綜采工作面采煤機智能化拖纜系統的設計及模擬試驗研究

史翔峰

（太原華潤煤業有限公司， 山西 古交 030299）

引言

采煤機是綜采工作面的主要生產設備，其電源位于工作面順槽巷道內的移動變電站。在實際生產中采煤機電纜較長，為了對采煤機電纜進行保護常將其穿于電纜夾中，通過電纜夾實現對采煤機電纜的拖拽。同時，采煤機與電纜之間只存在邏輯意義上的啟?？刂疲床粫鶕擅簷C的牽引方向實現電纜夾與采煤機之間的調節配合，極易導致電纜從電纜槽中脫落、卡斷以及折返嚴重等問題，嚴重影響采煤機的生產效率和工作面的安全性[1]。因此，本文以MG2×200/930-AWD 采煤機為載體設計一套智能化拖纜系統。

1 采煤機拖纜裝置結構及現狀分析

采煤機主要由牽引部、截割部、拖纜裝置、行走部以及電控系統等組成。采煤機與液壓支架、刮板輸送機相互配合完成綜采工作面關鍵截割煤、落煤、運煤以及支護等任務。一般的，采煤機拖纜裝置的結構如圖1 所示。

圖1 采煤機拖纜裝置組成示意圖

在實際生產中采煤機拖纜裝置承擔著供電電纜和冷卻水管的連接任務，其主要包括有拖纜架、連接架以及電纜夾板等。其中，電纜夾板中裝有供電電纜和冷卻水管，采煤機拖拽拖纜架完成對供電電纜和冷卻水管的拖拽[2]。當前采煤機拖纜裝置在實際應用中存在如下問題：

1）根據采煤工藝及煤層條件，采煤機在關鍵位置需要反復行走對煤層進行斜切進刀切割，導致電纜夾板疊加的情況。當電纜夾板疊加超過三層時其高度已經超過電纜槽的高度，從而造成電纜夾從電纜槽脫落的情況。上述情況若未被及時發現，極易導致電纜被擠傷甚至夾斷。

2）當采煤機在急傾斜工作面運行時，在上行階段拖拽電纜的阻力較大容易導致電纜內部由于拉力過大而被損壞甚至拉斷；當處于下行階段時電纜在自身重力的作用下容易從電纜夾板或電纜槽中滑出，存在極大的安全隱患。

3）對于空間狹小的工作面，當電纜和拖纜架損壞時維護起來相當困難，安全性也極低。

2 智能拖纜系統的設計

本文所研究拖纜系統應用載體采煤機的具體型號為MG2×200/930-AWD，所配套液壓支架的型號為ZY4800/10/24，刮板輸送機的型號為SGZ764/630。該型采煤機所在工作面的走向長度為650 m，其中傾斜工作面的長度為150 m；工作面煤層的平均厚度為1.5 m。為保證所設計的智能拖纜系統能夠解決以往拖纜裝置的問題，要求智能拖纜系統滿足如下技術要求：

1）要求智能拖纜系統中電纜夾板最多僅能折疊兩層，并且所折疊兩層電纜的高度在“三機”配套的尺寸范圍之內，保證電纜夾板始終處于張緊狀態；

2）結合綜采工作面的采煤工藝，電纜夾板中的電纜和冷卻水管僅有其中的一般參與運行，即電纜夾板的運行為采煤機牽引速度的50%；

3）當拖纜系統遇到故障時，在智能控制的基礎上為保證安全性應控制采煤機停止工作；

4）智能拖纜系統的電氣控制系統滿足綜采工作面的防爆要求；

5）智能拖纜系統應盡可能地應用現有拖纜裝置的零部件，減少改造成本和周期[3]。

2.1 智能拖纜系統的總體設計

結合采煤機的實際生產工況和智能拖纜系統的相關技術要求，對應的智能拖纜系統的總體結構如圖2 所示。

圖2 智能拖纜系統總體設計

如圖2 所示，智能拖纜系統與采煤機相連接跟隨采煤機的運動而運動，電纜槽內布置有兩層電纜夾，上層電纜夾連接采煤機，下層電纜夾處于靜止狀態。即，上層電纜夾跟隨采煤機的方向運動，并根據電纜夾輪的轉動實現對電纜夾的收放動作[4]。

2.2 智能拖纜系統的詳細設計

2.2.1 傳動系統關鍵部件的設計

對于智能拖纜系統而言，涉及到的傳動結構包括有鏈式回轉拖鏈架和行走導向輪。

2.2.1.1 鏈式回轉拖鏈架

本智能拖纜系統采用拖纜架鏈回轉式拖纜器完成器拖纜任務，由于該拖纜器在實際拖纜過程中容易出現電纜被擠壞、折彎的問題。因此，需原拖纜器的基礎上作出如下改進：

1）增大拖纜器與采煤機機體的接觸面積，并將其拖纜桿的直徑增大；

2）增設拖纜器的翻轉功能，保證上層電纜夾能夠順利通過拖纜架。

改進后的鏈式回轉拖纜架的應用情況如圖3 所示。

圖3 鏈式回轉拖纜架的應用示意圖

2.2.1.2 行走導線輪

導向輪的主要功能是拖拽電纜夾跟隨采煤機的運動。根據導向輪的實際工作需求，其結構形式如圖4 所示。

圖4 行走導向輪結構示意圖

2.2.2 電氣控制系統的設計

在上述結構支撐的基礎上，為實現拖纜裝置的智能化還需要為其匹配智能化的電氣控制系統。要求智能拖纜系統電氣控制系統能夠與采煤機控制器實現通信，具備對電機溫度保護的功能，實現對采煤機及拖纜裝置的位置和速度信息的監測，在此基礎上得出對拖纜裝置的智能化控制指令[5]。結合智能化拖纜系統的功能要求，設計如圖5 所示的電氣控制系統。

圖5 智能化拖纜系統電氣控制系統原理圖

3 智能拖纜系統的模擬試驗研究

為驗證本文針對傳統拖纜裝置運行所存在問題的解決效果，本小節通過模擬試驗的方式驗證智能化拖纜系統的應用效果。

3.1 模擬試驗方法

為了充分模擬綜采工作面復雜的地質條件采用在刮板輸送機底部墊枕木的方式模擬工作面垂直彎曲的情況，實際拖纜的障礙通過在電纜槽中插入枕木進行模擬，并重點對拖纜系統的電纜槽與鏈條、導向輪之間的配合程度進行試驗；對遇到障礙后拖纜系統的智能化控制效果?，F場模擬試驗條件如圖6所示。

圖6 智能拖纜系統現場模擬試驗條件

3.2 模擬試驗結論

1）智能拖纜系統可在與其相匹配的刮板輸送機下無卡阻、平穩的運行；

2）當智能拖纜系統在拖纜過程中遇到障礙時，由于拖纜阻力瞬間增大對應的牽引電機的電流瞬間增大。當阻力或電流超過限值時，拖纜系統會發出報警并發出停機指令，確保采煤機停機，實現對電纜和冷卻水管的保護。