采煤机电缆牵引拉力过载保护装置.pdf

第 4 3卷 第 1 2 期 2 0 1 7年 1 2月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 3 NO ． 1 2 De c ． 2 0 1 7 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 2 0 0 1 1 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 1 2 ． 0 0 3 采煤机电缆牵引拉力过载保护装置 李玉华 ， 杨传 常 ， 闫业 臣 。 ， 刘广 民 1 ． 山东能源枣庄矿业 集团 有限责任公司，山东 枣庄2 7 7 3 1 1 ； 2 ． 山西美 锦 能源集 团 汾西 太岳 煤业 股份 有 限公 司 ，山西 长治0 4 6 5 9 9 摘要 针对 因采煤机牵引电缆拉 力过载而损坏电缆及 电缆牵引夹的问题 ， 设计 了一种采煤机电缆牵引拉 力过载保护装置。该装置采用拉力传感器采集采煤机 牵引电缆过程 中产生的 牵引拉力信 号， 单片机智能控 制电路通过软件分析判断牵引拉力是否过载 ， 若 电缆牵引拉力过载 ， 单片机 自动控制采煤机反向牵引， 将采 煤机牵引电缆拉力降为最低 ， 并发 出语音报警。实际应用验证 了该装置的可靠性。 关 键 词 采 煤机供 电电缆 ；电缆 牵 引夹 ；牵 引拉 力 ； 拉 力传 感 器 ； 拉 力过 载保 护 中图分 类号 T D6 3 2 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 1 2 0 6 1 0 1 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 1 2 0 5 ． 1 7 3 2 ． 0 0 3 ． h t ml Ca bl e t r a c t i o n t e n s i o n o v e r l o a d p r o t e c t i o n d e v i c e o f s he a r e r LI Yu h u a 一， YANG Ch u a n c h a n g 一， YAN Ye c h e n 一，LI U Gu a n g mi n ’ 。 1． Sh a nd o ng Ene r gy Za oz hu a ng M i ni n g Gr o up Co． ，Lt d． ，Za o z hua ng 2 77 3 1 1，Ch i na； 2 ． F e n x i Ta i y u e Co a l Co ． ，Lt d ． ，S h a n x i Me i j i n En e r g y Gr o u p，C h a n g z h i 0 4 6 5 9 9，Ch i n a Abs t r a c t I n vi e w of p r obl e m of c a b l e a nd c a bl e t r a c t i o n c l a m p da m a g e d by t e n s i on o ve r l o a di n g o f c a b l e t r a c t i on o f s h e a r e r ，a c a bl e t r a c t i o n t e ns i o n ov e r l o a d pr o t e c t i o n d e v i c e of s he a r e r wa s de s i g ne d．The d e v i c e a do p t s t e ns i o n s e ns o r t o ga t h e r t r a c t i o n f or c e s i gn a l pr o duc e d i n pr oc e s s of t r a c t i ng c a bl e b y s he a r e r ， i nt e l l i ge n t c o nt r o l c i r c u i t of mi c r o c ompu t e r de t e r mi ne s t r a c t i o n t e ns i o n of c a b l e o f t h e s he a r e r whe t he r i s ov e r l o a d o r no t t hr o ug h s o f t wa r e a na l y s i s．I f t r a c t i o n t e ns i o n o f t he c a bl e i s o ve r l o a d．t h e mi c r o c o mput e r a ut o ma t i c a l l y c on t r o l s r e ve r s e t r a c t i o n o f t he s he a r e r ，a nd r e d uc e s c a bl e t r a c t i on t e ns i o n o f t he s he a r e r t o t he l o we s t ，a nd s e n ds o u t a v o i c e wa r n i ng．The a c t u a l a pp l i c a t i o n ve r i f i e s f e a s i b i l i t y o f t he de v i c e ． Ke y wo r d s p o we r s u p p l y c a b l e o f s h e a r e r 。9 c a b l e t r a c t i o n c l a mp；t r a c t i o n t e n s i o n；t e n s i o n s e n s o r ； t e ns i o n ov e r l o a d p r ot e c t i o n 0 引言 采 煤 机 供 电 电缆 安装 在 电缆 牵 引夹 中 ， 牵 引 电 缆夹运行在刮板输送机电缆槽 中， 由于受采煤工作 面复杂环境影响， 经常发生牵引电缆拉力过载故障， 严 重 时采煤 机 电缆 或 电缆 牵 引 夹会 被 拉 断 或损 坏 。 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 5 2 5 ； 修 回日期 2 0 1 7 0 7 2 8 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 实用新型专利 2 O 1 6 2 1 3 2 1 4 8 4 0 。 作者 简 介 李 玉 华 1 9 6 5 一 ， 男 ， 山东 临沂 人 ， 工 程 师 ， 长期 从 事 煤矿 采 煤 工作 面设 计 及 采 煤机 械 电器设 备 研 究 工 作， E - ma i l c n l g m f o x ma i l ． c o rn 。 引用格式 李玉华 ， 杨传常 ， 闰业臣 ， 等． 采煤机电缆牵 引拉力 过载保护装置[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 2 1 1 1 5 ． L I Yu h u a ， YANG C h u a n c h a n g ，Y AN Y e c h e n ， e t a 1 ．C a b l e t r a c t i o n t e n s io n o v e r l o a d p r o t e c t i o n d e v i c e o f s h e a r e r E J ] ． I n d u s t r y a n d M ine Au t o ma t i o n， 2 01 7， 4 3 1 2 11 1 5 ． 1 2 工 矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 采煤机 电缆 拉 断或绝 缘损 坏短 路 时会产 生高 强度 的 电火 花 ， 容 易 引起煤 尘或 瓦斯 爆炸 ， 造成 严重 的煤 矿 安全生 产事 故 。基 于多年 的采 煤机 械化 理论 研究 和 采煤工作面现场工作实践 ， 笔者分析了采煤机在牵 引 电缆过 程 中产 生拉 力 过 载 的 原 因 ， 设 计 了一 种 采 煤机电缆牵引拉力过载保护装置r 】 ] 。该装置采用拉 力传感器采集采煤机牵引电缆过程中产生的牵引拉 力 ， 通 过单 片机 智 能控 制 电路 分 析 判 断牵 引拉 力 是 否过载 ， 若 电缆牵引力过载 ， 装置 自动控制采煤机反 向牵引， 将采煤机牵引 电缆的拉力降为最低 。该装 置从根本上解决了采煤机牵引电缆过载造成的机电 事故 ， 保障了煤矿的安全生产。 1采煤 机 电缆牵 引拉 力过 载分 析 1 ． 1 采 煤机 电缆 牵引 夹材 料摩擦 系数分 析 采煤 机 电缆 牵引夹 制造 材 料一 般 采用 P A6 6塑 料材质 ， P A 6 6塑料材质具有 强度高、 耐 摩擦、 静 电 低 、 自润 滑 、 动摩擦 系数 低 的特点 [ 2 ] 。动摩擦 力 的 大 小 和 电缆牵 引夹 相互 间 的正压 力及 与 电缆槽 的摩 擦 力成正 比， 即 厂 一 N， 其 中 厂为摩擦力 ， 为 比例常 数 滑动 摩擦 系数 ， N 为 接 触 面 的正 压 力 。采 煤 机 电 缆 牵引 夹 以滑动 摩擦 方式 运行 在刮 板输送 机 电缆槽 中 ， 产 生 的动摩擦 阻力 有 电缆 牵 引 夹 与 电缆 牵 引 夹 之间 的动摩 擦 阻力 、 电缆 牵 引 夹 与 电缆 槽 之 间 的动 摩 擦 阻力 、 电缆 牵 引夹 与 杂 物 阻 塞产 生 的动 摩 擦 阻 力等 ， 这些动摩擦阻力是采煤机 电缆牵引拉力过载 产 生 的主要 原 因 。 1 ． 2采 煤机 电缆 牵 引正常拉 力 分析 本文 以山西美 锦能源 集 团太岳 煤 业股份 有 限公 司 2 1 0 1 工作面为研究背景 ， 分析在正常工作状态下 采煤 机 电缆牵 引拉 力 的情况 。该 工作 面配 备 1 0 3节 刮板 输送 机 ， 采 煤 机 以正 常 采 煤 速 度 5 m／ mi n 运 行 ， 采煤机电缆牵引夹最大行程满负荷拉力 实测数 据小于或等于 3 k N。正常工作状态下 的采煤机 电 缆 牵引拉 力 如 图 1所示 。从 图 1可 看 出 ， 正 常 工作 状态下 ， 采煤机电缆牵引拉力 与工作面长度基本成 正 比， 且具有 良好的线性关系 ， 采煤机 电缆牵引夹长 度越长 ， 产生的牵引拉力就越大。 1 ． 3 采煤 机 电缆 牵 引拉 力过 载原 因分析 采 煤 机 电缆牵 引 拉 力过 载 的原 因是 多 方 面 的 ， 采 煤 机 电缆 牵 引夹 产生 的动 摩擦 阻 力 、 采煤 机 电缆 毳囊 30 6 0 9U l 2U 电缆槽节数 图 1 正常工作状态下的采煤机 电缆牵引拉力 Fi g ．1 Ca bl e t r a c t i o n t e ns i o n o f s he a r e r u nd e r n or ma l wor ki ng c on di t i on 牵引 夹与 电缆槽 之 间 的动摩擦 阻力 等在 正 常范 围 内 不会 造成 采煤 机 电缆牵 引拉 力过 载 。造成采 煤机 电 缆牵 引拉 力过 载 的原 因有 以下 3 个 方 面 1 杂物阻塞 电缆槽 。采煤工作面环境复杂 ， 刮板 输 送机 电缆槽 是 开放式 ， 在煤 矿 生产过 程 中 ， 刮 板输送机 电缆槽 中会 落人木料 、 金属支护材 料、 矸 石 、 煤炭 等杂 物 ， 阻塞 电缆 槽 ， 阻碍 采 煤 机 电 缆牵 引 夹通 过 。 2 电缆槽 变形 。刮 板输 送 机 电缆槽 受 外 力影 响 产生 变形 ， 变形 处 的电缆 槽变 窄 ， 电缆槽 宽 度小 于 采煤 机 电缆 牵引 夹 ， 阻碍采 煤机 电缆 牵 引夹通 过 。 3 采 煤 工 作 面调 采 。若 采 煤 工 作 面 不 直 ， 需 要 调采 ， 采煤 机要 在采 煤工 作 面局部 进行 采煤 作业 ， 造 成采 煤机 电缆 牵 引 夹来 回折 叠 并 高 于 电 缆槽 ， 高 于电缆 槽 的电缆 牵 引 夹 容 易滑 入 刮 板 输送 机 中 ， 被 刮板输 送机 的刮 板 与链 条拖 曳 ， 造成 采 煤 机 电缆 牵 引拉力 过 载 。 以上 3种原 因造 成 的采煤 机 电缆牵 引拉 力过 载 故 障在 采煤 工作 面 是 经 常发 生 的 ， 若 现 场 工 作 人 员 不及 时发 现会造 成 采 煤 机 电缆 牵 引拉 力 过 载 ， 严 重 时会拉断或损坏采煤机电缆或电缆牵引夹。 2 采煤 机 电缆 牵 引拉 力过载 保 护装 置 采煤机电缆牵引拉力过载保护装置由牵引拉力 传感 器 、 单片机 智 能控制 电路 、 本 安 电源 3 个 部 分组 成 ， 本安电源为采煤机电缆牵引拉力过载保 护装置 提供工作 电源 。 2 ． 1 电缆 牵 引拉 力传 感 器 电缆牵引拉力传感器采用 D YL Y一 1 0 2 A 型电 阻应变式拉力传感 器， 拉力传感器在采煤机上的安 装 位置 如 图 2所示 。拉力传 感 器上端 与 采煤机 电缆 牵 引拉 力过 载保 护 装 置机 械 连 接 ， 下 端 与 采 煤 机 电 2 0 1 7年 第 l 2期 李 玉华 等 采 煤机 电缆 牵 引拉 力过 载保 护 装置 1 3 缆牵引夹机械连接【 ， 采煤机牵引电缆产生拉力 ， 拉 力传感 器 两端 的拉 力 产 生 变 化 时 ， 拉 力 传 感 器 内部 的应变 电阻阻 值也 发 生 微 小 变化 ， 拉 力传 感 器 输 出 应 变 电压 与 单片机 智 能控 制 电路 连 接 ， 经 多芯 电缆 传 送 到控 制 电路 的放大整 形 及 A／ D 电路 ， 实 时检 测 采煤 机牵 引 电缆过 程 中产生 的拉 力 。 2 力 传 感 器 在 采 煤 机 上 的安 装 位 置 Fi g ．2 I n s t a l l a t i on l o c a t i on of t e ns i o n s e ns o r i n s h e ar e r 图 3为采煤 机 电缆 牵 引拉力 传感 器在 汾西 太岳 煤业 股 份 有 限公 司 2 1 0 1工 作 面 采 煤 机 L的应 用 。 采煤 机 以 5 1 “I 1 ／ mi n速 度运 行 ， 电缆 牵 引拉 力传感 器 两端 处 于受 力状 态 ． _T作 面 有 1 0 3节 刮板输 送 机 ， 采 煤机 运 行到 T作 面刮板 输送 机 的 5 O节位 置时 ， 因杂 物 阻塞 电缆槽 ， 采 煤机 电缆 牵引拉 力 严重 过载 ， 电缆 牵 引拉力 大 于 5 k N， 拉 力传感 器 产生 的 应变 电压输 入 到单 片机智 能 控制 电路 ， 单 片机 软 件 检 测判 断采 煤机 电缆 牵 引拉 力过 载 ， 采 煤 机 反 向牵 引 控 制继 电 器 吸合 ， 采煤 机立 即 反 向牵 引 ， 同 时发 f ““ 电缆 牵 引 过 载故 障” 语 音 报 警 ， 采 煤 机 电 缆牵 引拉 力 由 5 k N 降 为 0 ， 停 止采 煤机 运行 ， 避 免 r因采煤 机 电缆 牵 引 拉 力过 载而损 坏 采 煤机 电缆 及 电缆 牵 引夹 ， 达 到 了 保 护采 煤机 电缆 及牵 引夹 的 没计 要求 。故障 状态 下 的采 煤 机 电缆牵 引托 力如 图 4所 示 。 图 3 电缆牵 引拉 力传感器 在采煤机 I 的应用 Fi g． 3 Ap pl i c a t i o ns o f c a bl e t r a c t i o n t e ns i o n s e ns o r i n s he a r e r 2 ． 2 单 片机智 能控 制 电路 单 片 机 智 能 控 制 电路 _T作 原 理 如 图 5 所示 ， 控 3 I J n U I J l U 电缆槽节数 罔 I 故障状态下的采煤 机电缆牵 引拉 力 Fi g ．4 Ca bl e t r a c t i o n I c ns i on of s h e a r e r un de r f rd I 】 1 t c ond i t i o n 制 电路 输 入光 电偶 合 器 检测 当前 采 煤 机 牵 引方 向 ， 电缆 牵 引拉力 传感 器 的输 出电压经 多芯 电缆传送 到 主控 制器 的放 大整形 及 人／ D 电路 ， 将 离散 的模拟 信 号 转 换 为 数 字 信 号 送 到 主 控 单 片 机 P I C 1 6 F 8 7 6 A 一- 中 ， 单 片 机 计 算 出采 煤 机 实 时 电缆 牵引 托 力值 ， 并 将 其 送 到 L E D 显示 器 ， 以 图形方 式 显示 。然 后 与 内置 整 定 电缆 牵 引 拉 力 保 护 数 值 比 对 ， 在发 生 电缆牵 引拉 力过 载时 ， 当前采 煤机牵 引 方 向取 反 ， 即发 出语音报 警 ， 单片机 输 出信号控 制继 电器 吸合 ， 采煤 机将 立 即反 向牵引 ， 电缆 牵引拉 力从 最大 值立 即 降为最 低 值 ， 单 片 机 经 过延 时 后 若检 测 到过 载 故障 消失 ， 则输 小信号 控制 继 电器断开 ， 采煤 机停 止 牵 引 。主 控 单 片 机 芯 片 P I C1 6 F 8 7 6 A 为 1 4 b i t 中级 处 理 器 ， 抗 干 扰 能 力 强 。针 对 采 煤 机 变 频器谐 波 十扰 和射 频辐射 传导 干扰 等对 电子 电路 危害 大 、 容易造 成 单 片机 程 序跑 死机 的问题 ． 在软 件上 设置 了防止 程序 跑 的 看 门 狗 ， 在硬 件 上 对 印 刷 电路 板进 行优 化设计 。特 别是 对 于采 煤机 变频 器 谐 波干 扰 J ， 采 用 了输 入数据 采 集光 电隔离 和输 出 无 源接 点等 方法 ， 使采 煤机 变频 器在 3 ～8 0 Hz 变化 时 ， 电缆 牵 引拉力 过载控 制 电路能 正常 工作 ， 达到 丫 抗 电磁 干扰 的设计 要求 。 ’ 匡] _ 方 向 检 测l ；I l 显 不 广 区 } 同 5 单 片 机 智 能 控 制 电路 工 作 原 理 Fi g． 5 W or k i n g pr i nc i pl e of m i c r oc ompu t e r i nt e l l i ge n t c ont r ol c i r c ui t ■I 6 5 4 3 2●0 z 博 1 4 工矿 自动 化 2 0 1 7年第 4 3卷 2 ． 3 本 妥 电 源 本 安 电源 采 用 MKD A一1 ／ 2 4 V 本 安 型直 流 电 源 1 ， 输 入交 流 电压 为 1 2 7 ～ 2 2 0 V， 本 安 输 出直 流 电压 为 2 4 V， 本 安最 大 开路 电压 为 2 4 ． 3 V， 本 安最 大输 出电流为 5 0 0 mA。本安 电源 2 4 V 电压输入 到保护装置电源电路 ， 经过降压及稳压后输出 1 8 v 电压给拉力传感器供 电， 输 出 5 V 电压给单片机智 能 控制 电路 供 电 。 3保 护装 置应 用 采 煤机 电缆 牵 引拉 力 过 载 保 护装 置 与 MJ 3 0 0 ／ 7 0 0 一 QWD 电牵 引采 煤 机 控 制 接 线 如 图 6所 示 ， 图 中 G ， G 。光耦 通 过 接 线 端 子 J P 1与 采 煤 机 电 控箱 及变频调速箱电连接 ， 用 以检测当前采煤机牵引方 向， 采用光电偶合器检测牵引方向对采煤机 电控箱 技术参数无影响。L L G为本安拉力传感器 ， 本安拉 AC1 力传感器输入引线 电缆通过采煤机背面 煤壁侧 闲 置 喇叭 口接 到采煤 机 本 安 接 线 端 子 ， 通 过 闲 置穿 墙 本安端子进入采煤机 电控箱 ， 确保与非本安接线端 子 的距 离大 于 5 0 mm， 采煤 机 电缆牵 引拉 力 过载 保 护装 置 控制 电路 电源输 入 电容 小 于 4 ． 7肚 F， 电源 电 路不使用电感 ， 严格执行本质安全电路标准 。采 煤机 电缆 牵 引拉 力过载 保护 装置 左 向牵引 控制 继 电 器 K 输 出无 源 接 点 ， 通 过 J P 3端 子 与 采 煤 机 电控 箱控制面板左 向牵引控制按钮电连接 。右 向牵引控 制 继 电器 K 。输 出无 源 接 点 ， 通 过 J P 4端 子 与 采 煤 机电控箱控制面板右向牵引控制按钮 电连接。牵引 停 止控 制继 电器 K。 输 出无 源 接 点 ， 通 过 J P 5端 子 与采 煤 机控 制面 板牵 引停 止按钮 电连接 。采煤 机 电 缆 牵引 拉 力 过 载 保 护 装 置 控 制 电 路 为 本 质 安 全 电 路 ， 与采 煤 机 电 控 箱 控 制 电 路 完 全 电 气 隔 离口 。 。 ， 对采煤机电控箱技术参数无影响。 CWM i I J P 3 l 左 向牵 I 按钮 强 J P 5 l 停止牵 引按钮 图 6 保护 装置与采煤机控制接线 Fi g． 6 Con t r o l c o nn e c t i on b e t we e n pr ot e c t i on de vi c e a nd s he a r e r P I C 1 6 F 8 7 6 A 单 片 机 控 制 程 序 流 程 如 图 7所 示 。P I C 1 6 F 8 7 6 A单 片机 A／ D采样 程序 流程 如 图 8 所示 。 4 结 语 采 煤机 电缆 牵 引拉力 过载 保护 装置 采用 拉力 传 感器 实 时检测 采煤 机 电缆 牵 引 拉力 ， 若 发 生 电缆 牵 引过载故障时， 单片机控制电路 自动控制采煤机反 向牵引 ， 并发出语音报警 ， 停止采煤机运行 。该装置 已在山西 美 锦 能源 集 团太 岳煤 业 股份 有 限 公 司 2 1 0 1工作 面投 入使 用 ， 多次成 功 避 免 了 因采 煤 机 电 缆牵引拉力过载故障损坏采煤机电缆或电缆牵引夹 懒 凋 2 0 1 7年 第 1 2期 李 玉华等 采煤机 电缆 牵引拉 力过 载保 护装 置 1 5 l I ／ O端口设置， I拉力过载保护数值整定 一 I 检 测当 前 采 煤 机 牵引 方向 采煤机当前牵引方向取反， 反向继电器吸合， 启动语音报 { _- 一 I 采 煤 机 停 止 牵 引 l l 图 7 P I C 1 6 F 8 7 6 A单 片机控 制程 序流程 F i g ． 7 Fl o w c h a r t o f c o n t r o l p r o g r a m o f PI C1 6 F87 6 A mi c r o c o mput e r 图 8 P I C 1 6 F 8 7 6 A单片机 A ／ D采样程序流程 Fi g , 8 F l o w c h a r t o f A／ D s a mp l i n g p r o g r a m o f PI C1 6 F8 76 A mi c r oc o mpu t e r 的事故 ， 为煤矿的安全生产提供 了保障 。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1] 张旭辉 ， 姚 闯 ， 刘志 明 ， 等．面 向 自动化工 作面 的电牵 引采 煤 机 控 制 系 统 设 计 [ J ] ．工 矿 自动 化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 4 1 - 5 ． ZHANG Xu h u 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