吳曉明

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦，山西 大同 037017）

隨著山西省智能化煤礦和智能化綜采工作面的不斷建設(shè)，山西省已逐步實(shí)現(xiàn)煤礦開(kāi)采的“少人化、無(wú)人化、安全化”。在煤礦開(kāi)采中，MG300/700-AWD型交流電牽引采煤機(jī)的應(yīng)用有效地提高了煤礦開(kāi)采的自動(dòng)化和智能化程度，但該采煤機(jī)配置的舊式拖纜裝置應(yīng)用效果不理想，導(dǎo)致電纜使用壽命降低，影響煤礦開(kāi)采效率。針對(duì)這一情況，設(shè)計(jì)了一種新型智能化電纜拖拽裝置[1-6]，并在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦8411智能化工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。

1 采煤機(jī)舊式拖纜裝置及存在的問(wèn)題分析

1.1 舊式拖纜裝置組成及工作原理

MG300/700-AWD型交流電牽引采煤機(jī)配套有拖纜裝置，主要是在采煤機(jī)上山、下山采煤過(guò)程中，起到收入電纜和水管的作用。該采煤機(jī)舊式拖纜裝置結(jié)構(gòu)如圖1，主要包括拖纜架、連接螺釘、回轉(zhuǎn)套、連接銷、連接耳、電纜卡、連接架、電纜夾板等部件。

圖1 采煤機(jī)舊式拖纜裝置結(jié)構(gòu)示意圖

采用連接螺釘將拖纜架固定在電控箱上，采用連接架對(duì)O型鏈環(huán)電纜夾進(jìn)行連接。電纜和水管從電纜夾的一端穿向另一端，最后由電纜卡卡住固定，防止其掉落。當(dāng)采煤機(jī)發(fā)生牽引方向變化時(shí)，安裝在拖纜架上的回轉(zhuǎn)套可同時(shí)發(fā)生方向旋轉(zhuǎn)，讓電纜夾不發(fā)生側(cè)向彎曲。

1.2 舊式拖纜裝置存在的問(wèn)題分析

MG300/700-AWD型交流電牽引采煤機(jī)配套的舊式拖纜裝置，在應(yīng)用過(guò)程中問(wèn)題頻發(fā)，主要有以下幾種情況：

（1）在機(jī)頭、機(jī)尾斜切進(jìn)刀時(shí)，采煤機(jī)需要反復(fù)行走，導(dǎo)致電纜夾板發(fā)生疊加三層情況，超出電纜槽發(fā)生脫落。

（2）采煤機(jī)在急傾斜工作面作業(yè)時(shí)，上行拽拉電纜阻力增加，電纜易造成拉傷損壞。

（3）部分工作面的活動(dòng)空間狹小，當(dāng)拖纜發(fā)生故障時(shí)，人工維修非常困難。

2 新型智能化電纜拖拽裝置的設(shè)計(jì)

2.1 智能化電纜拖拽裝置結(jié)構(gòu)分析

基于MG300/700-AWD型交流電牽引采煤機(jī)配套的舊式拖纜裝置在應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，針對(duì)性地提出了一種新型智能化電纜拖拽裝置。該裝置主要由機(jī)械和電氣兩大部分組成。

2.1.1 智能化電纜拖拽裝置機(jī)械部分組成

采煤機(jī)智能化電纜拖拽裝置機(jī)械部分組成如圖2，主要由驅(qū)動(dòng)部、拖纜小車、滑座、彈簧缸、固定座、保護(hù)罩、油缸、回轉(zhuǎn)輪、軌道等部件組成。

圖2 智能化電纜拖拽裝置機(jī)械部分組成示意圖

驅(qū)動(dòng)部為裝置提供驅(qū)動(dòng)力，軌道為裝置提供支撐力，拖纜小車拖動(dòng)電纜夾跟隨采煤機(jī)運(yùn)行，傳動(dòng)部鏈條回路可形成循環(huán)往復(fù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，回轉(zhuǎn)部為裝置提供張緊力。

采煤機(jī)在工作過(guò)程中，裝置中的拖纜小車安裝在刮板輸送機(jī)電纜槽內(nèi)，并跟隨采煤機(jī)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行速度為采煤機(jī)運(yùn)行速度的1/2，此時(shí)電纜夾發(fā)生1次彎折，電纜2層疊加。

2.1.2 智能化電纜拖拽裝置電氣部分組成

采煤機(jī)智能化電纜拖拽裝置電氣部分組成如圖3，主要由電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、鏈條自動(dòng)張緊系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三部分組成。

圖3 智能化電纜拖拽裝置電氣部分組成示意圖

（1）電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)、減速器、編碼器、變頻器、控制箱、CAN通信、RS485通信、校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)等組成?？刂葡鋬?nèi)安設(shè)有西門子S7-1245C型PLC控制器，采集采煤機(jī)運(yùn)行速度、方向、拉力，電纜拖拽裝置電機(jī)轉(zhuǎn)矩，拖纜小車位置等參數(shù)，計(jì)算確定拖纜小車應(yīng)運(yùn)行的速度。采用ACS800型多傳動(dòng)直接轉(zhuǎn)矩控制型變頻器，能快速響應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化。編碼器采用多軸伺服系統(tǒng)的多圈絕對(duì)值編碼器，該位置控制系統(tǒng)可精確測(cè)量并記錄拖纜小車的位置與速度，通過(guò)基于CAN總線的通信控制系統(tǒng)傳輸給PLC控制器。校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)安裝在機(jī)尾位置，對(duì)拖纜小車位置進(jìn)行進(jìn)一步校準(zhǔn)。

（2）鏈條自動(dòng)張緊系統(tǒng)主要由張緊壓力傳感器、回轉(zhuǎn)部張緊油缸、支架控制器、綜合接入器等組成。支架控制器可接收一切關(guān)于張緊力調(diào)節(jié)命令信號(hào)并實(shí)施。鏈條自動(dòng)張緊系統(tǒng)在拖纜小車運(yùn)行前可提前預(yù)張緊鏈條，同時(shí)在拖纜小車運(yùn)行過(guò)程中也可自動(dòng)調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)部張緊油缸的壓力，保證鏈條始終保持在張緊狀態(tài)下工作。

（3）上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由電纜拖拽裝置主機(jī)、采煤機(jī)主機(jī)、電液控主機(jī)、以太網(wǎng)、KJJ12交換機(jī)等部件組成。上位機(jī)系統(tǒng)采用天瑪公司的LongWallMind系統(tǒng)軟件，通過(guò)網(wǎng)線接入以太環(huán)網(wǎng)。該系統(tǒng)軟件與新型智能化電纜拖拽裝置的不同設(shè)備互聯(lián)，能完成以下功能：① 與電纜拖拽裝置主機(jī)互聯(lián)后，能實(shí)時(shí)對(duì)裝置運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、報(bào)警顯示，并可實(shí)現(xiàn)拖纜小車的可視化；② 與采煤機(jī)主機(jī)互聯(lián)后，可與采煤機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互和顯示；③ 與電液控主機(jī)互聯(lián)后，可對(duì)裝置回轉(zhuǎn)部自動(dòng)張緊狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 智能化電纜拖拽裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 控制策略

智能化電纜拖拽裝置S7-1245C型PLC控制器控制策略如圖4，控制策略中有采煤機(jī)速度、采煤機(jī)實(shí)際位置、采煤機(jī)牛頭拉力、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩四大變量。

圖4 智能化電纜拖拽裝置S7-1245C型PLC控制器控制策略圖

通過(guò)調(diào)節(jié)控制策略中的四大變量，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)裝置中拖纜小車運(yùn)行速度的作用，讓其跟隨采煤機(jī)行走。在這過(guò)程中電纜夾始終保持1次彎曲的情況，電纜2層疊加，可有效防止電纜夾卡阻、脫軌現(xiàn)象的發(fā)生，保障電纜的安全。在這一過(guò)程當(dāng)中，電纜拖拽裝置無(wú)需遠(yuǎn)程人工干預(yù)控制，即可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)跟隨采煤機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了電纜隨采煤機(jī)牽引方向、速度自動(dòng)收放控制，避免多層疊加，實(shí)現(xiàn)了智能化和自動(dòng)化控制。

2.2.2 通信監(jiān)測(cè)機(jī)制

設(shè)備通信主要分為四部分，如圖4。PLC通過(guò)CAN總線與采煤機(jī)直接通信，通過(guò)以太網(wǎng)與采煤機(jī)主機(jī)通信，均可獲得采煤機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的位置、速度、方向、拉力信息，兩者形成冗余通信機(jī)制。當(dāng)PLC與編碼器通信失敗時(shí)，PLC可根據(jù)讀取到的變頻器輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行積分運(yùn)算，計(jì)算拖纜小車的位置。除PLC與變頻器通信中斷外，有且僅有一個(gè)通信中斷時(shí)，采煤機(jī)電纜拖拽裝置仍能保持跟機(jī)自適應(yīng)運(yùn)行。

3 應(yīng)用效果分析

新型智能化電纜拖拽裝置在MG300/700-AWD型交流電牽引采煤機(jī)完成安裝調(diào)試后，于2021年3月投入到實(shí)踐開(kāi)采中。截至2021年9月，該采煤機(jī)已工作半年之久，采煤機(jī)運(yùn)行正常，新型智能化電纜拖拽裝置工作狀態(tài)理想，電纜拖拽裝置無(wú)一起安全事故發(fā)生。新型智能化電纜拖拽裝置采用了自適應(yīng)調(diào)節(jié)方式，有效保證了拖纜小車和采煤機(jī)牛頭處的2層疊加狀態(tài)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)狀態(tài)下，拖纜小車?yán)碚撆c實(shí)際位置偏差（如圖5）值較小，驗(yàn)證了其能較好地自適應(yīng)跟隨采煤機(jī)運(yùn)行。

圖5 自適應(yīng)調(diào)節(jié)狀態(tài)下拖纜小車?yán)碚撆c實(shí)際位置偏差