煤矿全自动连续出矸系统开发与应用.pdf
第 4 2卷第 7期能 源 与 环 保 V o l 4 2 N o 7 2 0 2 0年7月 C h i n aE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o nJ u l . 2 0 2 0 收稿日期 2 0 2 0- 0 4- 1 6 ; 责任编辑 刘欢欢 D O I 1 0 . 1 9 3 8 9 / j . c n k i . 1 0 0 3- 0 5 0 6 . 2 0 2 0 . 0 7 . 0 3 7 作者简介 张永玉( 1 9 7 2 ) , 男, 安徽凤台人, 工程师, 1 9 9 6年毕业于安徽工学院, 现从事综机、 节能及设备管理工作。 引用格式 张永玉. 煤矿全自动连续出矸系统开发与应用[ J ] . 能源与环保, 2 0 2 0 , 4 2 ( 7 ) 1 6 7 1 7 0 . Z h a n gY o n g y u . D e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no f f u l l a u t o m a t i ca n dc o n t i n u o u s g a n g u ed i s c h a r g i n gs y s t e mi nc o a l m i n e [ J ] . C h i n aE n e r g ya n d E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n , 2 0 2 0 , 4 2 ( 7 ) 1 6 7 1 7 0 . 煤矿全自动连续出矸系统开发与应用 张永玉 ( 中煤新集能源股份有限公司 机电信息管理部, 安徽 淮南 2 3 2 0 0 0 ) 摘要 为进一步提高岩巷掘进机械化水平, 保证矿井采掘接替平稳, 研究了煤矿全自动连续出矸系统, 分析了控制系统主要实现功能, 然后研究了该系统技术关键, 主要包括计算机辅助机械强度设计、 液 压传动系统的组成以及气压传动。系统实现了出矸高度、 矿车位置、 装置状态等的自动检测, 提高了 整个出矸系统的自动化水平, 具有较高的社会效益。 关键词 全自动连续出矸; 机械强度; 液压传动; 气压传动 中图分类号 T D 4 2 1 . 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3- 0 5 0 6 ( 2 0 2 0 ) 0 7- 0 1 6 7- 0 4 D e v e l o p me n t a n da p p l i c a t i o no f f u l l a u t o ma t i ca n dc o n t i n u o u s g a n g u ed i s c h a r g i n gs y s t e mi nc o a l mi n e Z h a n gY o n g y u ( D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a l I n f o r m a t i o nM a n a g e m e n t , C h i n aC o a l X i n j i E n e r g yC o . , L t d . , H u a i n a n 2 3 2 0 0 0 , C h i n a ) A b s t r a c t I no r d e r t o f u r t h e r i m p r o v e t h e m e c h a n i z a t i o nl e v e l o f r o c kr o a d w a y e x c a v a t i o na n de n s u r e t h e s m o o t hr e p l a c e m e n t o f m i n e e x c a v a t i o n , t h i s p a p e r s t u d i e s t h ec o a l m i n ea u t o m a t i cg a n g u es y s t e m , a n a l y z e s t h em a i nf u n c t i o n s o f t h ec o n t r o l s y s t e m , a n dt h e ns t u d i e s t h ek e yt e c h n o l o g i e s o f t h es y s t e m , i n c l u d i n gc o m p u t e r a i d e dm e c h a n i c a l s t r e n g t hd e s i g nC o m p o s i t i o no f h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m a n dp n e u m a t i c t r a n s m i s s i o n . T h e s y s t e mr e a l i z e s t h e a u t o m a t i c d e t e c t i o no f t h e h e i g h t o f t h e g a n g u e , t h e p o s i t i o no f t h e m i n e c a r , t h e s t a t u s o f t h ed e v i c e , e t c . , w h i c hi m p r o v e s t h ea u t o m a t i o nl e v e l o f t h ee n t i r eg a n g u es y s t e ma n dh a s ah i g hs o c i a l b e n e f i t . K e y w o r d s f u l l a u t o m a t i cc o n t i n u o u s g a n g u ed i s c h a r g i n g ; m e c h a n i c a l s t r e n g t h ; h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n ; p n e u m a t i ct r a n s m i s s i o n 0 引言 随着煤矿机械化程度的逐渐增加, 岩巷的掘进 水平和后续出矸自动装置也逐渐发展, 国内学者对 其进行了研究。文献[ 1 ] 提出了一种基于振动信号 的综放工作面煤矸自动识别系统, 分析了煤矸识别 算法以及煤矸识别设备的硬、 软件设计方案, 系统由 振动信号不同来辨识煤矸, 然后根据辨识结果控制 液压支架; 文献[ 2 ] 设计了适应选煤厂生产过程和 生产环境需要的网络结构和控制系统, 采用西门子 组态软件 Wi n C C , 实时采集系统的运行参数, 在控 制室实现整个选煤厂设备远程自动启停与生产流程 监视; 文献[ 3 ] 对王家塔煤矿半连续排矸运输系统 进行了研究, 构建了岩巷半连续排矸系统, 待不出煤 时利用改造后的排矸系统排弃临时储矸巷堆积的矸 石, 提高了排矸运输能力, 降低了井下安全隐患。 鉴于此, 本文设计了煤矿全自动连续出矸系统, 包括实时监测 1 3个各类传感器和 4个按钮的状态, 并通过该状态监测, 判断、 控制各种语音信号或动作 的进程, 实现了全过程自动化装车的关键。 1 全自动出矸系统 煤矿全自动连续出矸系统的技术关键在于出矸 过程的优化及机械实现和 P L C控制系统的实现。 深入分析装车与胶带配合进行出矸的过程, 得出要 实现连续出矸首先要能够监测挡矸车状态、 装车高 度及车辆位置状态、 遮挡矿车间隙机构的移动、 矿车 的移动[ 4 5 ]。全自动出矸系统如图 1所示。 761 2 0 2 0年第 7期 能 源 与 环 保第 4 2卷 图 1 全自动出矸系统 F i g 1 F u l l a u t o ma t i cg a n g u ed i s c h a r g i n gs y s t e m 首先要有足够的推力和足够大的流量, 可以采 用钢丝绳或油缸方式推车, 钢丝绳虽然推车距离长, 但钢丝绳存在推力( 拉力) 与速度不好兼顾, 绳轮弯 曲半径、 钢丝绳破断力、 钢丝绳磨损等情况; 油缸能 够很好兼顾推力和速度, 但油缸推车距离短, 如定制 一次能够推一辆矿车的油缸( 至少 2 . 7m行程) , 一 方面自身足够长( 达到 3 . 0m多) , 现场运输和安装 很不方便, 而且由于油缸过长后压杆稳定性降低, 因 此为确保强度整体直径将放大很多, 最终造成推力 很大而速度很慢, 在此情况下, 采用机构弥补油缸行 程问题, 采用 2次推全程; 另外, 矿车与推车机构的 位置、 矿车与装载点的位置及挡矸车的起始位置、 卡 爪升降时刻、 等都需要认真分析, 通过全面深入认真 的分析制定机械实现方案。 正在自动出矸现场如图 2所示。 图 2 正在自动出矸现场 F i g 2 G a n g u ei s b e i n gd i s c h a r g e df r o ms i t ea u t o ma t i c a l l y 该控制系统主要实现功能 ①实时监测 1 3个各 类传感器和 4个按钮的状态, 并通过该状态监测, 判 断、 控制各种语音信号或动作的进程; ②通过各种动 作输出与信号反馈之间的关系, 判断各个执行机构、 传感器的完好情况, 从而通过及时终止装车流程 ( 含胶带机控制) , 而避免影响或故障进一步扩大, 同时通过液晶屏显示故障部位, 便于从大量可能中 快速查找问题; ③通过装车高度和车辆位置状态的 检测, 实现该段矿车满后自动开始下一步装车流程, 当最后一辆矿车装满后自动停止系统运行和胶带机 运行, 当车辆不在起始位置时能够禁止启动该装置, 防止误动发生; 当中途发现异常拍下急停按钮后, 系 统会记忆该位置, 如简单处理后还需继续装车, 通过 翻屏按钮与复位按钮组合实现浅复位后, 按下启动 按钮, 预警规定时间后还将从中断地点继续装车。 通过上述功能的实现, 实现了全过程自动化装车。 2 技术关键 2 . 1 计算机辅助机械强度设计与应用 为确保机械机构、 部件的强度满足安全生产需 要, 各个部件的受力强度、 结构模数、 稳定性及强度 校验等都需要进行大量、 反复的计算, 而且一处校验 不合格需要全部重新进行调整计算。以往均采用计 算器手工计算, 一个数据按错就得重新计算, 采用计 算机辅助设计显得尤为重要。而购置专用软件, 成 本高, 学习周期长, 而且中间产生调整不够方便。基 于 E x c e l 的辅助计算方式, 制作方便, 中间参数调整 灵活, 计算快捷有效, 为设计出稳定、 可靠的机械创 造了条件。将各种涉及的计算项目模块化, 使调用 方便, 计算效率高。如弯曲强度、 抗拉强度、 抗压强 度及压杆稳定、 接触应力、 剪切应力等计算模块关键 模块内有对比, 便于方案优化。通过手册上的例题 和制作出的实物进行软件验证, 确保软件的正确 性[ 6 9 ]。通过计算机的辅助机械设计, 优化了连续出 矸装置的机械部分, 经济和社会效益显著。 2 . 2 液压传动系统的组成 液压传动系统的组成 动力装置、 执行装置、 控 制调节装置、 辅助装置[ 1 0 1 2 ]。全自动出矸液压系统 如图 3所示。 图 3 全自动出矸液压系统 F i g 3 F u l l a u t o ma t i ch y d r a u l i cs y s t e mf o r g a n g u ed i s c h a r g i n g 861 2 0 2 0年第 7期张永玉 煤矿全自动连续出矸系统开发与应用 第 4 2卷 液压装置容易做到对速度的无级调节, 而且调 速范围大( 一般为 1 ∶ 1 0 0 , 最大可为 1 ∶ 20 0 0 ) 。 2 . 3 气压传动 全自动出矸气动系统如图 4所示。 图 4 全自动出矸气动系统 F i g 4 F u l l a u t o ma t i cp n e u ma t i cs y s t e mf o r g a n g u ed i s c h a r g i n g 该系统由指示灯、 语音报警、 信号检测、 挡矸机 构、 推车机构、 液压泵站、 P L C控制箱等组成。其中, 推车机构由推车油缸、 推车机构滑道、 前后推车卡 爪、 支腿等部分组成。该控制装置的 P L C控制箱是 该自动出矸系统的控制核心, 负责采集各种传感器、 按钮信号并负责分析处理, 并控制各个油缸、 气缸、 指示灯、 声光报警及闭锁胶带机的动作, 同时负责数 据的上传通信等功能; 液压站负责 2个推车油缸的 液压供给, 通过与油缸的配合, 确保最大具有 9 . 3 k N的推力( 3 0辆重车直道阻力并考虑 1 . 2倍可靠 系数) , 从而能够在规定的时间内推动最多 3 0辆重 车前进; 气缸负责控制挡矸机构的升降和回位, 确保 挡矸装置能够迅速动作, 根据 P L C的控制命令准确 遮挡两辆矿车的间隙, 确保整个装车过程的不间断 进行。 由于采用大推力油缸始终直接推待装车辆, 因 此避免了间隔多辆车进行拉车作业造成的三链环自 由间距无法控制的情况出现, 能够迅速精准进行推 车操作; 同时由于装配了出矸高度检测元件, 能够自 动检测出矸高度并控制推车、 挡矸、 停胶带等全过 程, 减少了对人员的依赖, 提高了自动化程度。 模拟出矸如图 5所示。 图 5 模拟出矸 F i g 5 S i mu l a t e dg a n g u ed i s c h a r g i n g 3 系统评价 通过在胶带机头建立全自动出矸系统, 完善了 矸石的自动装运, 实现了矸石快速连续装运, 保证排 矸畅通, 有效解决了制约岩巷单进的重要瓶颈。优 化出矸系统作为提高岩巷单进的重要手段, 自动出 矸系统能实现一次不间断自动出矸 3 0辆车的功能, 而且能够实现出矸高度、 矿车位置、 装置状态等的自 动检测。当检测出矸高度满足设定后, 自动进行推 车, 且整个出矸过程不需要电机车和其他人员配合。 出矸效率的提高, 减少装载间歇时间, 提高实际出矸 生产率, 能够及时供应空车, 运出重车。 4 综合效益分析 ( 1 ) 直接经济效益。项目井下应用后, 一套系 统直接减少出矸配套的电机车司机和跟车工各 1 人, 减少监视出矸高度、 控制二运胶带机联系打点开 停机 1人, 三班共计减少 9人, 考虑 2个替班人员, 小计 1 1人; 同时由于采用挖掘机拉机尾方式延伸, 不仅延伸方便而且降低了劳动强度, 并减少原拆除 延伸临时轨道 2~ 3人, 按照 2个生产班考虑并考虑 替班人员 2名, 小计 8人, 共计减少 1 7人, 按照年平 均 7万元工资计算, 一套系统年可产生直接经济效 益 1 3 6万元, 若 3套推广, 则年可节约 4 0 8万元。同 时由于采用自主加工, 每套还可节省购置费用约 5 0 余万元, 经济效益显著。 ( 2 ) 间接经济效益。该系统使用后, 减少了胶 带机的频繁启动和维护、 配件费用, 减少了电机车的 工作量和占用数量, 减少了电机车的维护和配件费 用, 间接效益费用显著。 ( 3 ) 社会效益。该系统使用后, 提高了整个出 矸系统的自动化水平, 减少了人的不安全行为对安 全生产造成影响等, 同时通过声光预警和拉线急停 及过程中的全面保护, 提高了系统的安全性能, 总体 961 2 0 2 0年第 7期 能 源 与 环 保第 4 2卷 社会效益显著。 5 结论 通过对煤矿全自动连续出矸系统的研究, 实现 了矸石快速连续装运, 保证排矸畅通, 有效解决了制 约岩巷单进的重要瓶颈, 降低了劳动强度, 减少了电 机车的维护和配件费用, 具有显著的经济效益, 并减 少了人的不安全行为对安全生产造成影响等。 参考文献( R e f e r e n c e s ) [ 1 ] 张良, 牛剑峰, 代刚, 等. 综放工作面煤矸自动识别系统设计及 应用[ J ] . 工矿自动化, 2 0 1 4 , 4 0 ( 9 ) 1 2 9 1 3 2 . 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