掘进机结构的分析及电控系统的设计.pdf

引言 目前，掘进机是在煤矿中使用最广泛的用来完 成采掘作业的技术设备， 可以进行破煤、 掘进、 物料 回收、 运输和除尘等相关的井下掘进开采工作。 根据 工作方式的不同可以将掘进机分为全断面掘进机和 部分断面掘进机， 它们有着掘进速度快、 机械化程度 高和安全性好的优点[1-2]。但是由于井下条件复杂， 导致掘进机在工作面进行作业时常有故障发生。此 外， 一些元件的基础质量和电控系统也不太完善。 为 了提高掘进机工作时的稳定性，提高工作效率和安 全性。以悬臂式掘进机为例， 分析其结构， 然后对电 控系统进行优化设计。 1掘进机结构分析 以悬臂式掘进机 （型号 EBZ260） 为例进行掘进 机结构研究。悬臂式掘进机是目前采煤工作面使用 最为广泛的掘进系统， 它由本体机构、 行动机构、 切 割机构、 装运机构、 支撑机构和电控系统组成[3]， 适 用于各种地质条件下的巷道掘进工作，其结构示意 图如图 1 所示。该型号掘进机工作时的截割面可以 达到 31 m3， 可以满足的最大巷道的宽度为 6.3 m， 最 大的巷道高度可达 5.2 m。此外， 它可以对截割硬度 为 110 MPa 的岩层进行切割，可以满足最大的单向 抗压强度为 90 MPa 的岩层。 其各个结构的组成和主 要功能如下 1） 本体机构。 主要用来承载掘进机来自切割部、 行走部和运行部的荷载， 也是整个掘进机的框架， 由 机架台和回转台组成。 2） 行动机构。 完成掘进机的移动， 悬臂式掘进机 一般选用履带式行动机构，由两条分别驱动的履带 组成。 3） 切割结构。 悬臂式掘进机的切割部分包括悬 臂、 切割刀具、 驱动电机、 运动减速箱和结构安装防 护支架组成。它的工作原理是驱动电机将动力传送 至截割头的减速运动箱， 减速运动箱通过截割臂将 动力传至切割刀具进行掘进作业。该系统中还有液 压部分来配合减速运动箱控制切割刀具的移动。 4） 装运机构。将掘进开采后的煤炭或物料运向 运输机， 完成运输任务， 主要由铲板、 驱动装置和测 铲板组成。在装运机构的驱动装置一般选择速率低 但是扭矩大的液压马达。 5） 支撑机构。 主要用来固定工作时的掘进机， 起 到稳固机器、 减少岩层反作用力的作用， 由重力支架 组成。 6） 电控系统。是掘进机中负责控制所有电气系 统的设备。 负责收集掘进机数据和井下地质数据， 根 据这些反馈结合实际情况， 来完成掘进开采作业。 2掘进机电控系统硬件的设计 悬臂式掘进机的工作环境复杂，在工作面上往 往空气湿度大，并且混杂着各种煤尘和杂质，例如 SO2、 N0、 NO2等腐蚀性气体也比较多。此外， 在采掘 机运行时的剧烈振动会对装置产生损伤。所以在选 掘进机结构的分析及电控系统的设计 王鹏 （同煤集团四老沟矿， 山西大同037028） 摘要 针对目前煤炭开采中的掘进问题， 以 EBZ260 悬臂式掘进机为例， 分析了其结构设计及其电控系统的硬 件和软件设计。 该掘进机结构以 DCF-1 控制器为核心， 具有稳定性高、 耐腐蚀的优点， 可以满足不同工作状况下 的掘进要求， 提高了掘进机的自动化程度， 保证了掘进工作的安全高效。 关键词 掘进机电控系统优化设计 中图分类号 TD421.5文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 06-0205-02 收稿日期 2020-03-29 作者简介 王鹏 （1994） ， 男， 本科， 毕业于华北电力大学科技 学院， 助理工程师， 研究方向为煤矿机电技术。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.06.090 总第 206 期 2020 年第6 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 206 No.6， 2020 1切割机构； 2装运机构； 3本体机构 （机架） ； 4行动机 构； 5第一运输机； 6液压控制机构； 7喷雾冷却机构； 8润滑机构； 9后支撑机构； 10电气机构 图 1EBZ260 型号掘进机结构图 1 234 5 6 7 89 10 自动化技术与设计 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 用硬件时要满足抗震、 耐腐蚀和低故障率的装置。 为了满足井下工作条件，要求电控系统的控制 器要稳定、 防护等级高， 可以适应振动大、 湿度强的 井下环境， 一般的 PLC 不适用于上述要求。为了满 足上述条件，选用 Inter Control 公司的 DCF-1 控制 器作为处理核心[4]。该控制器的通讯接口 （输入端和 输出端） 比较多、 存储空间也比较大。悬臂式掘进机 组成机构比较多， 工作环境复杂， 需要控制的变量和 电气设备 （包括电机和传感器） 也很多， DCF-1 控制 器丰富的通讯接口可以满足悬臂式掘进机的电气控 制要求。 电气机构的电源部分由控制变压器、高压熔断 器、 空气断路器、 本安直流电源和非本安直流电源组 成[5]。 控制变压器选择额定容量为 1.9 kVA 的变压器， 要求电压的波动范围位于 -2015。在电源系统 中， 本安电源为 110 V， 为控制器和其他电气设备供电 的电源为 24 V， 5 V 为总线在隔离模块中的电压值。 保护单元由低压 / 高压漏电监测模块、电压变 送器、 电流变送器、 耦合器和各种传感器组成。使用 Pt100 温度传感器来反馈工作温度，然后通过 CANopen 总线把收集到的信息传往控制器。监测漏 电模块和耦合器则分布在各个结构的绝缘部，在电 源启动和各个系统开始工作前进行漏电监测。 此外， 位于邮箱的液油传感器将监测油温和液位，然后将 数据发往控制器来判定是否继续保护。 控制单元主要由 Inter Control 公司的 DCF-1 控 制器组成， 结合上述的电源器件和保护的单元， 控制 器负责信息的采集、 处理和系统控制。 控制单元的硬 件设置主要由各个控制点、 各个系统保护点、 中间继 电器和各个元件的输入和输出接点组成。控制器选 择 DCF-1，中间继电器选择 CAN 光隔离中间继电 器。这样不仅可以实现对 CAN 信号的隔离操作， 还 可以放大系统中的信号， 抗干扰能力强。 结合上述硬件设计，选用矿用防爆电控箱来对 电控系统继续安装， 其结构图如图 2 所示。 在电控箱 的上侧为接线腔， 设有接线端子。下侧为主腔， 主腔 底部安装保护单元、 变压器和继电器。 在主腔上部安 装耦合器和传感器， 左侧安装控制器。 3掘进机电控系统软件设计 根据上述功能和硬件介绍，首先根据如图 3 的 主程序流程图完成主程序软件设计。它的主要作用 是在各个元件和子程序开始启动后，通过等待和命 令控制， 完成对各个子程序的调用。 在完成主程序的软件设计后，继续初始化子程 序的设计， 它主要是通过控制器对 CANOpen 的设备 进行管理， 同时对传感器发回的数据进行分析处理， 它的系统流程图如图 4 所示。 系统状态的子程序是对控制器进行 I/O 初始化， 然后将内部控制和外部 I/O 完成映射起到对系统各 个工作部分的监测工作。包括漏电监测输入计算、 系 统进出电压的监测和其他传感器的监测处理等。 电机状态管理子程序是对电机工作状态进行分 析处理， 是针对掘进机电机的温度、 电流进行的采集 映射和处理。 此外， 也对电机油箱和工作时间进行监 测统计。 运行状态子程序是掘进机运行逻辑核心，收集 所处工作环境和目前的运行状态，直白地显示在操 作台上， 根据功能要求和相关的工作经验， 提出操作 意见和状态分析结果。 4结语 根据掘进机在井下工作时的环境要求和电气设 备要求， 以悬臂式掘进机为例， 提出了具有抗干扰能 力强、 耐腐蚀、 效能好的掘进机结构设计， 其核心是 Inter Control 公司的 DCF-1 控制器。 图 2电控箱结构图 图 3主程序流程图图 4初始化子程序流程图 开始 系统开机 延迟 5 s 初始化程序 系统状态管理程序 电机管理程序 运行状态判断处理程序 开始 CAN 通讯管理子程序 PDO 管理映射 数据参数赋值子程序 返回 （下转第 249 页） 206 2020 年第 6 期 源采集及出错情况修改途径、长钢过轨及排空统计 方法的审定、列检作业信息提取等系统构建和数据 整合。 在系统投用具体实施过程中， 针对运行中存在 的计划图转实际图、 双机重联作业、 装车信息重复提 交、日报表数据采集不全等技术问题进行了一系列 攻关解决， 确保了系统的平稳正常运行。 目前，在潞安集团矿区自营铁路的多个车站使 用情况良好，设备达到了铁路技术管理的相关技术 标准， 设备运行良好。该系统优化了调度指挥模式， 降低了行车人员劳动强度， 加快了车辆周转， 提高了 运输组织效率， 保证了运输安全。 该系统的应用具有 较好的经济和社会效益。 参考文献 [1]张艳琴.铁路调度通信系统的设计[J].科技创新与应用， 2013 （6） 49. [2]刘永恒.大准铁路 TDCS 的建设和使用[D].呼和浩特 内蒙古大 学， 2012. [3]白桦.准东铁路公司 TDCS 网络安全系统的设计与实现[D].呼 和浩特 内蒙古大学， 2012. [4]钟宏波.包神铁路公司 TDCS 网络子系统的设计与实现[D].沈 阳 东北大学， 2009. （编辑 赵婧） Design and Application of Integrated Management System for Railway Transportation in Mining Area Xiong Kai （Luan Group Railway Operation Company, Changzhi Shanxi 046011） Abstract The integrated dispatching management system of railway transportation in mining area is designed for real mine in Luan mining area, and the design idea, function requirement, system structure and principle of the system are analyzed. The system Luan Group Railway Operation Company has carried on the practice application, effectively realized the scientific and modern railway transportation organization, increased the railway transportation energy, improved the transportation efficiency, reduced the labor intensity, optimized the dispatching command mode, and put forward the solution direction for the mining area railway transportation to tap the potential and increase the efficiency. Key words scheduling; scheduling monitoring; TDCS; design 此外， 还包括了电源、 保护单元和控制单元的设计。 然后根据工作要求和硬件设施，针对掘进机电控系 统的工作状况， 提出了掘进机电控系统的软件设计， 设计后的软件可以完成设计要求，包括对掘进机的 各个工作子程序、 电控系统状态的监测和管理。 参考文献 [1]张涛.基于液压阀 PLC 控制器的掘进机电控系统优化设计[J]. 煤矿机电， 2013 （2） 14-16. [2]张金富. 基于 EPEC 专用控制器的悬臂式掘进机电气控制系统 优化设计[J].企业科技与发展， 2010 （16） 88-89. [3]李海东，李忠虎.EBZ160 掘进机电气控制系统优化设计研究 [J].山东工业技术， 2018 （15） 82. [4]赵丽娟， 孙晓娜， 刘旭.掘进机后支撑腿的力学特性分析及结构 优化设计[J].现代制造工程， 2012 （9） 13-17. [5]胡忠兴.EBZ300 掘进机回转结构的优化设计[J].机械研究与应 用， 2019 （3） 199-201. （编辑 王瑾） Optimization Design of Roadheader Structure and Electronic Control System Wang Peng （Laogou Coal Mine of Datong Coal Mine Group, Datong Shanxi 037028） Abstract In view of the current tunneling problem in coal mining, a new tunneling machine structure design is proposed, and the electronic control system of the tunneling machine is optimized, including hardware and software design. After the design, the structure of the roadheader takes the DCF-1 controller as the core, and has the advantages of high stability and corrosion resistance, which can meet the requirements of the tunneling under different working conditions, improve the automation degree of the roadheader, and ensure the safety and efficiency of the tunneling work. Key words roadheader; electronic control system; optimization; design （上接第 206 页） 熊开 矿区铁路运输综合调度管理系统的设计与应用249