王 梁 ，李 杰

(1.中國煤炭科工集團 煤炭科學(xué)研究總院有限公司，北京 100013;2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

近年來我國高效綜采工作面快速發(fā)展，全國已建成477多個智能化采煤工作面[1]，其中僅國家能源神東煤炭集團，常年運行的智能化綜采工作面就有28個左右[2]。并且綜采工作面的采高也在不斷增加，目前國內(nèi)最高綜采工作面采高10 m，打破了世界紀錄[3]。隨著綜采工作面采高的不斷增加，實現(xiàn)綜采面液壓支架高效回撤成為當前煤礦開采面臨的一個困難問題[4]。常規(guī)綜采液壓支架回撤一般使用雙速多用絞車牽引液壓支架，其性能及支撐定位方式已經(jīng)不再適應(yīng)大采高煤礦工況條件，并且存在極大的安全隱患[5]。

現(xiàn)有雙速多用絞車只能使用液壓單體支柱，按照四壓兩趄式的方式進行固定。該固定方式主要存在以下問題和不足：① 隨著現(xiàn)在綜采工作面采高的不斷增加，回撤巷道的高度也在不斷增加，從而使現(xiàn)有絞車所普遍采用的四壓兩趄的方式和施工方法變得困難重重。比如7 m液壓支架的回撤巷道高度就在4.2 m左右，已經(jīng)超出了3.15 m液壓單體立柱的長度。為了用這種方式固定，通常需要在絞車機架上焊接各種加高座，但是在加高座上再固定單體立柱是非常困難的。井下固定一個絞車經(jīng)常需要一個班組(8～12)的人，在鏟車等設(shè)備輔助下連續(xù)工作3～4 h，效率極低。 ② 采用四壓兩趄式的固定方式易引起絞車框架變形，從而導(dǎo)致輸入端聯(lián)軸器、制動閘等損壞，故障頻發(fā)。③ 四壓兩趄固定方式所用的液壓單體支柱對頂板比壓大，并且需要借助乳化液泵站注液支打，注液后無保壓和泄壓功能，但是頂板會隨著液壓支架的回撤產(chǎn)生波動，這就導(dǎo)致有時液壓單體壓力不足，支撐力不足，或者頂板突然來壓壓彎或者壓斷液壓單體支柱，造成破壞性事故[6]。④ 隨著液壓支架掩護高度的增加，液壓支架自身質(zhì)量也在不斷增加。僅7 m采高的液壓支架自身質(zhì)量約70 t，這對絞車牽引力的要求也越來越高，而這種四壓兩趄的固定方式在大牽引力拖拽下極易造成絞車滑脫，產(chǎn)生嚴重事故。

現(xiàn)有絞車采用換擋方式進行高低速切換，并且需要人工手動切換，在牽引過程中一般是通過接觸器直接控制絞車電機起停，不能根據(jù)牽引情況調(diào)速，停車操作完全靠司機經(jīng)驗，經(jīng)常由于速度過快或者停車不及時導(dǎo)致鋼絲繩拉斷，回彈的鋼絲繩有時會造成重大人員傷亡事故[7]。

鑒于目前的綜采工作面回撤絞車存在的問題，亟待開發(fā)設(shè)計一種集變頻調(diào)速、智能檢測、遙控控制、自支撐定位裝置為一體的智能變頻牽引絞車，實現(xiàn)絞車的現(xiàn)代化、智能化升級改造。

1 絞車使用工況及要求

一般綜采回撤面布置圖及絞車固定位置如圖1所示，絞車固定位置在回撤聯(lián)巷入口位置，回撤工作開始后，回撤工作人員會撤回一個垛式支架，空出一個位置進行絞車的定位，所以一般要求絞車長不超過4 900 mm，寬不超過1 650 mm。絞車定位后便可將鋼絲繩繞過第1掩護支架所設(shè)置的滑輪與待回撤液壓支架連接，牽引液壓支架出列，之后將液壓支架拉出回撤巷道，在回撤聯(lián)巷口裝車運出[8]。

圖1 綜采回撤面布置圖及絞車固定位置

為絞車能夠適應(yīng)多個采高綜采工作面回撤工作，要求絞車最低高度不高于2 300 mm，自支撐定位高度能夠達到5 200 mm。為方便絞車井下搬運，要求絞車自重不能超過25 t。由于回撤工作中經(jīng)常由人工拖拽鋼絲繩和纏繞滑輪，所以要求鋼絲繩要柔軟，并且直徑不能超過36 mm。另外新型絞車主要用于中大采高液壓支架回撤，對其性能參數(shù)也提出了邊界要求，具體邊界參數(shù)要求見表1。

表1 邊界參數(shù)要求

2 新型智能變頻牽引絞車總體排布

新型智能變頻牽引絞車在研發(fā)設(shè)計之初，并沒有國內(nèi)外同類可參考設(shè)備，總體排布按照總體——部件——總體反復(fù)設(shè)計與研究，最終確定總體排布[9]。其中，總體——部件研究，主要是從總體邊界參數(shù)出發(fā)，研究總體需要的部件組成，然后根據(jù)總體參數(shù)研究各部件的構(gòu)成形式以及大致空間尺寸。部件——總體研究主要是根據(jù)邊界參數(shù)計算出各部件的性能參數(shù)，由性能參數(shù)研究部件的多種實現(xiàn)形式，結(jié)合部件功能確定部件最小占位尺寸，選擇其中最優(yōu)的符合總體的結(jié)構(gòu)形式和最小的占位尺寸，并使各個部件之間相互配合[10]。

2.1 總體排布

經(jīng)過反復(fù)研究，利用三維設(shè)計軟件對新型絞車整機進行了總體排布，最終整機排布如圖2所示[11]。其中整機外形尺寸為4.9 m×1.65 m×2.3 m，總質(zhì)量為24 t，總裝機功率為101 kW，供電電壓為660 V。

1—頂梁；2—立柱油缸；3—掩護梁及四連桿；4—電控箱及智能控制系統(tǒng)；5—液壓泵站；6—底盤及液壓油箱；7—動力及傳動系統(tǒng)；8—卷筒主軸；9—排繩器；10—防撞梁

2.2 總體排布中的關(guān)鍵技術(shù)與參數(shù)研究

2.2.1 結(jié)構(gòu)件設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)與參數(shù)研究

由圖2可知，變頻牽引絞車各結(jié)構(gòu)件設(shè)計原因、能夠?qū)崿F(xiàn)的功能和優(yōu)勢主要有以下7方面：

1)其中頂梁、立柱油缸、掩護梁及四連桿組成自支撐固定系統(tǒng)，屬于用戶選裝系統(tǒng)，拆除后可以和現(xiàn)有普通絞車一樣采用四壓兩趄[12]的固定方式固定。

2)立柱油缸設(shè)置有壓力檢測、蓄能器、自動補液功能，其中蓄能器可以緩沖煤礦井下回撤巷道頂板的突然變化帶來的壓力波動，并能始終保持絞車定位阻力。壓力檢測與自動補液功能能夠?qū)崟r檢測并補充立柱油缸壓力，防止絞車被拉脫。

3)掩護梁及四連桿能夠使絞車頂梁在升降過程中基本保持直線運行，并能夠?qū)㈨敯迥Σ亮髦恋妆P，增大絞車固定力[13]。

4)底盤及液壓油箱采用一體化設(shè)計，在保證強度的情況下節(jié)約了制造材料，降低了整機重量。

5)受寬度方向參數(shù)限制，考慮到耐用性與維護方便性，動力及傳動系統(tǒng)設(shè)計為外置減速器與開式大齒輪的傳動形式[14]。

6)同樣，受寬度方向參數(shù)限制，卷筒主軸內(nèi)寬只有630 mm，并且為了減少亂繩夾繩問題，設(shè)計卷筒纏繞鋼絲繩層數(shù)為4層[15]，這時為了滿足容繩量需求，加大了卷筒直徑至870 mm。

7)為了減少亂繩夾繩問題，在卷筒前段設(shè)計布置排繩器，可以對鋼絲繩進行有效管理。

2.2.2 減速器的設(shè)計參數(shù)與傳動系統(tǒng)布局

由于寬度方向邊界參數(shù)限制，同時考慮到使用壽命和維護方便，決定采用開式大齒輪與外置減速箱的形式進行傳動系統(tǒng)布局。根據(jù)牽引力和卷筒直徑、牽引速度、電機特性等參數(shù)，通過計算，可以得出減速器傳動比與扭矩參數(shù)[16]。根據(jù)空間排布條件，受長度方向參數(shù)限制，減速箱無法采用常用標準減速器，必須根據(jù)新型絞車設(shè)計專用減速器。經(jīng)過反復(fù)計算與核實，主減速箱采用直交軸+雙層斜齒輪布局，從而實現(xiàn)減速箱在長度方向布局緊湊，節(jié)省空間。另外，根據(jù)MT/T 952—2005《雙速多用絞車》中相關(guān)規(guī)定，新型絞車需要設(shè)置2個獨立控制的制動器，考慮到防爆和制動性能，在減速箱一軸和二軸分別設(shè)置兩個常閉濕式制動器[17]。最終確定傳動系統(tǒng)布局如圖3所示[18]。

1—電機；2—制動器Ⅰ；3—制動器Ⅱ；4—減速器；5—大齒圈；6—卷筒及主軸；7—排繩器

傳動系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 傳動系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.2.3 支撐裝置的設(shè)計計算

根據(jù)用戶選裝要求，新型智能變頻牽引絞車需帶有可拆解的支撐裝置，在用戶需要時與絞車一體組裝，使絞車能夠自支撐、自固定?？紤]到支撐裝置的承載能力和耐用性，選擇采用四連桿機構(gòu)作為支撐裝置主體，如圖2所示。支撐裝置工作時受力情況如圖4所示。為了增加支撐裝置摩擦阻力，在支撐裝置頂梁和底盤設(shè)計有類似履帶的紋路，并在設(shè)計計算時參考履帶式底盤摩擦因數(shù)，根據(jù)《工程機械底盤設(shè)計》中履帶和路面之間的靜摩擦因數(shù)(附著系數(shù))Φ，頂板煤場取0.6、底板混凝土取0.45[19]。

圖4 絞車支撐裝置受力示意

根據(jù)支撐高度要求，選用4根二級油缸作為支撐裝置升降油缸，初始支撐力為500 kN。根據(jù)支撐裝置受力分析，當絞車處于圖4所示位置時，支撐裝置初始支撐力為500×4=2 000 kN，該力在圖4中即為頂板正壓力NU和ND。

當絞車工作牽引液壓支架時，附著力：

F=F1+F2

根據(jù)摩擦定律：

F1=NUΦU=2 000×0.6=1 200 kN

F2=NDΦD=2 000×0.45=900 kN

F=1 200+900=2 100 kN(設(shè)備自重忽略不計)

理論上當絞車受到2 100 kN拉力的時候絞車才能被拉動，而根據(jù)上述卷筒主軸及傳動系統(tǒng)參數(shù)，絞車內(nèi)層鋼絲繩最大牽引力為592 kN，所以安全系數(shù)σ=2 100/592>3.5。

其中，支撐裝置主要參數(shù)見表3。

表3 支撐裝置主要參數(shù)

3 液壓系統(tǒng)功能及原理

新型智能變頻牽引絞車液壓系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能如下：①對濕式制動器的控制；②對變頻器進行冷卻；③對支撐裝置進行升降控制。其中對支撐裝置進行升降控制即要對4根立柱油缸進行注液和控制。經(jīng)過反復(fù)研究計算，最終確定液壓系統(tǒng)原理及構(gòu)成圖如圖5所示[20]。

1—泵站部分；2—立柱油缸部分；3—蓄能器(為立柱油缸補液)；4—行車制動器部分；5—駐車制動器部分；6—加油部分；7—變頻器冷卻部分；8—控制八聯(lián)閥

4 智能檢測功能與遙控控制方法

4.1 智能檢測與保護功能

根據(jù)使用工況，要求絞車電控系統(tǒng)具有以下功能：①實現(xiàn)變頻控制，高低速調(diào)速及電機制動；②絞車工作狀態(tài)、運行等參數(shù)存儲與無線數(shù)據(jù)上傳；③系統(tǒng)安全保護與安全閉鎖功能；④閑時自動停機，節(jié)約能源；⑤立柱油缸壓力實時檢測，并在低于規(guī)定值時，自動補液；⑥開機自檢與自動報警。

其中安全保護與安全閉鎖功能有：①漏電閉鎖保護；②過載保護；③短路保護；④過熱保護；⑤絕緣監(jiān)視保護；⑥遙控失靈保護；⑦相不平衡(缺相)保護；⑧黏連保護；⑨油溫、油位保護；⑩壓力、流量保護。其電氣原理與組件構(gòu)成如圖6所示[21]。

4.2 控制方法

為方便操作，絞車設(shè)計配備帶有參數(shù)顯示功能的主副遙控器和視屏影像功能的線控操作面板。如圖7所示。

圖7 主副遙控器和線控操作面板

無線遙控器分主、副遙控器，其中主遙控器可以實現(xiàn)包括：遙控啟/停泵站、卷纜使能、絞車收纜、放纜、加速、減速控制、立柱油缸升降控制以及急停等操作控制，并且對立柱油缸壓力和絞車牽引力等關(guān)鍵參數(shù)進行實時顯示，方便絞車司機實時根據(jù)工況進行操作。其中“卷纜使能”操作按鍵第一次按下后絞車會檢測絞車是否具有啟動條件，并解鎖駐車制動。絞車啟動后，通過加速、減速控制對絞車電機進行變頻控制，每操作一次加速或者減速控制按鍵，絞車牽引電機變頻器頻率增加或者降低5 Hz。在絞車運行中按下“卷纜使能”按鍵后，絞車會使2個制動器同時制動，能夠使絞車立即停車。副遙控器設(shè)有急停、停車、解鎖操作按鍵。一般主遙控器由絞車司機操作，副遙控器由帶班領(lǐng)隊操作，2個遙控器之間互相閉鎖，主要用于緊急情況下的停車，實現(xiàn)更加安全的操作控制。同時，2個遙控器若發(fā)生通訊失靈的情況，系統(tǒng)會自動停機，避免飛車。

5 工業(yè)試驗及樣機使用情況

新型絞車于2017年3月至2019年3月，先后在國家能源集團神東煤炭集團5個綜采工作面參與回撤與安裝任務(wù)，總體使用效果良好，得到了使用方的肯定和好評。

5.1 綜采液壓支架回撤

5.1.1 第一輪回撤工業(yè)試驗

新型絞車于2017年3月，在神東煤炭集團補連塔煤礦12510回撤工作面完成首輪工業(yè)性試驗。該工作面采高7 m，綜采液壓支架共計165架，每架重69 t，采用從中間向機頭、機尾回撤的搬家工藝。機頭方向由新型絞車承擔，共計完成105架液壓支架的回撤牽引工作。回撤工作面現(xiàn)場使用場景如圖8所示。

圖8 回撤工作面現(xiàn)場使用場景

5.1.2 第二輪回撤工業(yè)性試驗

新型絞車于2017年4月22日至4月27日，在神東煤炭集團大柳塔煤礦52505綜采回撤工作面完成了第二輪工業(yè)性試驗。該工作面總長約300 m，共布置7 m大采高支架150架，每架重69 t。搬家工藝采用單向絞車回撤工藝，共4個回撤聯(lián)巷，每個聯(lián)巷距離約60 m。由于新型絞車前期和后期用于該礦安裝面參加安裝工作，所以從4月22日中班至4月25日夜班，完成了第3聯(lián)巷液壓支架的回撤工作，完成25架綜采支架和20架垛式支架的回撤牽引工作。其余回撤聯(lián)巷液壓支架由普通絞車回撤。

5.1.3 第三輪回撤工業(yè)試驗

新型絞車于2019年3月4日至3月14日在神東煤炭集團補連塔礦12512綜采回撤工作面完成牽引綜采支架30架，垛式支架16臺。該工作采高為8 m大采高工作面，液壓支架重79 t，回撤完一個連巷時，發(fā)生排繩器撥叉斷裂故障，礦方考慮到安全問題，隨后升井。此次回撤巷道高度約為5.6 m，超出絞車設(shè)計支撐高度5.2 m，礦方將頂梁加高座由0.4 m增加至1.4 m，總體使用性能良好。

5.2 綜采工作面安裝

5.2.1 第一輪安裝工業(yè)試驗

新型絞車于2017年4月17日至4月18日，在神東煤炭集團大柳塔煤礦52301綜采安裝工作面進行工業(yè)試驗。該綜采安裝工作面總長約260 m，新型絞車主要用于綜采刮板鏈的安裝工作，同時也用于采煤機和其他綜采設(shè)備的牽引。

5.2.2 第二輪安裝工業(yè)試驗

新型絞車于2017年6月6日至6月7日在神東公司三道溝煤礦85210綜采安裝面完成刮板鏈牽引安裝工作，后由于壓力傳感器故障導(dǎo)致卷筒無法啟動，隨后升井更換壓力傳感器。安裝工作面現(xiàn)場使用場景如圖9所示。

圖9 安裝工作面現(xiàn)場使用場景

5.3 工業(yè)試驗小結(jié)

5.3.1 新型智能變頻牽引絞車的優(yōu)點

經(jīng)過5輪工業(yè)試驗，可以看到，該新型智能變頻牽引絞車總體結(jié)構(gòu)合理、可靠，液壓系統(tǒng)功能及智能檢測與控制功能等完全滿足使用要求。同時結(jié)合用戶反饋情況，與普通絞車相比，本文所研發(fā)設(shè)計的新型智能變頻牽引絞車主要具有以下優(yōu)點：

1)新型智能變頻牽引絞車減人增效效果顯著。在相同工況下，使用原有普通絞車每安裝定位一次，至少需要24個工時，效率極低。新型智能變頻牽引絞車采用多模塊集成設(shè)計，實現(xiàn)上述功能平均需要2個人工作約20 min。按照平均每個回撤工作面絞車安裝定位5次計算，使用新絞車在每個工作面僅安裝定位就至少可節(jié)省116.6個工時。

2)新型絞車的快速定位功能高效、安全，使用方便。新型絞車采用一體式支撐裝置，對頂比壓小，具備頂板來壓語音報警和壓力自動調(diào)節(jié)功能，能夠避免由于頂板局部來壓造成單體支柱壓斷、壓彎等安全事故，并且其立柱油缸能實時保壓，有效防止絞車滑脫。尤其是在安裝工作面使用中，新型絞車在牽引刮板鏈時可以隨著刮板輸送機插入而逐步后退，逐步牽引刮板鏈，非常方便。而普通絞車由于固定繁瑣，只能固定在相對較遠的位置，這樣絞車牽引刮板鏈時，由于絞車較遠，鋼絲繩會產(chǎn)生很大的彈性形變，這就會導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)刮板鏈閃抽的問題，從而會對刮板鏈和刮板機等造成損壞。另外在綜采安裝面有時需要使用絞車從不同方向牽引采煤機等設(shè)備，而新型絞車可以很方便地調(diào)整固定位置和牽引角度，使用起來非常方便。

3)新型絞車采用遙控操作、變頻調(diào)速，安全、高效。新型絞車實現(xiàn)離機遠程遙控操作，保證工作人員的人身安全。另外新型絞車采用調(diào)頻調(diào)速，實現(xiàn)了電機軟啟動，加速平滑，停車平穩(wěn)，運行安全。尤其在綜采安裝工作面使用時，無論用于牽引刮板鏈還是牽引煤機，其牽引速度都可以從0緩慢調(diào)高至需要速度，一方面能有效避免拉斷刮板鏈，另一方面可以精確的將煤機等設(shè)備牽引至合適位置進行安裝，并且整機系統(tǒng)還設(shè)置各種智能安全檢測及閉鎖防護，有效防止各類事故發(fā)生。

4)該絞車設(shè)計有排繩器，可有效避免鋼絲繩亂繩、夾繩，極大地提高了工作效率。

5.3.2 新型智能變頻牽引絞車存在的不足與問題

1)新型絞車在工業(yè)試驗期間出現(xiàn)排繩器撥叉斷裂故障，說明還需進一步研制與之匹配的重載排繩器，從而對鋼絲繩進行更好的管理。

2)新型絞車在工業(yè)試驗期間出現(xiàn)壓力傳感器故障，致使絞車無法繼續(xù)使用的情況。后續(xù)應(yīng)該通過研究增加傳感器數(shù)量以及邏輯程序的智能辨識等方法，進一步降低智能檢測原件故障帶來的影響使用的問題。

6 結(jié) 論

1)針對目前中大采高綜采工作面液壓支架回撤困難，結(jié)合礦區(qū)具體使用工況，開發(fā)設(shè)計了一款新型智能變頻牽引絞車。

2)經(jīng)過實地調(diào)研一般綜采工作面回撤工藝后，確定了適合中大采高綜采工作面回撤使用的新型絞車的必備性能及參數(shù)指標。采用總體-部件-總體多輪迭代優(yōu)化設(shè)計方法，詳細研究了總體功能布局及結(jié)構(gòu)件設(shè)計、減速器設(shè)計參數(shù)與傳動系統(tǒng)布局，設(shè)計可拆卸的自支撐自固定裝置，確保了最終設(shè)計方案的最優(yōu)性。綜合運用機、電、液和信息化手段，為整機系統(tǒng)匹配了多功能的負載敏感液壓系統(tǒng)和具備智能檢測、數(shù)據(jù)存儲與上傳、主副遙控器和視屏影像功能的變頻控制電氣系統(tǒng)。

3)新型絞車樣機于2017年3月至2019年3月，先后在神東礦區(qū)5個綜采工作面參與回撤與安裝任務(wù)，實踐證明新型絞車總體性能滿足使用要求，整機運行高效、安全、可靠，相比普通絞車具有明顯優(yōu)勢。

4)新型絞車設(shè)計合理，能夠有效避免現(xiàn)有絞車使用中存在的諸多問題。其中變頻牽引技術(shù)、遙控技術(shù)、安全檢測等智能化技術(shù)在煤礦井下牽引絞車中的應(yīng)用為實現(xiàn)煤礦井下牽引絞車的智能化、現(xiàn)代化邁出了堅實有力的一步。