煤礦掘進機電控系統的可靠性設計分析

高巖芝 石新

山東華新建筑工程集團有限責任公司 山東泰安 271219

在我國煤礦企業中懸臂式掘進機被廣泛應用，它不僅兼有切割、運輸和運輸的功能，實現了礦井生產的高產高效，而且它與錨桿鉆機搭配使用，開掘巷道與錨噴加固同時推進，又大大減小了巷道的用工消耗和建設周期[1]。

1 掘進機現存問題與改進方向分析

臂架式縱向掘進機是綜采工作面應用最廣泛的掘進機。該機切割部分體積小、功率大，切割力大，工作效率高；縱向切割方式使其適應性更強；星輪加載設計有利于提高機器的連續運行時間，降低故障概率；輸送機采用雙面鏈條結構，穩定性高；輸送帶內外兩側均設有霧化機構，便于最大限度地減少運行中的煤塵。制約臂式掘進機發展的一個重要問題是電控系統。目前電控系統主要有以下三個方面：①目前電控系統中電子元器件的壽命較低，故障次數較多。②電子控制系統的總體設計思想是模糊的，邏輯語言是混沌的。當故障發生時，排除故障會浪費很多時間。③系統軟件的設計沒有引起足夠的重視，應根據礦山自身的特點對軟件進行重新設計。本文通過對掘進機目前存在問題的分析研究，確定了掘進機電控系統的研究方向：首先，確定了掘進機電控系統的總體設計方案，其次，對系統的硬件進行了設計，最后，對掘進機電控系統進行了研究，軟件系統的設計實現了軟硬件的最佳組合效果，提高了系統的可靠性和適應性。

2 掘進機電控系統可靠性的定性分析

2.1 掘錨一體化技術

掘錨一體化技術在西方國家首先推廣開來，通過提升掘錨機掘錨作業的工作質量，則能夠擴大掘錨機械的應用范圍。掘錨一體化技術主要應用在頂板條件相對較差的單巷與雙巷掘進中，有利于促進掘進速率的提升，快速推動支護技術的有效改善。數據調查研究顯示，掘錨技術能夠提高65%左右的煤礦開采速度，由掘錨施工一體化的信息內容可知，掘錨桿在頂板暴露安裝，有利于促進機械性能以及作業環境的有效改善[2]。煤礦在掘進的過程中，掘錨一體化有利于凸顯技術優勢，增強機械運作的效率，促進作業環境穩定性的提升。我國煤礦企業要從實際情況出發，提升掘錨技術的創新和應用，從而促進煤礦行業實現健康可持續發展。

2.2 系統安全性設計分析

電控系統是掘進機的重要組成系統，而操作箱又是掘進機運轉的起點，考慮到煤礦環境中存在有瓦斯、煤塵和粉塵這些易爆物質，所以操作性的防爆措施至關重要，因此防爆處理便是系統安全可靠性設計的第一環；誤操作的保護設計也至關重要，作為命令的發起者，牽一發而動全身，要保證操作命令輸入的正確性，可以在軟件上設計邏輯檢查功能，或者操作的二次確認功能，確保無誤操作，同時也應設計緊急停止功能，使誤操作萬一發生時可以立刻停止錯誤指令，減小損失，因此誤操作設計及急停設計是系統安全可靠性設計的第二環；操作箱存在用電行為，就必須保證電氣安全，在用電過程中，短路和斷路現象都會引起極大的隱患，短路現象會引起局部電線或部件過熱，從而引發電氣火災。斷電現象則會引起某個部件停止工作，如熱敏傳感器或者瓦斯傳感器因局部斷電而失去功能，也將威脅到生產安全，因此過電保護功能的設計便屬于第三環。

2.3 元器件設計及操作實現

在電控系統的主回路部分應設置熔斷器用于保護系統在短路時候的安全性，電流變送器的數目盡量不小于5組，其中截割電機的額定功率為260kW，二運電機的額定功率為15kW，在總回路的額定電流不得大于290A。隔離開關的額定電流為390A，型號可以采用400E11，應該提高30%的冗余電流設計余量。交流真空接觸器應考慮分段極限設計，對每個分段的額定電流能力進行規定，額定電流可考慮為200A。變速器采用三相電流型，型號為CS66系列，可以同時測量6路電流。電源必須選用安全穩定可靠的安全本質型電源系統，具有防爆合格證和過載保護功能，并結合空氣斷路器對線路進行短路保護。在整體系統操作單元的末端設置顯示器，能夠清晰地顯示整個電氣系統的運行狀況，整體結構的數據通信接口應支持RX485，能夠應對-20-80℃的惡劣電氣環境。

2.4 數據通訊

通常，掘進機的工作過程是由駕駛員通過操作箱發出操作指令，然后傳送到電控箱，由專用設備根據指令的要求對電控箱進行控制。傳統的操作箱向電控箱傳輸信號時，需要20多條導線連接。如果信號被反饋，它需要多達30根電線來連接。過多的連接不僅增加了設備的整體體積，而且加劇了掘進機施工過程中的安全風險。因此，本部分主要設計計算機通信條件進行信號傳輸和反饋，同時設計相應的軟件程序來完成計算機通信。

2.5 環境適應性設計分析

掘進機所處的工作環境十分惡劣，主要包括切割巖壁時的震動、破碎巖石產生的粉塵、除塵所噴灑的水霧以及空氣流通不暢導致的機械發熱等，這里主要根據這幾點進行可靠性分析及設計。

（1）震動，主要的措施是進行防震設計，加裝防震裝置，同時也可以在切割部位及電控部件之間增加隔震裝置，減小震動的傳導性。

（2）粉塵，粉塵主要會對元器件的精度、靈活性及散熱產生影響，相應的設計則是水霧降塵和重要元件的防塵處理相結合措施，從而保證元件的正常使用。

（3）水霧，水霧對于電子元件的影響極大，首先是濕度增加會影響電子元件的靈敏度，使得所采集的數據有偏差；其次是水霧與粉塵的結合對于元件本身具有一定的腐蝕性，因此需要采取作業現場的除濕和電子元件隔水相結合的措施。

3 結語

掘進機中控系統通過增加功能模塊和液壓元器件提升了掘進機開采精度以及效率，實現了遠程操控作業化的功能，減小了人工干預出錯的可能性，對煤礦企業本質安全化管理有了極大的促進作用。