綜采工作面采煤機自動拖纜系統研發及應用

谷 彬

(神東煤炭集團有限責公司 榆家梁煤礦，陜西 榆林 719315)

我國絕大多數煤礦綜采工作面使用采煤機開采[1]，在采煤過程中，采煤機電纜及水管路隨采煤機往返運動，在采煤機多次短程往返、尤其是斜切進刀過程中，電纜夾容易在垂直方向上發生多次彎折疊加，不僅使得電纜夾滑出電纜槽引起過度磨損或擠傷，而且也會使得采煤機“馬鞍架”無法順利通過，特別是在薄煤層，支架沒有足夠的降架空間，導致支架無法順利拉架和推溜[2-4]。目前，綜采工作面采煤機電纜管理主要靠人工處理，勞動強度大，且處理頻次高，不利于煤礦實現安全、高效開采[5]。

為了解決綜采工作面采煤機多次往返運行導致供電電纜多層疊加的問題，國內外諸多科研院所和企業研發了多種自動拖纜裝置，波蘭Famur公司研發了一套鏈傳動系統的拖纜裝置，鏈條拖動拖纜小車拖拽采煤機電纜自動跟隨采煤機運行。尹朝陽[6]研發了一種采用無極繩原理的拖纜系統，采煤機掉頭時，采煤機處的管纜和拖纜繩(鏈)拖拽更加順暢。徐向東[7]研發的拖纜系統不僅建立了采煤機電纜拖拽的數學模型，而且也對設備的選型進行了比較詳細的描述。楊立[8]研發的拖纜實驗臺采用速度控制和轉矩控制實現拖纜小車與采煤機運行相匹配，模擬了井下拖纜運行的工況。上述研究工作促進了采煤機自動拖纜技術的進一步發展，拓寬了拖纜裝置研發的思路，但是當前的自動拖纜技術比較分散，沒有系統性的給出自動拖纜系統的設計、研發方法，缺少井下復雜工況運行的試驗支撐。筆者將根據自動拖纜運行的特點，結合現代礦井自動化、智能化發展的需求[9]，對綜采工作面自動拖纜系統總體結構方案、系統設計、關鍵技術研究展開論述。

1 工程背景及運行原理

1.1 工程背景

自動拖纜系統涉及到自動控制、遠程通信、系統融合等技術，對工作面自動化、智能化程度要求比較高，筆者以國家能源集團神東榆家梁煤礦43102工作面為依托，開展技術研究。榆家梁43102工作面應用了三維地質模型構建、無人巡檢、生產控制、智能協同聯控等關鍵技術，屬于第3代智能化工作面[10]。43102工作面位于4-3煤，工作面長度340.45m，推進長度2191m，起伏角度不大于9°，一般為3～5°，可采儲量207萬t，平均采高1.45m，屬于中薄型煤層，配套MG2×250/1200-WD1 型采煤機、SGZ800/1400型刮板輸送機、ZY9200/09/18D型液壓支架(中部)。

1.2 拖纜系統運行原理

本系統的工作原理是利用動滑輪的特性，采煤機電纜夾纏繞在拖纜小車的拖纜滾輪上，控制系統實時讀取采煤機的運行方向、速度、位置等相關技術參數，控制拖纜驅動部運行，動力傳輸選擇非常適合礦山長運距、重載運行的鏈條傳輸動力[11，12]，實現拖纜小車和采煤機實時同步跟隨，二者之間一直保持方向一致、速度V拖纜=V采煤機/2的關系，始終保持采煤機電纜具備恒定的張力，不發生二次折彎。運行原理如圖1所示。

圖1 拖纜系統運行原理

2 機械系統

2.1 總體結構

為了適應工作面整體配套，自動拖纜驅動部布置在工作面機尾段，從機頭到機尾運行為拖纜狀態，機尾到機頭為放纜狀態。機械系統主要包括驅動部、尾回轉部、電纜槽、驅動鏈、拖纜小車、鏈張緊系統等，總體方案如圖2所示。

圖2 機械系統總體方案

1)驅動部。驅動部采用水平布置方式，即電機平行于工作面。傳動系統選擇電機與減速器一體式的減速電機，電機自帶編碼器。驅動鏈輪與減速電機通過扭矩軸連接，鏈輪體采用高強度合金鋼鍛造成型，機架焊接成型，與刮板輸送機聯接，驅動部總體結構如圖3所示。

圖3 驅動部總體結構

2)尾回轉部。尾回轉部安裝在輸送機中間部位的電纜槽中，可在一定長度的軌道槽內滑動，與驅動部鏈輪一起共同起到回轉鏈條的作用。

3)電纜槽。電纜槽集電纜管理、拖纜小車運行、驅動鏈運行于一體，不僅做為電纜、水液管路、信號線等的存放空間，而且是拖纜小車和驅動鏈條的運行通道。

4)拖纜小車。拖纜小車是拖纜裝置的動作執行機構，傳動裝置輸出的動力通過鏈條傳遞到拖纜小車上，再由拖纜小車拖動電纜夾在電纜槽內定向運動。

5)鏈張緊系統。鏈張緊系統通過液壓系統控制液壓缸調整尾回轉部的位置，從而達到調節鏈條松緊程度的目的，為了輸出恒定的張力，工作過程中液壓缸處于實時張緊狀態[13]。

2.2 主要技術參數

依據拖纜力計算公式[14]：

Ft=2(qμl+Fc)+Fj+FL

(1)

式中，Ft為拖纜力，N；Q為電纜夾組件重量，N/m；M為電纜夾組件摩擦系數；L為拖動長度，m；Fj為拖纜架摩擦力，N；FL為驅動鏈摩擦力，N。

計算可得拖纜力Ft=49kN。系統裝機功率：

P=FtVt/(kη)=14.7(kW)

(2)

式中，Vt為拖動速度，取Vt=0.18m/s；K為裕度系數，取η=0.7；H為傳動效率，取η=0.86。

取裝機功率為15kW。拖纜系統技術參數見表1。

表1 拖纜系統主要技術參數

2.3 拖纜系統中部配套

拖纜系統中部電纜槽與刮板輸送機中部槽聯結，拖纜小車的運行軌道在電纜槽上，拖纜鏈道與電纜槽為焊接一體結構，由于43102工作面平均采高只有1.45m，煤層最低時為1.2m，為了盡可能降低配套空間，拖纜鏈道布置方式采用拖纜鏈道垂直布置，其配套方式如圖4所示。

圖4 拖纜中部配套

3 電控系統

電控系統包括井下就地控制系統和遠程監控系統兩部分。井下就地控制系統主要對采集到的采煤機數據進行分析、判斷，處理，并通過一定的控制算法控制變頻器輸出，控制拖纜小車同向、半速跟隨采煤機運行。就地控制系統設有壓力、位置、行程等多種傳感器，實時監測相關數據，然后反饋到控制系統主站，以便進一步校正與決策。遠程監控系統位于井下集中控制中心，實時與就地控制系統進行數據交換，并統一納入礦井健康管理中心，然后傳輸到地面分控中心，形成地質、采礦、機電等多源異構信息的實時共享和數據反饋?？刂葡到y結構示意圖如圖5所示。

圖5 控制系統結構示意圖

3.1 硬件系統

3.1.1 控制主站

采用ZDYG127(A)-Z礦用隔爆兼本安型電液控制裝置主站，以可編程控制器(PLC)作為核心，配置通信模塊、數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊，以MEG128為核心的按鍵通訊板為輸入控制器和TPC1261Hii真彩12寸液晶顯示屏作為顯示系統，按鍵通訊板負責對鍵盤和按鈕的輸入信號進行采集，控制裝置主站結構如圖6所示。

圖6 控制裝置主站結構

3.1.2 控制分站

為了便于遠端數據采集及現場安裝，在尾回轉部設置控制分站，用于采集液壓缸壓力、行程、位置等相關數據，也可控制電磁閥組開啟與關閉，實現尾部張緊系統的遠程操控。控制分站通過控制總線與主站通信，實現主站統一決策與管理。

3.1.3 變頻器及編碼器

變頻器選擇BPJ-45/660K型四象限變頻器，采用ABB機芯，工作電壓660V，輸出頻率5～60Hz，帶轉矩控制功能。電機編碼器安裝在電機中心軸上，為絕對值型。

3.1.4 傳感器

系統用到的傳感器主要有位置傳感器、壓力傳感器和行程傳感器。位置傳感器在工作面多點布置，采用KHC100礦用本安型磁性接近傳感器，常開型，動作點距離大于等于100mm；壓力傳感器采用GDP60型礦用壓力傳感器，工作量程60MPa，分別率1MPa，串聯在油缸進液口上，實時測量油缸有桿腔的壓力；行程傳感器采用SMW-CTS-D系列磁致伸縮位移傳感器，工作量程最大可達2m，供電電壓24V，安裝在油缸中，可將油缸的行程數據傳輸到控制分站中。

3.2 軟件系統

軟件設計包括上位機編程和下位機編程兩個部分。上位機采用北京亞控科技組態王6.55進行控制界面組態。設有主界面、參數設置界面、故障查詢界面、運行數據界面、曲線顯示界面等。

下位機采用PLC進行控制程序設計，用結構化編程方式編程，以功能塊為單元進行分類，主程序塊ZB1用于整個控制功能的架構管理，其結構層下根據不同功能分為多個功能塊，有電機控制功能塊KC1、傳感器數據采集功能塊KC2、通訊功能塊KC3以及其它輔助功能塊KC4，功能塊也可以調用相應功能的子程序。程序功能如圖7所示。

圖7 程序功能框圖

3.3 系統通信及工作流程

系統根據設備的不同性能采用不同的通信協議。主站與變頻器、液晶顯示器、電機編碼器等之間的通信采用RS485通信，主站與從站PLC之間采用CAN通信協議，液晶顯示器與按鍵通訊板采用RS232通訊協議。主站與遠程控制系統、遠程控制系統與井上分控中心采用工業以太環網通信。通信結構如圖8所示。

圖8 通信結構示意圖

自動拖纜電控系統的控制主站、控制分站、各傳感器、遠程控制系統及地面分控中心在系統運行時互相協同配合，出現故障時會報警顯示，必要時各系統會聯合閉鎖并停機，其工作流程如圖9所示。

圖9 電控系統工作流程

4 關鍵技術及現場應用

4.1 過載保護技術

1)扭矩軸過載保護。在設備過載保護中，機械式保護最直接、最靈敏，尤其是在動力輸出開始段，可最大限度的保護設備部件。減速電機與鏈輪之間采用扭矩軸連接。扭矩軸中間部位段根據計算及實驗數據設計環形剪切槽[15]。當負載異常劇增時(比如刮卡)，扭矩軸斷裂，減速電機空轉，設備停止運轉。根據軸的扭轉強度計算公式：

式中，d為剪切槽最小截面直徑，mm；τp為材料許用扭轉切應力，取75MPa；T為扭矩軸加載扭矩，N·m，實際中按1.5倍過載計算，取12210N·m。由式(3)計算得d≥91.9 mm，設計中取95mm。

2)電器過載保護。電控系統實時采集變頻器輸出的電流及電機溫度，當電流及溫度有一個參數超過預警值時，電控系統發出停機指令，并上傳到遠程控制系統和地面分控中心進行聲光報警。

3)液壓過載保護。鏈條張緊系統采用液壓缸實時張緊，在液壓缸進液口串聯一個壓力傳感器和溢流閥，當泵站壓力異常升高，或鏈條上的負載急劇增大時，液壓缸上的壓力相應增大，超過溢流閥卸液值時，溢流閥向外噴液，同時壓力傳感器上傳壓力數據，提醒工作人員處理，避免液壓缸壓力過大而爆缸或者損壞密封。

4.2 轉速與轉矩協同控制技術

該系統采用變頻器轉速控制為主、轉矩控制為輔的協同控制模式。在放纜階段，采煤機拖動電纜運行，拖纜小車跟隨運行，負載基本恒定，當拖纜系統因鏈條傳動遲緩、數據通信延遲等導致拖纜小車跟不上采煤機運行時，采煤機會對拖纜小車有一定拖動力，此時反饋到變頻器上的轉矩會相應減小，甚至出現負轉矩，控制主機給變頻器發加速指令，直到輸出轉矩達到設定值時，拖纜系統按照半速跟隨原則進行跟機運行，控制流程如圖10所示。

圖10 轉速與轉矩協同控制流程

4.3 拖纜裝置現場應用

該套系統自2020年6月在榆家梁煤礦43102工作面進行工業性試驗以來，進行了單機運行調試、變速及超頻調試、跟機空載調試、聯調聯試4個階段，累計運行調試時間近6個月。在采煤機掛纜聯調聯試2個多月中，工作面累計推進300m，過煤量近20多萬t，經歷了老頂來壓、周期來壓、過上層煤柱、過斷層等多種復雜工況的考驗，目前設備運行平穩，電纜自動拖拽靈活、可靠，完全可以代替人工實現現場采煤機電纜管理，達到了設計要求；同時拖纜小車具有清煤功能，可以自動清理電纜槽里的落煤，減少了人工清煤的勞動強度。

5 結 論

1)以榆家梁43102工作面為應用背景，研發了設備的機械系統，給出了設備總體布置方案，設計了核心零部件，并對其功能及主要作用進行了描述，給出了設備的主要技術參數，設計了拖纜鏈道垂直布置的配套方案。

2)基于設計的機械系統，研發了電控系統。對控制主站、控制分站、傳感器等核心零部件進行了選型，并對軟件設計、系統通信進行了詳細研究。

3)進行了過載保護技術研究，設計了機械、電器、液壓三種過載保護方式，提高了設備運行的可靠性；創新了放纜狀態下轉速與轉矩協同控制模式，提出了以轉速控制為主、轉矩控制為輔、二者協同控制的控制策略。

4)設備進行了現場應用，經過多種復雜工況的考驗，運行比較平穩，達到了設計要求，具備向市場推廣的條件。