王治國

（國能北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

當(dāng)前露天開采在中國煤炭開采中的地位不斷上升，生產(chǎn)規(guī)模與體量也已遠(yuǎn)超美國、澳大利亞等世界發(fā)達(dá)國家（美國2017 年露天原煤產(chǎn)量約為4.5億t，澳大利亞2016 年露天原煤產(chǎn)量約4.2 億t）[1]，截至2020 年12 月底，我國共有露天煤礦376 處、產(chǎn)能9.5 億t/a，數(shù)量占全國的8%、產(chǎn)能占全國的17.8%。隨著國內(nèi)外裝備業(yè)的快速發(fā)展，我國露天煤礦適時(shí)引進(jìn)高效、大型設(shè)備，大幅提高了煤礦產(chǎn)能水平[2]，大型電鏟是露天煤礦采剝不可或缺的采掘設(shè)備，大型土木工程施工中，電鏟也是常用設(shè)備。

電鏟依賴通過電纜輸送的高壓電作為動(dòng)力源，采用電鏟生產(chǎn)的露天礦在生產(chǎn)推進(jìn)過程中，需要不斷對電鏟尾線電纜進(jìn)行調(diào)整[3]，電鏟在作業(yè)過程中均采用地面拖拽電纜方式。由于高壓電纜所處的運(yùn)行環(huán)境狀況不佳，較為惡劣，導(dǎo)致環(huán)境條件對這類電纜運(yùn)行安全性、質(zhì)量可靠性等造成了不同程度的影響[4]，且通過地面拖行來移設(shè)高壓供電電纜，存在2 個(gè)方面的潛在不安全因素：①電纜經(jīng)常在地面拖行會(huì)造成電纜破損、漏電，引發(fā)事故；②電纜完全暴露地面，由于出現(xiàn)意外狀況會(huì)受到現(xiàn)場工程車輛的碾壓（曾發(fā)生過類似的事故）和邊坡石塊滾落砸壓而破損，進(jìn)而引發(fā)事故。因此，為了保障生產(chǎn)和人機(jī)安全，通過技術(shù)改進(jìn)、優(yōu)化處置，提出對電鏟高壓供電電纜置放與移動(dòng)的新方式，并與合作單位創(chuàng)新研發(fā)出國內(nèi)首臺(tái)電鏟尾線電纜收放車（以下簡稱電纜收放車）。通過實(shí)踐證明該設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：①性能穩(wěn)定可靠；②保證電纜不落地、不再拖行，克服了傳統(tǒng)電纜置放與移動(dòng)模式的不足；③電鏟與該設(shè)備能夠合理配合、協(xié)調(diào)運(yùn)行，提高了生產(chǎn)效率。

1 電纜收放車

傳統(tǒng)的地面移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、仿生足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過對比3 種傳統(tǒng)的地面移動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、控制簡單，但是越障能力差，適于在平坦路面上移動(dòng)；仿生足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)越障能力強(qiáng)，但機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制繁瑣同時(shí)需要布置較多的傳感器；履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有一定的越障能力，控制結(jié)構(gòu)較仿生足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)要簡單[5]。依據(jù)現(xiàn)場工作環(huán)境、電纜收放車移動(dòng)距離等實(shí)際因素，同時(shí)結(jié)合履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的接地比壓大、牽引力大，在復(fù)雜地形環(huán)境中具有強(qiáng)大的通過能力與適應(yīng)能力，國能北電勝利能源有限公司決定電纜收放車的底盤裝置采用履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

1.1 電纜收放車主要結(jié)構(gòu)

電纜收放車包括行走、平臺(tái)、機(jī)房、安全圍欄、收放線裝置、電控系統(tǒng)、距離檢測防拽器、電纜支撐架等。電纜收放車右側(cè)透視圖如圖1。

1）行走總成。主要由行走電機(jī)、行走減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、履帶架、支重輪、履帶鏈、張緊總成、引導(dǎo)輪總成等部分組成。行走電機(jī)通過行走減速機(jī)及驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)履帶鏈實(shí)現(xiàn)行走功能。

2）平臺(tái)總成。平臺(tái)總成位于行走總成上部，與行走履帶由連接座相連。

3）機(jī)房總成。平臺(tái)總成上部前側(cè)裝有機(jī)房，機(jī)房內(nèi)部裝有變壓器柜、高壓開關(guān)柜和低壓電控柜；后側(cè)裝有放線總成；右側(cè)裝有高壓分線箱；右前側(cè)裝有電纜支撐架及距離檢測防拽器；平臺(tái)兩側(cè)裝有圍欄及人梯。機(jī)房具有防塵防水功能，機(jī)房頂部安裝有空調(diào)和報(bào)警指示燈。

4）圍欄總成。包括左側(cè)前圍欄、左側(cè)后圍欄、右側(cè)前圍欄、右側(cè)后圍欄和豎直梯。圍欄采用無縫鋼管焊接而成，牢固可靠。圍欄和豎直梯通過螺栓和平臺(tái)連接，可方便拆卸。

5）放線總成。主要由放線支架、卷筒機(jī)構(gòu)、張緊鏈輪組、減速轉(zhuǎn)向鏈輪組、擺線導(dǎo)向裝置、導(dǎo)向鏈組、導(dǎo)向鏈輪組和護(hù)罩等部件組成。其中，卷筒機(jī)構(gòu)主要由固定軸座、卷筒體、高壓電滑環(huán)、驅(qū)動(dòng)軸座、減速機(jī)座和力矩電機(jī)減速機(jī)組組成，放線總成通過卷筒機(jī)構(gòu)中的高壓電滑環(huán)，將外部的高壓電引入到設(shè)備上的高壓分線箱中，其中1 路電由25～30 m 電纜經(jīng)電鏟尾部耦合器進(jìn)入電鏟內(nèi)部供電鏟工作使用，另1路電供放線車本身的電氣系統(tǒng)使用。放線總成如圖2。卷筒機(jī)構(gòu)如圖3。

圖2 放線總成

圖3 卷筒機(jī)構(gòu)

6）電控系統(tǒng)總成。由電滑環(huán)、高壓分線箱、高壓開關(guān)柜、變壓器柜、低壓電控柜、遙控器、防爆電鈴、防爆急停按鈕、防爆組合聲光報(bào)警器、防爆旋轉(zhuǎn)式聲光報(bào)警器、空調(diào)、各電機(jī)、各傳感器等組成。行走及卷放纜有無線遙控與平臺(tái)手柄2 種操作方式。

7）距離檢測防拽器。主要由安裝架、緩沖器總成、導(dǎo)向筒、拉桿、壓塊、圓環(huán)鏈、行程開關(guān)和電鏟端鏈條固定器組成，距離檢測防拽器主要用于保證電鏟尾線電纜收放車和電鏟之間的電纜不被拉扯。距離檢測防拽器安裝于電鏟尾線電纜收放車前端平臺(tái)上，電鏟端鏈條固定器安裝于電鏟尾端電纜支撐架上，距離檢測防拽器和電鏟端鏈條固定器之間用圓環(huán)鏈連接，長度小于電纜長度，當(dāng)電鏟行走時(shí)，操作工人未及時(shí)操作電鏟尾線電纜收放車跟隨，導(dǎo)致電鏟和電鏟尾線電纜收放車之間的距離超出預(yù)定距離，此時(shí)圓環(huán)鏈被拉直，距離檢測防拽器的緩沖彈簧被壓縮，緩沖器尾板觸碰到行程開關(guān)，機(jī)房頂部的旋轉(zhuǎn)式報(bào)警器報(bào)警，提示操作人員停止電鏟行走或及時(shí)操作電鏟尾線電纜收放車跟隨行走。距離檢測防拽器和電鏟端鏈條固定器如圖4。

圖4 距離檢測防拽器和電鏟端鏈條固定器

8）電纜支撐架。主要由支架座、銷軸、支臂和電纜夾等組成。電纜支撐架主要用于支撐高壓電纜。電纜支撐架如圖5。

圖5 電纜支撐架

9）潤滑系統(tǒng)總成。包括行走減速機(jī)、放線總成減速機(jī)、各軸承座的潤滑。

1.2 使用環(huán)境條件

國能北電勝利能源公司勝利一號(hào)露天礦位于錫林浩特市北郊5 km 處，海拔1 000 m 左右。根據(jù)錫林郭勒盟氣象部門提供的資料，錫林浩特市屬內(nèi)蒙古北部干旱高寒地區(qū)，無霜期短，降雨量小，是典型的溫帶大陸性氣候，冬季寒冷而漫長，夏季炎熱而短暫，春季干旱多大風(fēng)[6]。年平均氣溫1.9 ℃，氣溫的年較差和日較差很大，霜凍期從每年9 月末至第2 年的5 月初，無霜期僅為130 d。通過在國能北電勝利能源公司勝利一號(hào)露天礦的實(shí)際應(yīng)用，電纜收放車在下列條件下可以正常使用：①海拔高度不超過2 000 m；②環(huán)境溫度為－40～40 ℃；③坡度不超過14°；④露天礦表面凹凸不平、多塵或泥濘的非等級道路；⑤風(fēng)力低于7 級。

1.3 安全保護(hù)

為了生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高，電纜收放車的安全性就顯得尤為重要，通過近些年的機(jī)械傷害的分析，影響機(jī)械設(shè)備安全的因素主要有人為操作和設(shè)備。安全管理的定義是為實(shí)現(xiàn)安全目標(biāo)而進(jìn)行的一系列的設(shè)計(jì)、組織、決策活動(dòng)[7]，針對電纜收放車的使用情況，國能北電勝利能源有限公司綜合運(yùn)用現(xiàn)代的管理理論和手段，對存在的不安全因素進(jìn)行排查，在配備常用安全保護(hù)的前提下，要求合作單位在電纜收放車的設(shè)計(jì)中具有下列安全保護(hù)性能：①啟動(dòng)報(bào)警裝置和前后照明燈；②電鏟車上留有緊急停車遙控器；③電纜車與電鏟極限距離報(bào)警和電纜防拽保護(hù)裝置；④行走制動(dòng)保護(hù)裝置；⑤緊急停車裝置。

2 電纜收放車特點(diǎn)

1）行走履帶架采用高強(qiáng)度鋼板焊接的箱型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛性好，可靠性高。

2）行走總成采用知名品牌的電機(jī)和減速機(jī)，配有制動(dòng)裝置，坡道制動(dòng)可靠，電機(jī)配有PTC 熱敏電阻用于報(bào)警和跳閘。

3）平臺(tái)總成采用高強(qiáng)度H 型鋼焊接而成，結(jié)構(gòu)剛性好，受力變形量小，承載能力強(qiáng)。

4）機(jī)房總成采用標(biāo)準(zhǔn)矩形和方形管材焊接而成，防塵防水，造型簡潔美觀。

5）放線總成采用力矩電機(jī)帶減速機(jī)驅(qū)動(dòng)卷纜卷筒正反向旋轉(zhuǎn)，電纜卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)和布線裝置采用傳動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，高壓電滑環(huán)及絕緣子耐壓等級高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

6）整機(jī)設(shè)置距離檢測電纜防拽器，防止超距扯斷電纜。

7）電氣系統(tǒng)保護(hù)齊全，高壓開關(guān)柜裝機(jī)容量富裕，耐壓等級高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

8）行走、卷纜動(dòng)作具有遙控控制或車上有線手柄操作2 種操作方式，整機(jī)重心低，穩(wěn)定性好。

3 電纜收放車功能與工作流程

電纜收放車作為移動(dòng)式的高壓電源為其他設(shè)備進(jìn)行供電，比較適合用于收放電纜，和電鏟配合作業(yè)，該產(chǎn)品完全可以用于使用電鏟作業(yè)的工程場所，尤其適合在露天礦山使用[8]。

1）將電纜逐層依次卷纏于卷筒上，電鏟尾線電纜收放車置于電鏟后適當(dāng)位置處，一端經(jīng)過擺線導(dǎo)向裝置連接于電鏟，另一端接入電源。

2）在電鏟作業(yè)過程中，在遙控控制器或車上手柄操作控制下，收放車有機(jī)地配合電鏟向前、退后、向左、向右移動(dòng)，也可通過電纜放開伸長或回卷縮短；使電纜始終保持合理長度而不再落地、不再在地面拖拽。

3）電鏟轉(zhuǎn)場作業(yè)，收放車跟隨電鏟行走，也可斷開電鏟收放車之間的電纜連接機(jī)構(gòu)，單獨(dú)行走，達(dá)到新的作業(yè)面，重新連接電纜，開始工作。

4 結(jié)語

露天礦山以及大型的土木工程在實(shí)施作業(yè)時(shí)主要采用的設(shè)備之一就是電鏟。在施工過程中，電鏟主要用到直接拖拽、后置爬犁、后置卷纜3 種方式將尾線電纜進(jìn)行移動(dòng)和收放，這3 種方式均有不同程度的安全隱患，國能北電勝利能源有限公司研制出的國內(nèi)第1 臺(tái)電纜收放車充分考慮了現(xiàn)場的安全使用與生產(chǎn)效率的提高，具有一定的社會(huì)效益。

1）傳統(tǒng)的電鏟尾線電纜在地面上置放與拖拽移動(dòng)方式存在極大的安全隱患，以往避免出現(xiàn)安全性問題的措施是采用耐磨、抗拉和抗彎折的高強(qiáng)度和高韌性的電纜。一方面并不能從根本上杜絕諸如破損漏電而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生；另一方面也不能避免電纜在地面上受到工程車輛的意外碾壓而引發(fā)事故。

2）電纜收放車與電鏟在保持合理有效的間距條件下，既可實(shí)時(shí)跟隨電鏟前后左右移動(dòng)、又能伸放或收卷電纜，可使電纜尾線不再落地、不再拖拽移動(dòng)，有效地保證了電鏟安全作業(yè)，提高了效率。具有以下主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：①收放車可由地面控制器或車上手柄控制履帶式行走，方便靈活；②電纜卷筒通過擺線導(dǎo)向裝置，可使電纜逐層順次纏繞于卷筒，不會(huì)出現(xiàn)卡頓和猛拽現(xiàn)象；③距離檢測防拽器保證電鏟尾線電纜收放車和電鏟之間的電纜不被拉扯而出現(xiàn)破損和斷裂現(xiàn)象，安全性能好；④行走制動(dòng)保護(hù)裝置與警示裝置、緊急停車裝置和防側(cè)翻裝置等安全設(shè)施齊備，進(jìn)一步增強(qiáng)了該車的安全可靠性。

3）該裝置為其他礦山的安全、高效生產(chǎn)提供先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，電纜收放車是針對露天煤礦研制的電鏟輔助作業(yè)設(shè)備，采取履帶式行走方式。該型電纜收放車完全可以衍生出多種型號(hào)，以適應(yīng)大型土木工程施工、采用高壓電作為動(dòng)力源的大型移動(dòng)設(shè)備，以及采用膠輪式行走方式。