張振東

（河南大有能源股份有限公司千秋煤礦，河南三門峽 472300）

0 引言

河南大有能源股份有限公司千秋煤礦位于河南省義馬煤田中部，始建于1956 年，1958 年簡易投產(chǎn)，2019 年核定生產(chǎn)能力為150 萬噸/年，礦井提升方式為立井罐籠提升。立井罐籠提升作為礦山的主要生產(chǎn)運輸方式，是礦山立井提升系統(tǒng)的咽喉部位，副立井提升承擔著立井上下人員、設備與物料運輸?shù)娜蝿?，是十分重要的礦山生產(chǎn)安全場所，現(xiàn)有罐籠是獨立運行的封閉空間，運行期間基本與外界隔絕，沒有信息聯(lián)絡。我國各類礦山有近萬個立井罐籠提升系統(tǒng)，其中絕大部分立井罐籠提升系統(tǒng)仍然沿用傳統(tǒng)的罐籠與裝備，罐籠內部系統(tǒng)相關聯(lián)的裝備為人工手動操作方式，罐籠與外部系統(tǒng)相關聯(lián)的由人工實現(xiàn)，其自動化問題一直困擾生產(chǎn)。因此罐籠內部系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的關聯(lián)裝備實現(xiàn)自動化與智能化，是亟待解決的重大問題。針對上述現(xiàn)狀與問題，設計推廣應用了自鎖式雙向動力自動罐簾門，改變了立井罐籠提升系統(tǒng)的傳統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)模式與理念，實現(xiàn)了立井罐籠提升系統(tǒng)的自動化與智能化。

1 改造原因

副立井井筒凈直徑6.0 m，提升高度130 m，裝備一對2 t礦車罐籠，擔負礦井一水平輔助提升任務。副立井原罐籠門采用8 根直徑16 mm 鍍鋅鋼管組合軟鏈條形成簾子結構，每根鋼管兩端焊接直徑35 mm 環(huán)套在罐籠門兩側約束滑道上下，開啟和關閉操作均采用人工手動操作，且雨季井筒內臨水較大，操作方式繁瑣，存在安全隱患。為解決上述問題，與技術部門聯(lián)合攻關，為適應立井罐籠提升系統(tǒng)中井口、井底罐籠的罐簾門自動開啟與關閉要求，設計并應用立井罐籠自鎖式雙向動力自動罐簾門，該裝置具有結構簡單、維修量小、安裝方便、遙控操作、使用安全可靠等特點。

2 立井罐籠自鎖式雙向動力自動罐簾門各部分構造

智能控制系統(tǒng)由自動罐簾門、智能控制、能源、吸能阻+抱車鎖定、應急無線通信系統(tǒng)五部分組成。

2.1 自動罐簾門

2.1.1 結構組成

自動罐簾門主要由罐內門檔機構、門擋導向機構、傳動機構、從動輪機構、傳動鏈條、驅動機構、電源、電控系統(tǒng)等組成（圖1）。

圖1 自動罐簾門原理

2.1.2 工作原理

自動罐簾門驅動裝置安裝在罐籠盤體內部。罐籠進出車方向立柱上焊接上下固定角鋼，傳動機構及門擋滑道采用螺栓固定在焊接角鋼上。驅動機構與傳動機構內部鏈輪之間安裝傳動鏈條。門擋機構及從動輪機構安裝在門擋滑道內部，其中從動輪機構安裝在門擋機構滑道下方。在傳動機構鏈輪與從動輪機構之間連接驅動鏈條，驅動鏈條兩端接頭處連接在門擋機構底部擋桿上，形成無級傳動鏈。

罐籠到位，打開罐簾門時，遙控操作驅動機構正轉，通過傳動機構及驅動鏈條的作用，驅動鏈條拉動門擋機構底部擋桿向上運動，底部擋桿依次帶動各擋桿向上運動，罐簾門打開。關閉罐簾門時，遙控操作驅動機構反轉，通過傳動機構及驅動鏈條的作用，驅動鏈條拉動門擋機構底部擋桿向下運動，底部擋桿依次帶動各擋桿向下運動，罐簾門關閉。

2.1.3 安裝與調試

自動罐簾門安裝時需要以安裝布置圖為基礎，對該裝置安裝進行系統(tǒng)安裝。

（1）罐籠立柱上焊接上下固定角鋼。按照圖紙要求首先在罐籠立柱上焊接上下固定角鋼，注意角鋼地面與罐籠盤體底部在同一水平位置，高度誤差不得超過2 mm，上下固定角鋼之間留有安裝傳動機構及門擋滑道的空間，焊接必須牢固、可靠。

（2）安裝傳動機構及門擋滑道。在上固定角鋼上采用螺栓固定安裝傳動機構。在傳動機構和下固定角鋼之間安裝門擋滑道，門擋滑道在罐籠兩側都要安裝，緊固螺栓前，調整門擋滑道的間距及垂直度。其中，兩側門擋滑道的間距誤差不超過2 mm。

（3）驅動鏈條、從動鏈輪安裝。按圖紙要求截取需要的驅動鏈條長度（節(jié)數(shù)）。在傳動機構鏈輪與從動輪機構鏈輪之間連接驅動鏈條，驅動鏈條的兩端接頭連接在門擋機構底部擋桿鏈條耳板上。調整驅動鏈條的張緊度與門擋機構底部擋桿水平度。

（4）驅動機構安裝。按圖紙要求截取傳動鏈條長度（節(jié)數(shù)），把驅動機構放入罐籠盤體內部后，在驅動機構鏈輪與傳動機構鏈輪之間安裝傳動鏈條，調整驅動機構相對于罐籠中心的對稱度與傳動鏈條的松緊度，合適后把驅動機構固定板焊接在罐籠上，驅動機構與之固定螺栓擰緊固定。

（5）門擋機構安裝。把門擋機構上部擋桿整體放入門擋滑道內部，并采用連板與底部擋桿連接。

（6）電源控制箱安裝。在罐籠上盤體內部、檢修門正下方焊接電源控制箱固定梁，電源控制箱采用螺栓與之固定。

（7）接線。電源控制箱內部已經(jīng)安裝了電控系統(tǒng)與蓄電池，在對應接線端子位置與驅動裝置電機之間安裝動力電纜。

（8）調試。按下遙控器上罐簾門“開”按鈕，觀察罐簾門是否開啟，如果是關閉運動，則需改變電機電源極性。罐簾門打開后觀察底部擋桿水平度，如果出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象則需調整驅動鏈條位置，直至擋桿水平。

2.2 智能控制系統(tǒng)

2.2.1 結構組成

智能控制系統(tǒng)由主控箱、無線收發(fā)器（多功能接收器/無線模塊）、手持遙控器、信號房收發(fā)器、位置/計數(shù)傳感器、井筒到位傳感器（防爆磁性接近開關與控制磁鋼組合）、信號電纜等構成。主控箱由防爆外殼、防爆隔纜頭、銘牌、接地極、電源開關、顯示窗口、微處理器、無線收發(fā)器和電機驅動器等部件構成（圖2）。

圖2 主控箱

2.2.2 無線收發(fā)器

無線收發(fā)器由外殼、微處理器、外置天線、指示燈及輸入輸出接口等組成（圖3）。

圖3 主、從無線收發(fā)器

2.2.3 手持遙控器

手持遙控器由外殼、微處理器、外置天線、指示燈、顯示、停止、鎖罐、解罐、罐門開關、阻車開關、電源開關等按鍵組成。

2.2.4 信號房操作臺

信號房操作臺控制面板由停止、罐門開/關和阻車開/關以及提人/提物轉換等開關、按鍵及指示燈組成（圖4）。

2.3 能源供電結構

能源供電結構（無線供電）由鋰電池、無線充電發(fā)射器（發(fā)射模組）、無線發(fā)射板、無線接收板、無線充電器（接收模組）、天線、無線自動對位支架和無線充電保護防爆合等構成。其中，鋰電池包括外殼、充電口、放電口、銘牌、把手和保護板等部件。發(fā)射盤和接收盤如圖5 所示，總體結構如圖6 所示。

圖5 接收盤和發(fā)射盤

圖6 能源供電總體結構

接收板、接收模組和鋰電池安裝在罐籠上，隨罐籠移動；發(fā)射板和發(fā)射模組安裝在井架上，發(fā)射板可上下動。罐籠移動到正常停車位時帶動發(fā)射板自動對位接收板；發(fā)射模組由外部交流電降壓整流供電，同時，發(fā)射模組的微處理器通過天線一直發(fā)射對位信號；接收模組由鋰電池降壓供電，接收模組微處理器一直等待接收對位信號，接收對位信號范圍為1 m 左右；接收模組微處理器收到對位信號后，經(jīng)過20 s 左右判斷確認后，通過天線發(fā)出返回信號，發(fā)射模組微處理器收到返回信號，通過發(fā)射模組微處理器使電能轉換成磁能，并控制發(fā)射板以電磁波形式傳輸出去；接收板感應到磁場變換產(chǎn)生電流，電流的變化信號使接收模組微處理器返饋給發(fā)射模組微處理器，使發(fā)射板與接收板之間形成磁耦合，產(chǎn)生一個交變磁場，使接收板產(chǎn)生的電流給鋰電池充電。接收微處理器根據(jù)接收板和發(fā)射板之間距離，以及檢測鋰電池電壓高低采集的信號，無線反饋給發(fā)射模組微處理器，發(fā)射模組微處理器控制磁場強弱變換，從而控制充電電流大小，就構建了一套無線電能傳輸系統(tǒng)。

2.4 吸能阻+抱車鎖定機構

吸能阻+抱車鎖定機構由吸能阻、抱車鎖定、絲杠、扭矩限制器、彈簧、調節(jié)螺母、電機、減速機等組成（圖7）。

圖7 吸能阻+抱車鎖定機構

提物時，當罐籠到達正常停車位時，罐籠到位開關接通，罐籠到位開關發(fā)出信號給微處理器，微處理器一直循環(huán)判斷罐籠是否到位。微處理器收到到位信號，到位信號接通，給信號輸入繼電器供電DC 24 V；給電機驅動器供電DC 48 V，電機處于待機狀態(tài)，否則電機不得電。自動發(fā)出鎖罐信號或手動發(fā)出鎖罐信號給打點房，檢查鎖罐信號。如果檢測到已鎖罐信號，則鎖住打點房打點信號，不能給絞車房發(fā)運行（動罐）信號。

若在手動提物位置，礦車出（卸）車時，井口信號房或手持遙控器發(fā)出無線工作信號，例如退出阻車信號給主控箱，主控箱內部微處理器接收到無線退出阻車信號，接著判斷是否在提物位置。如果是，自動鎖住提人控制程序；退出阻車信號在微處理器內部按退出阻車程序執(zhí)行，微處理器輸出使能退出阻車信號和反向信號給電機驅動器，電機驅動器驅動電機反轉，帶動減速機、扭矩限制器、絲杠、絲杠帶動抱車鎖定機構后退。當抱車鎖定機構接近吸能阻時，抱車鎖定機構的撥叉自動嵌入吸能阻，帶動吸能阻向下翻轉自動歸位而停止。接著推車機可以把礦車推出。

礦車進（裝）車時，在進車前井口信號房或手持遙控器發(fā)出阻車擋車信號，擋車信號根據(jù)實際現(xiàn)場或軟件編寫要求，自動持續(xù)0.95～1 s。微處理器收到阻車擋車信號，發(fā)出正轉使能信號，驅動電機帶動抱車鎖定機構前進，同時抱車鎖定機構帶動吸能阻向上翻轉，持續(xù)0.95～1 s，剛好到位停止，這時抱車鎖定機構的阻車邊緣滯后吸能阻的擋車邊緣10 mm 左右停止。接著推車機推礦車進罐，礦車前輪轂抵住吸能阻緩沖而停止。井口信號房或手持遙控器再發(fā)出阻車信號，抱車鎖定機構繼續(xù)前進抱車，同時抱車鎖定機構的撥叉此時開始脫離吸能阻，抱車鎖定機構抱車到位停止。

若在自動提物位置，自動啟動油泵，解鎖阻車器和推車機，接著自動放下?lián)u臺和自動打開安全門。搖臺和安全門均到位后，裝卸車準備到位。裝卸車和手動裝卸車一樣。手持遙控器也可顯示裝卸車到位信號（根據(jù)實際配置情況）。裝車完畢，手動發(fā)出裝卸車完成信號，3～5 s 后自動發(fā)出自動升起搖臺和自動關閉安全門。自動或手動解鎖信號打點系統(tǒng)，否則打點房不能給絞車房發(fā)運行（動罐）信號。

2.5 應急無線通信系統(tǒng)

應急無線通信系統(tǒng)由主服務器、麥克風、呼叫終端、無線網(wǎng)橋、網(wǎng)橋（定向）天線、音箱、路由器、網(wǎng)線等組成（圖8）。

圖8 應急無線通信系統(tǒng)

當絞車提升控制系統(tǒng)故障，罐籠提人恰好停在井筒中間位置不能運行時，應急無線通信系統(tǒng)可以通過A 呼叫終端呼叫罐籠里面的人員，聲音信號為模擬音頻信號，經(jīng)過采集、量化、編碼、壓縮成數(shù)字音頻信號，通過主服務器、D 網(wǎng)橋天線+無線網(wǎng)橋用高頻信號作為載波發(fā)出無線電磁波信號；C 網(wǎng)橋天線+無線網(wǎng)橋無線接收到無線電磁波信號后，傳給B 呼叫終端采樣分析、解調、放大處理成音頻信號給音箱，通過音箱發(fā)出聲音，使罐籠里面的人員可以聽到A 呼叫終端呼叫；罐籠里面的人員可以按B 呼叫終端上的“呼叫”按鈕與A 呼叫終端人員對話；同樣B 呼叫終端也可事先發(fā)出求救信號給A 呼叫終端。

平時B 呼叫終端+音箱可以當作音頻播放器，用于安全宣傳廣播等。

主服務器、麥克風和A 呼叫終端安放在絞車房或調度室，音箱和B 呼叫終端放在罐籠里，C 網(wǎng)橋天線+無線網(wǎng)橋安裝在罐籠頂部，D 網(wǎng)橋天線+無線網(wǎng)橋安裝在井架過卷過放裝置上部。

3 使用方法與注意事項

設備調試合格后方可投入正常使用。首次使用遙控功能時，首先打開遙控器上急停旋鈕，操作方法是順時針旋轉急停旋鈕，使旋鈕彈起，然后按下遙控器上的“START”綠色按鈕，進入遙控工作模式。在遙控工作模式可以操作對應的罐簾門關閉與開啟按鈕，控制罐簾門動作。

裝卸大件物品時，由于大件物品可能超高，可拆下罐簾門門擋底部擋桿銷軸，把上部其他擋桿抽出。然后遙控操作罐簾門開啟，直至底部擋桿運行至傳動機構位置，以便裝卸大件物品。裝卸工作完成后，再裝入上部擋桿。

蓄電池更換方法：打開上盤內部安裝的電源控制箱，拔下蓄電池與電控系統(tǒng)之間的電源插頭，提出蓄電池后放入備用蓄電池，插入電源插頭，蓄電池更換完成。

4 結束語

立井罐籠自鎖式雙向動力自動罐簾門在副井運行近一年時間，通過多次調試和改進，現(xiàn)已能夠穩(wěn)定運行，完全達到設計要求，并具有適應性強、安全可靠、自動化程度高等特點。首次將罐門、罐內阻車、應急通信、無線充電及危險識別進行一體化設計與智能控制，并實現(xiàn)與外部關聯(lián)設備及系統(tǒng)的信息互聯(lián)互通，符合立井罐籠提升系統(tǒng)智能化發(fā)展要求。開發(fā)的罐內危險識別技術和裝備能識別人的危險狀態(tài)，提高應急處置的及時性。采用定點智能無線充電方式，有效解決了電能供給難題。設計罐籠應急通信系統(tǒng)，用于異常狀態(tài)下罐內乘員進行自救逃生。此外，應急通信系統(tǒng)還可用于罐籠檢修的輔助，實現(xiàn)罐內與罐外的實時通信聯(lián)絡，保證檢修作業(yè)的安全性。