一種機械式車載通信光纜放線裝置的研制

高昌樂

(神東煤炭集團技術研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

煤礦井下巷道錯亂、地質環境復雜、開采的難度逐年遞增等問題極易發生安全事故，造成人員傷害和財產損失，如何快速有效地解救被困人員對煤礦安全生產有重要意義。井下事故發生后，如何與井下迅速建立通信聯絡、準確了解事故現場情況、時刻關注井下動態是重中之重，因此設計和建立有效的井下應急數據通信系統需求非常迫切，將成輥光纜展開并快速鋪設到指定位置成了先行工作[1-3]。對于受損不太嚴重的煤礦巷道，可以采用車載方式快速布設光纜，提高光纜鋪設效率，可以為井下救援贏得寶貴時間。

煤礦井下環境十分復雜多變，極易發生二次災害，所以最好選擇具備本安、無電氣化設備的機械。現在各大煤礦實際運行過程中，并無此類裝置，而寬帶、通訊等普通光纖鋪設一般采用施工人員手動鋪設[4-6]。用車載鋪設時，當遇到緊急情況急剎車時，光纜輥往往由于慣性會繼續轉動，將過多的光纖甩出，會發生相互纏繞、擠壓折斷等情況，影響正常使用[7-9]。針對目前現有技術中，光纜鋪設需要靠車載設備和人工鋪設，車載鋪放急剎車時由于慣性作用導致的光纜輥會繼續轉動，將過多的光纖甩出并發生相互纏繞、擠壓折斷等問題，設計了一種礦用巷道車載光纜鋪設裝置及系統。

1 裝置基本功能實現

1.1 客觀需求

1.1.1 光纜隨車行進的順應釋放需求

與手動鋪設有所不同，采用車載方式進行光纜鋪設，光纜輥只能夠隨著車輛的前行被動進行釋放，同時隧道環境復雜，車輛行駛速度隨時會發生變化，導致經常會執行啟停動作[10-12]。因此該系統需要隨時根據車輛的行駛狀況作出調整，順應性地進行光纜的釋放作業。

1.1.2 光纜控制需求

光纜的張緊和松弛情況是光纜鋪設的重要考慮因素，如果張力過大，會導致光纜受損，同時會增大車輛負載，引起布纜系統的破壞；如果光纜過于松弛，則會引起光纜浪費，同時增加回收的工作量，因此需要既能夠將光纜的牽拉張力控制在合理范圍內，同時又不影響光纜的正常收放。光纜鋪設時甩出高度也應考慮，如果甩出高度過高，會阻礙其他工作人員操作，因此需要光纜的甩出高度低于限定值。

1.1.3 設備的簡化操作問題

隧道及井下作業環境惡劣，照明及空間條件較差。在設備設計及操作使用方面，就要求操作簡便，容易上手，盡可能減少工作壓力，從而更多地將人力物力用于事故處理等主要工作方面。對于設備而言，需要實現光纜輥的快速更換安裝，使操作者在較短時間內恢復放線作業。

1.1.4 設備可靠性和長期穩定性問題

對于井下應急設備，要求在復雜環境中也能夠正常展開作業，見表1，同時能夠保持良好的勤務性，設備性能可以長時間保持穩定。因此對于布纜系統，就要求設備隨車操作時全程保持良好的工作狀態，不能因設備自身原因出現意外故障。在較長存放期和必要維護工作下，設備隨時可以調取使用。

表1 使用環境條件Table 1 Environmental conditions for use

1.2 設計思路

針對裝置使用條件及功能需求分析，設計了一種機械式車載通信光纜鋪設裝置及系統，主要包含光纜盤線組件、放線組件、收線組件、支撐組件等組件，具體布局如圖1所示。使用該裝置可以完成復雜礦井環境下的通信用光纜鋪設工作，能夠適應高瓦斯、高粉塵等環境復雜多變的煤礦巷道，對收放線長度都能進行自由切換，采用純機械設計，結構穩定，可以實現快速收放線。

圖1 裝置布局示意Fig.1 Schematic diagram of device layout

1.3 放線裝置總體設計

1.3.1 裝置結構及組成

車載通信光纜放線裝置主要包括光纜盤線組件、放線組件、收線組件、支撐組件(含光纜通信組件和附件組件)，各組成部分之間的關系如圖2所示，裝置結構示意如圖3所示。

圖2 裝置關系示意Fig.2 Schematic diagram of device relationship

圖3 裝置結構示意Fig.3 Schematic diagram of device structure

1.3.2 各組件的作用

光纜盤線組件主要包括光纜輥支架、光纜輥、提手、轉動軸及光纜輥支撐機構等部件，主要用于纏繞待鋪設光纜，根據光纜放線、收線需求進行人工操作。放線組件包括光纜輥驅動齒輪、過渡齒輪、阻尼器齒輪、光纜輥支撐板和阻尼系統等部件，在光纜盤線組件放線時，提供必要阻力，防止放線停止時由于慣性產生的多余放線情況。收線組件主要包括手柄、導軌、排線系統、收放線導向輪組和傳動齒輪等部件，井字輪安裝于角塊斜面上，保證排線過程中光纜輸出角度與井字輪中心位置垂直，在光纜盤線組件收線時，將收回的光纜整齊有序地排列于光纜輥上。附件組件主要包括主支架和防護罩，對光纜盤線組件、放線組件、收線組件于礦用巷道車支架上進行固定，同時可通過滑軌調整收線組件具體位置。通信組件主要包括光纜和光纜通斷檢測裝置。

2 試驗過程及分析

2.1 光纜的快速更換及收放線

光纜輥一體包含光纜輥架和光纖，安裝時直接放入支撐板推入凹槽即可，更換快捷，節省大量換裝的時間。放線時，將光纖經轉向輪組甩至車尾，一端進行固定并連接通訊裝置，放線裝置切換至阻尼模式，車輛啟動即可實現放線。當該輥光纜將要放完時，更換下一輥光纜。收線時，將光纖端頭通過排線器井字輪中間纏繞固定在光纜輥上，通過搖柄轉動光纜輥驅動齒輪轉動，使得光纜輥轉動實現收線，此時，光纖可整齊有序地排列在光纜輥上。

2.2 放線過程及效果

引入阻尼后，光纜輥轉動就會有一定的扭矩，使得光纖外放時的拉伸力變大，為防止光纖出現斷裂等意外情況影響使用，應當控制光纖拉力的大小，也就是將阻尼保持在一定范圍內。應用拉力計分別測量光纖在無阻尼、有阻尼、加速、勻速等不同狀態下所受的拉力值，結果見表2。

表2 不同狀態下的光纖拉力值Table 2 Tension value of optical fiber in different states 單位：N

可以看出，光纖允許的拉伸力為600 N，均在范圍內。當無阻尼時，車輛按既定速度前進，此時光纖開始鋪設，當急剎車時，光纜輥由于慣性會繼續轉動，甩出多余的光纖，經測量，光纖多余量約3 m。當有阻尼(0.5 N·m)時，車輛按既定速度前進，此時光纖開始鋪設，當急剎車時，光纖多余量約0.5 m。當有阻尼(1 N·m)時，車輛按既定速度前進，此時光纖開始鋪設，當急剎車時光纖多余量約為0.2 m。由此可見，無阻尼時，光纖所受拉力很小，光纖多余量很大，不能滿足使用要求。阻尼越大，光纜輥轉動所需拉力越大，光纖承受的拉伸力越大，光纖多余量越少。有阻尼時能很好地解決車載鋪放急剎車時由于慣性作用導致的光纜輥會繼續轉動，將過多的光纖甩出并發生相互纏繞、擠壓折斷等問題。經過綜合考量，選用扭矩量值為0.5 N·m的阻尼較為合適。

3 結論

(1)針對裝置使用條件及功能需求分析，設計了一種機械式車載通信光纜鋪設裝置及系統。該裝置整體結構無電氣化設備，采用防爆材料加工，可靠性高，能夠適應高瓦斯、高粉塵等環境復雜多變的煤礦巷道，亦適用于普通路面光纜鋪放，采用純機械結構，防爆，成本低，結構穩定，可以實現快速收放線。

(2)該裝置結構上包括具有自由運轉的光纜盤線組件、具有阻尼系統的放線組件、具有排線結構的收線組件等，收放線可以快速切換，光纜輥可以快速更換，光纖整齊排列，鋪設長度可以根據實際需要自主定制。

(3)該裝置的支撐組件經過特殊設計，與光纜盤線組件密切配合，光纜輥可經安裝滑動段進入凹槽，光纜輥支架與支撐板貼合，上面有壓塊將光纜輥緊緊地固定在支撐板上，防止收放線過程中由于振動等原因位置移動，避免出現意外或損壞設備。