上隅角傳感器隨架移動自調式吊掛裝置設計

張曉東， 劉智敏， 甘 濤， 王璽淦， 劉 柱

（晉能控股煤業集團挖金灣煤業有限公司， 山西 大同 037042）

引言

現階段，國家一直在推進煤炭安全、高效、智能、綠色開采，這也對煤礦配套裝備的技術革新、自動化轉型提出了新的要求[1]，而瓦斯和一氧化碳是井工煤礦主要監測管理的有害氣體，也是安全生產管理的重中之重。綜采面上隅角傳感器主要有瓦斯傳感器和一氧化碳傳感器，其吊掛是否符合標準、是否能夠實時監測有害氣體的含量，嚴重影響著工作人員安全及礦井安全。傳感器隨著工作面推進一刀必須重新吊掛一次，因而難以實時符合吊掛標準，需經多次挪移來調節距順槽頂板和工作面下幫的距離以滿足吊掛要求。為了降低工人勞動強度、減少挪移調整次數、提高吊掛效率和工作面現場標準化管理水平，隨架移動液壓自調式吊掛裝置是一種較好的吊掛方式。目前，綜采工作面上隅角傳感器吊掛方式以人工吊掛或吊鏈式升降為主，實際使用中均需操作人員站于尾端頭支架與工作面下幫空頂區域進行操作，給操作人員的安全性帶來了一定的隱患，達不到理想的效果。通過總結研究綜采面尾端頭架側護板結構形式和其距工作面下幫“高頻”距離，綜合安全對比分析，提出一種全新的上隅角多臺傳感器隨架移動液壓自調式吊掛裝置。因尾端頭支架配有液壓操作閥，可通過液壓提供動力實現裝置構件的垂直升降和水平移動，于是利用液壓控制技術[2]研究設計了綜采面上隅角多臺傳感器隨架移動液壓自調式吊掛裝置。可通過控制液壓操作手把來控制裝置構件的垂直旋轉升降和水平推移，來調節距下幫煤壁的距離，實現隨架移動液壓自調，實時保持符合吊掛標準的要求。

1 隨架移動液壓自調式吊掛裝置的設計思路

1.1 設計目標

結合8108 綜采面尾端頭架距下幫煤壁“高頻”距離，以小巧輕便、美觀可靠、便于安裝拆除為目標設計吊掛裝置。在升降千斤頂完全收縮后實現傳感器下降，避免隨架移動時傳感器被巷道頂板原有錨桿、錨索等堅硬物損壞，通過固定基座用高強度螺栓與尾端頭支架側板固定，固定時保證傳感器距切頂線頂板距離始終不超過300 mm，實現隨工作面推進傳感器隨架動態移動；在升降千斤頂完全伸出后滿足傳感器放置架與水平推移千斤頂鉸接孔中心位于統一水平面內，通過水平推移千斤頂的伸縮來調節傳感器距工作面下幫煤壁的距離，使上隅角傳感器能夠實時滿足吊掛標準（距頂板不超過300 mm，距幫不小于200 mm、不超過800 mm），同時要求放置架在升降千斤頂完全收縮后于水平固定架成90°夾角，以此來減小裝置整體長度，避免在綜采面尾端頭架與下幫間距減小時拉架過程中傳感器與裝置被下幫煤壁扳損掛壞，從而實現傳感器吊掛的標準化、自動化，達到設計目的。

1.2 設計原理

選用長度為48 cm、最大伸縮量為30 cm 的液壓千斤頂，以水平方向為X 軸，以垂直方向為Y 軸；為實現裝置在垂直面升降時動力充足，在滿足鉸接強度要求的前提下設計升降千斤頂距固定基座5 cm，與升降架連接的鉸接耳高5 cm、距水平固定架20 cm，以此處（A）為圓心，以48 cm 為半徑畫圓，與升降千斤頂固定端鉸接耳所在垂直面相較于B、C 點；當升降千斤頂動作，A點以20 cm 半徑向上旋轉至A1點，測量A1B、A1C 距離分別為65 cm 和75 cm（大于68 cm，不符合設計要求，舍去），選擇B 點為升降千斤頂固定鉸接耳位置。而水平推移千斤頂最理想狀態為F 處鉸接圓與水平固定架和升降架的鉸接圓在垂直方向上相切，避免裝置動作時發生“咬接”現象，來確定E 點、F 點，各鉸接位置確定后得出整個裝置動作后在水平方向上最短長度為105cm，最長為135cm。設計原理如圖1 所示。

圖1 液壓自調式吊掛裝置設計原理圖

2 隨架移動液壓自調式吊掛裝置組成

該裝置由固定基座、升降千斤頂、水平推移千斤頂、水平固定架、升降架、傳感器放置架、放置架滑道、標尺八部分組成，裝置整體長70～135cm、高85cm、質量35 kg，且該裝置升降千斤頂收縮（帶動升降架在垂直面內向下旋轉90°）和推移千斤頂完全收縮后可滿足水平固定架與升降架成90°夾角，達到設計美觀要求。隨架移動液壓自調式吊掛裝置如圖2所示，工作原理如圖3 所示。

圖2 隨架移動液壓自調式吊掛裝置

圖3 隨架移動液壓自調式吊掛裝置工作原理

固定基座：用300 mm×200 mm 的16 號鋼板制作，在基座對角線相交處掏一個Φ30 mm 圓孔，以此為圓心，以6 cm 為半徑畫圓，與對角線相交處分別掏Φ30 mm 圓孔，圓孔整體呈“三角形”穩定結構，實現裝置與端頭支架側護板的固定。

水平固定架：用長55 cm 的12 號槽鋼制作，一端與固定基座頂端焊接，另一端掏Φ20 mm 孔用于與升降架鉸接，并用10 號鋼板拉筋提高鉸接處強度。

升降架：用長為50 cm 的10 號槽鋼制作，一端掏Φ20 mm 孔用于與水平固定架鉸接，并在槽內掏45 cm×3.5 cm 的信號線穿孔。

放置架：用長40 cm 的8 號槽鋼制作，并在槽內掏35 cm×3.5 cm 的信號線穿孔，鉸接端與水平推移千斤頂鉸接。

放置架滑道：用4 根5 cm 長5 號角鐵在放置架兩側對稱焊接成“?”“?”型結構，并用2 根30 cm長3 號角鐵焊接在升降架槽內，相互配合實現支撐滑動和鎖緊滑動。

標尺：由30 cm 長3 號扁鐵焊接在升降架上，每隔10 cm 用焊條點焊刻度。

鉸接耳：鉸接耳均用10 號鋼板制作，滿足升降千斤頂、水平推移千斤頂固定端固定牢固的要求，升降千斤頂行程端鉸接耳增大內腔寬度允許千斤頂可以在外缸直徑范圍內垂直方向上旋轉。水平推移千斤頂固定端鉸接耳與固定基座之間拉筋增加強度，滿足瞬間推力要求。

3 隨架移動液壓自調式吊掛裝置操作步驟、技術要求及適用范圍

3.1 操作步驟

收縮裝置水平推移千斤頂→收縮裝置升降千斤頂→降端頭架→拉端頭架→升端頭架→伸裝置升降千斤頂至升降架水平→伸水平推移千斤頂調節傳感器至距幫距離滿足要求。

3.2 技術要求

因裝置整體與尾端頭架固定時已考慮距頂板切頂線距離不超過300 mm，故在使用過程中始終不用考慮此項吊掛要求，只需調節水平推移千斤頂使傳感器距工作面下幫煤壁距離符合吊掛標準即可。標尺以圖3 中水平推移千斤頂與放置架“┐”型鉸接耳焊接最右端位置為參照點，黑色豎條間距為10 cm，當傳感器從一個黑色刻度移動到另一個黑色刻度，則傳感器在水平面內移動10 cm，以此調節傳感器距下幫煤壁的距離，同時標尺易于觀察，方便操作人員掌握所需調節的的水平距離。操作時需嚴格按照上述操作步驟執行，以免傳感器和裝置損壞。

3.3 適用范圍

該裝置適用于端頭架側護板距工作面下幫煤壁距離為1.25～2.15 m，頂板較好的綜采工作面。

4 工業性試驗

2021 年7 月綜采面上隅角多臺傳感器隨架移動液壓自調式吊掛裝置設計制作完成后，在石炭二疊系山4 號層8108 綜采面開展工業性試驗，隨著綜采面從35 m 推進至375 m，日進度4.8 m，經觀察和現場工作人員反映，上隅角多臺傳感器吊掛裝置完成傳感器吊掛僅需10 s 左右，且現場標準化管理水平和吊掛標準得到了有效提升，且操作人員始終在液壓支架支護范圍內完成吊掛，完全避免了操作人員置于空頂區域多次挪移吊掛，具有明顯的安全優勢，裝置原理、功能及可靠性得到了充分驗證。

5 結論

1）隨架移動液壓自調式吊掛裝置針對綜采工作面上隅角多臺傳感器隨工作面的推進需人工吊掛、挪移頻繁，難以實時滿足吊掛標準等實際問題，以提高吊掛效率、標準和消除吊掛人員安全風險為目標而研究設計，以較低成本實現了綜采面上隅角多臺傳感器吊掛的標準化自動化改造升級，提供了切實合理的自動化轉型方案。

2）該裝置所有動作均由液壓操作手把控制，均采用液壓缸極限位置定位，操作簡單，吊掛過程僅需10 s 左右，吊掛效率高，吊掛標準高。

3）該裝置與尾端頭支架采用螺栓固定，在遇頂板破碎或裝置構件損壞時方便更換，且各構件制作原料來源廣泛、易于制作，且重復利用率高、整體美觀、安裝方便、易于拆卸，具有較強的實用性。

4）吊掛裝置隨綜采面推進每移動吊掛一次傳感器可約節省15 min，綜采單工按500 元計算，可年節約人工成本約103 人，約51500 元，設計材料成本消耗1035 元，一套裝置可多個工作面重復使用，預估使用壽命為10 年，可創效近52 萬元。

5）在8108 綜采面工業性試驗表明，本裝置操作簡單，能有效改善吊掛人員的操作安全性，減輕工人的勞動強度，提高綜采面上隅角傳感器吊掛自動化水平和現場管理質量，實現傳感器吊掛動態達標，對礦井安全監測監控系統[3]和綜采工作面標準化水平的提升具有顯著效果，綜采面綜合效率也得到了一定程度的提高。