(gòu)

裝運(yùn)機(jī)構(gòu)主要由兩部分組成，包括裝載部和運(yùn)輸部，分別位于主體部的下部以及主體部分。

1.4 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)主要通過(guò)液壓的馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，位于主體部位的左右，通過(guò)一級(jí)的直齒和兩級(jí)的行星減速，整個(gè)掘進(jìn)動(dòng)作的完成傳遞過(guò)程為動(dòng)力傳遞至驅(qū)動(dòng)的鏈輪，隨后傳遞至履帶，最后完成整個(gè)掘進(jìn)機(jī)的前后、左右的行進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

1.5 電氣系統(tǒng)

該電氣系統(tǒng)主要由操縱箱、電氣控制箱、照明燈、警鈴等組成部分構(gòu)成[3]。供電電壓為660 V或者1 140 V，液晶屏可實(shí)時(shí)反映工況以及相關(guān)工況參數(shù)，整個(gè)回路由PLC控制，安全可靠。

1.6 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)的壓力選擇為16 MPa,供油主要通過(guò)三聯(lián)齒輪泵進(jìn)行，采用直動(dòng)和先導(dǎo)式兩種控制方式。

1.7 噴霧冷卻系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要保證整個(gè)截割過(guò)程的安全性，主要的運(yùn)行回路包括內(nèi)噴霧、外噴霧以及冷卻水構(gòu)成，主要抑制整個(gè)施工環(huán)境中的火花和粉塵。

2 電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)的電控系統(tǒng)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(gè)電控系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集過(guò)程主要通過(guò)電流、溫度傳感器以及電壓互感器將信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最終傳至PLC，通過(guò)分析數(shù)據(jù)，使得PLC作出指令。

圖1 電控系統(tǒng)組成部分

本文主要開(kāi)發(fā)一種適用于切割煤以及應(yīng)用于半煤巖巷道的掘進(jìn)機(jī)，該機(jī)型符合目前國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)要求。針對(duì)該掘進(jìn)機(jī)的電控系統(tǒng)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(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，整個(gè)電路為數(shù)字電路；設(shè)置相關(guān)的語(yǔ)音報(bào)警裝置，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)在開(kāi)始啟動(dòng)以及行走過(guò)程中有語(yǔ)音報(bào)警提示；所采用的通訊方式為串行接口。

2.1 溫控電路

當(dāng)截割電動(dòng)機(jī)以及油泵的設(shè)備組成部分發(fā)生故障，比如在設(shè)備開(kāi)始啟動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)以及超負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，這些故障極易引起繞組發(fā)熱。如若該部分的溫度大于電機(jī)自身部分能夠承受的溫度時(shí)，結(jié)果則導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒壞事故。為避免電動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高，引發(fā)事故，設(shè)計(jì)出相關(guān)的溫控電路。設(shè)置出R1、R2、R3以及三個(gè)熱敏電阻組成分壓器。當(dāng)存在一個(gè)過(guò)熱的繞組時(shí)，其相鄰的熱敏電阻阻值急速增大，這一現(xiàn)象使得分壓點(diǎn)的電壓達(dá)到最高電壓值，導(dǎo)通電路中的VT1通道，導(dǎo)通VS通道，中斷單片機(jī)，最終可通過(guò)回路控制使得電機(jī)斷電，整個(gè)回路安全可靠。

2.2 語(yǔ)音系統(tǒng)

語(yǔ)音系統(tǒng)主要位于電控箱的內(nèi)部，通過(guò)將啟動(dòng)的信號(hào)傳送到語(yǔ)言合成板或者傳送至控制電路中，按照操作者所按下的運(yùn)行指令，發(fā)出該指令對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言提示。例如，當(dāng)操作者按下標(biāo)有“啟動(dòng)”鍵的指令時(shí)，隨之發(fā)出“請(qǐng)注意！掘進(jìn)準(zhǔn)備開(kāi)始啟動(dòng)”的提示，整個(gè)操作過(guò)程簡(jiǎn)單便捷。

本部分主要設(shè)計(jì)出語(yǔ)音系統(tǒng)軟件，所設(shè)計(jì)出的語(yǔ)音系統(tǒng)軟件首先可產(chǎn)生的采樣頻率為10 Hz，再者可壓縮儲(chǔ)存所采集的數(shù)字量，其中所采用的壓縮處理方法被稱(chēng)為“狀態(tài)計(jì)數(shù)法”，例如，對(duì)于一個(gè)數(shù)值連續(xù)出現(xiàn)128次，只需要采集一個(gè)字節(jié)。此種方法方便快捷，同時(shí)也設(shè)計(jì)出相應(yīng)軟件程序來(lái)滿(mǎn)足語(yǔ)音功能。

2.3 數(shù)據(jù)通訊

通常掘進(jìn)機(jī)的工作過(guò)程為司機(jī)通過(guò)操作箱作出操作指令，隨后傳送至電控箱，電控箱根據(jù)指令要求調(diào)控于具體設(shè)備。傳統(tǒng)的操作箱將信號(hào)傳送至電控箱時(shí)，需要20多根導(dǎo)線進(jìn)行連接，如若將信號(hào)進(jìn)行反饋，則需要多至30根導(dǎo)線進(jìn)行連接。過(guò)多的連線不僅加大了這個(gè)設(shè)備的整體體積，同時(shí)，在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工過(guò)程中，也加重了安全隱患。因此，本部分主要設(shè)計(jì)出計(jì)算機(jī)通訊條件來(lái)進(jìn)行信號(hào)的傳送與反饋，同時(shí)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件程序可完成計(jì)算機(jī)通訊。

3 應(yīng)用評(píng)價(jià)

對(duì)該掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)以及電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要達(dá)成以下特點(diǎn)：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(duì)較小，具有合理的布局結(jié)構(gòu)，高穩(wěn)定性；配備有內(nèi)外噴霧系統(tǒng)，有著良好的施工環(huán)境；電控系統(tǒng)選擇供電電壓為660 V或者1 140 V，液晶屏可實(shí)時(shí)反映工況以及相關(guān)工況參數(shù)，整個(gè)回路由PLC控制，安全可靠。

將該設(shè)計(jì)配備有的該掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用于某設(shè)備制造廠完成了首批試制；并將該設(shè)備送至檢測(cè)設(shè)備廠完成檢測(cè)；最后應(yīng)用于某礦進(jìn)行工業(yè)的試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的掘進(jìn)機(jī)整體設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊、可操作性強(qiáng)。