礦用電纜存儲裝置的研發與應用*

朱天龍

(1.山西天地煤機裝備有限公司, 山西 太原 030006；2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

根據《煤礦作業規程》要求，煤礦井下移動變電站嚴禁帶電遷移。所以在我國煤礦井下綜采工作面順槽巷道內，搬運移動變電站等設備列車機尾到綜采工作面需要預留至少20 m以上的預留電纜、液管等，保證綜采工作面生產過程中，用于運輸移動變電站等綜采配套設備的設備列車保持不動，能夠有足夠的電纜、液管保證工作面采煤機、液壓支架、刮板輸送機等設備的正常運行。

目前，大多數煤礦井下采用單軌吊的型式懸掛存儲電纜，需要人工做大量的輔助措施，例如鋪設、懸掛單軌吊工字鋼，拆卸、回收單軌吊工字鋼等。勞動強度大，作業時間長，安全系數低，成為綜采工作面快速推進的瓶頸，一定程度上制約了礦井高產高效目標的實現，是國內外煤礦企業公認的難點。因此，有必要研制一種新型礦用電纜存儲裝置取替傳統單軌吊的型式。

1 研究目標

通過調研多個煤礦井下膠帶運輸順槽巷道內設備的配套，對轉載機、自移機尾、超前支架、設備列車等設備的聯動運輸工藝進行系統研究。下面以安山煤礦2002工作面為例，該工作面上、下順槽斷面均為矩型，運輸順槽尺寸為寬5.0 m,高2.4 m(一邊硬化后2.2 m)，回風順槽尺寸為寬5.0 m,高2.6 m。膠運巷道布置有ZYDC11600/18/35D型膠運巷分體式超前支護支架組、轉載機、破碎機等。超前支架跨騎在轉載機兩側，設備列車布置在轉載機自移機尾前方，緊鄰膠帶運輸機。設備列車車尾帶工作面懸空端電纜、液管通過巷道頂板懸掛單軌吊工字鋼懸掛存儲，長度約100 m。設備單獨控制，平均2周拉移一次設備列車。采煤機回采過程中，需要安排專人操作單軌吊收縮存儲電纜。并有專人負責拆卸、回收單軌吊工字鋼，拆下的工字鋼需要搬運到單軌吊前方端頭繼續進行懸掛連接。整個過程，耗費大量的人力和時間，同時存在一定的安全風險[1-3]。

根據綜采工作面順槽巷道斷面尺寸、設備布置要求，研究移變列車到轉載機自移機尾、超前支架懸空段電纜搭接空間及采煤機回采過程中設備聯動工藝要求，充分利用現有設備的交替移動時間及現有設備的空間外形尺寸，確定電纜存儲裝置的設計空間及型式。

2 電纜存儲裝置整體方案設計

2.1 組成結構

礦用電纜存儲裝置主要由承載車、撐頂立柱、伸縮梁、工字鋼軌道、步進推移裝置、電纜、電纜托架組成,如圖1所示。相鄰兩臺承載車通過連接桿鉸接。端頭的承載車通過連接機構與平板車相連，形成一體結構，使得整套電纜存儲裝置可以隨前方設備列車組整體移動。承載車上布置有撐頂立柱和伸縮梁，工作時為了有效保證系統的穩定性，承載車前后分別布2根撐頂立柱。每臺承載車上布置有兩組伸縮梁，伸縮梁包括上部的懸臂梁和下部的升降油缸，通過控制升降油缸可以根據順槽巷道實際高度情況自行調節伸縮梁高度。伸縮梁上吊掛有軌道，軌道上安裝有可沿軌道滑動的步進自移裝置和用于鋪掛電纜的電纜托架。

1-承載車;2-撐頂立柱；3-伸縮梁; 4-軌道; 5-步進推移裝置; 6-電纜; 7-電纜托架。圖1 礦用電纜存儲裝置

2.2 工作原理

工作時，軌道吊掛于伸縮梁下方，撐頂立柱接頂、承載車接底，步進自移裝置與綜采設備同步前進，電纜壓縮；移動列車組時，撐頂立柱縮回，承載車隨移動列車組的推拉油缸前進，同時控制步進自移裝置反向移動，完成電纜拉伸，最終實現電纜伸縮過程的一個循環。礦用電纜存儲裝置徹底取代傳統單軌吊裝置，提高設備安全穩定性的同時，降低了工人的勞動強度，減少了懸掛電纜的長度。

2.3 結構特點

1) 不需要重復敷設軌道，電纜只需一次敷設，電纜的前后移動只需動作操作閥，操作方便、靈活。

2) 伸縮梁底部焊接在承載車上，用于懸掛軌道，擺脫了傳統單軌吊對于頂板條件的要求。

3) 伸縮梁底部安裝有升降油缸，可以調節伸縮梁的高度，從而適應不同高度的巷道，而且整體易拆卸，操作簡便。

4) 電纜通過電纜托架懸掛于軌道上，可以隨承載車整體移動，方便快捷，大大降低了工人的勞動強度。

5) 采用步進推移機構及彈簧制動機構移動電纜，互為支點，邁步推移。

6) 利用撐頂立柱支撐頂板，有效防止系統在工作過程中設備發生傾翻現象，保證了系統的整體穩定性。

7) 與傳統單軌吊裝置相比較，減少懸掛電纜長度，使高效礦井的懸掛電纜從傳統的200 m降低至40 m以下，節約了成本。

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8) 采用綜采工作面的乳化液泵站為動力源，十分便捷，液壓工作介質為乳化液，防爆阻燃、安全性好。

9) 減少了操作人員，實現了電纜與綜采設備同步前進，推進了綜采面自動化、無人化管理，從根本上對順槽設備移動方式進行了革新。

3 關鍵元部件設計與校核

3.1 升降油缸的設計計算

升降油缸是伸縮梁升降支撐頂梁的重要組成機構，主要用于根據不同的順槽巷道高度，支撐頂梁距離巷道頂板的距離，有效避免承載的電纜、液管與頂板發生摩擦擠壓。升降油缸主要由缸體、活柱、導向套、活塞和密封件等組成,如圖2所示，外接DN10管路。

圖2 升降油缸結構剖面

升降油缸在工作時通常不會受到切向力的作用，基本上只承受軸向力[5]。設計缸筒的計算公式為：

(1)

式中，D為缸筒內徑,m；p為供液壓力,Pa；Fmax為推力負載的最大負載值,N；η為總效率。

液壓缸的總效率計算公式：

η=ηmηvηd

(2)

式中，ηm為機械效率(初計算取0.98)[6]；ηv為容積效率(通常取ηv≈1)；ηd為作用力效率(取ηd≈1)。

升降油缸推力負載取155 kN，工作壓力取31.5 MPa，η=0.98 等數據代入計算得，缸筒內徑D=79.96 mm，通過查表，最終圓整為D=80 mm。

對升降油缸缸筒壁厚進行設計，需要考慮材料各屬性和實際工作需求，由于升降油缸在高壓的工作環境下工作，材料選擇為27 SiMn，缸筒壁厚為：

(3)

式中:δ為缸筒壁厚,mm；Pmax為液壓缸設計的額定壓力,MPa；[σ]為缸筒材料的許用應力,MPa。

通過計算與查表，缸筒壁厚δ=11 mm。

通過缸筒內徑的設計，得出了此升降油缸的缸筒內徑，活塞外徑即為缸筒內徑。確定活塞直徑后，在負載力固定的時候，下一步需要確定活塞的有效面積。活塞的有效面積A為：

(4)

式中，PL為負載壓力PL=P1-P2MPa；P1為液壓缸進液壓力,MPa；P2為液壓缸回液壓力,MPa。

根據經驗可取P2≈0.05P1，將Fmax=155 kN，P1=31.5 MPa代入公式中，計算出A=4 938.12 mm2，活塞上需要安裝各類密封件以及檔環，它們共同決定著活塞的寬度。此升降油缸的活塞寬度設計為38 mm。

一般情況下，液壓缸的活塞桿會采用實心活塞桿，因為實心活塞桿強度高，但由于升降油缸工作環境惡劣，需要將傳感器內置安裝，因此采用此液壓缸采用空心活塞桿。活塞桿內徑尺寸是根據傳感器尺寸來確定，因此，此提升千斤頂的內徑取32 mm，通過速比確定活塞桿的外徑為：

(5)

式中，Φ為速度比，當工作壓力大于20 MPa時，取Φ=2[4]。

計算得d=56.568 mm，查表后將活塞桿直徑為55 mm。

平板車的底盤高度為450 mm，為了在適應不同巷道高度的情況下盡量多的存儲管路，初步確定選用缸徑為φ80 mm、桿徑為φ55 mm、行程為300 mm的單伸縮油缸,如圖3所示。

圖3 升降油缸三維模型

初步估算一條管路搭載時懸臂梁承受的壓力大約為3 500 N，承載10條管路加上升降油缸自身重力和頂梁重量約為50 000 N，而一個提升立柱的初支撐力為1.55×105N。因此缸徑為φ80 mm、桿徑為φ55 mm的升降油缸滿足需求，每個升降油缸配備35 MPa的安全閥，可以完全滿足承載車懸臂梁升降的目的。

3.2 撐頂立柱的有限元強度校核

撐頂立柱工作工程中起到維持礦用電纜存儲裝置穩定的作用，因此對其進行有限元強度校核尤為重要。本文對立柱的有限元強度加載試驗以額定供液壓力的1.2倍進行，觀察各連立柱連接位置。

撐頂立柱1.2倍額定工作阻力加載試驗的有限元仿真結果如圖4、圖5所示。由圖4和圖5可知：立柱最高等效應力為 179.24 MPa，位于球形缸底附近；變形最大位移為1.67 mm，位于活塞桿的柱頭上。其位移變化和應力在強度范圍內，安全系數為1.89，滿足強度要求[5]。

圖4 撐頂立柱應力云圖

圖5 撐頂立柱位移云圖

4 結語

礦用電纜存儲裝置的成功研制滿足了綜采工作面采煤機回采過程中設備列車尾端懸空段電纜的自動存儲，實現完全取替傳統單軌吊懸掛存儲傳統工藝，減輕人員勞動強度，縮短輔助作業時間，提升工作效率和安全性的目標。目前，該套裝備已在晉陜蒙主要礦區多地使用，應用效果良好。