煤礦主井箕斗裝載稱重裝置研究與應(yīng)用

張子明 孟翠翠 賈俊博

（遼寧省調(diào)兵山市遼寧通用重型機(jī)械股份有限公司，遼寧 調(diào)兵山 112700）

1 引言

鐵法能源公司曉明煤礦為豎井煤礦，原主井采用定容式裝載提升設(shè)備，無法滿足《煤礦安全規(guī)程》關(guān)于主井裝載提升系統(tǒng)必須采用定重裝載的技術(shù)要求。研制新型定重式裝載稱重裝置，裝載超限時及時發(fā)出語音報警信號和停車信號，確保主井提升系統(tǒng)安全運行。

2 技術(shù)原理

2.1 運算公式

提升系統(tǒng)總載荷為箕斗在井底裝載點時箕斗重量+煤炭重量+天輪重量+軸承座重量+鋼絲繩重量之和，減去箕斗重量、天輪重量、軸承座重量和鋼絲繩重量即為裝載煤炭重量。

式中：G為提升系統(tǒng)總重量，t；G1為箕斗重量，t；G2為煤炭重量，t；G3為天輪重量，t；G4為軸承座重量，t；G5為鋼絲繩重量，t。

2.2 稱重原理

由安裝在提升井塔頂部平臺上的稱重傳感器采集提升系統(tǒng)總重量模擬量信號，主副天輪各由兩件稱重傳感器采集信號，經(jīng)可編程序控制器PLC運算處理，輸出信號為兩件傳感器輸出信號的疊加值，運算結(jié)果由觸摸屏顯示負(fù)載曲線和負(fù)載實時數(shù)據(jù)。

主副天輪分別對應(yīng)主副箕斗，當(dāng)箕斗下降到主井底部裝載點時打開電動閘門進(jìn)行裝載，地面提升機(jī)控制室的觸摸屏實時顯示裝載煤炭重量，當(dāng)裝載煤炭重量達(dá)到設(shè)定值時關(guān)閉電動閘門，同時語音播報滿載信息。當(dāng)裝載煤炭重量超過設(shè)定值及系統(tǒng)發(fā)生故障時播報相應(yīng)語音。通過觸摸屏能夠?qū)ο到y(tǒng)運行參數(shù)和保護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。觸摸屏能夠輸出音頻信號，經(jīng)過擴(kuò)音后播報系統(tǒng)運行狀態(tài)及系統(tǒng)故障等信息，同時具有系統(tǒng)運行超限及系統(tǒng)故障歷史記錄的查詢功能。

3 實施方案

原提升機(jī)天輪總成為結(jié)構(gòu)件焊接結(jié)構(gòu)，天輪與天輪軸通過過盈配合組裝，天輪位于天輪軸幾何中心，天輪軸兩端設(shè)滾動軸承，通過軸承座安裝在主井井塔頂部承重梁上。提升機(jī)設(shè)在地面，提升機(jī)運行時，提升鋼絲繩隨滾筒排繩方向移動產(chǎn)生偏角，天輪另一側(cè)鋼絲繩沿鉛錘方向與箕斗懸掛裝置連接。主井天輪總成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 天輪結(jié)構(gòu)示意圖

針對原提升機(jī)天輪總成結(jié)構(gòu)制定改造方案，需要安裝稱重傳感器采集提升系統(tǒng)總重量信號，現(xiàn)有兩種技術(shù)方案待選。

3.1 技術(shù)方案1

需要在天輪軸兩端安裝稱重傳感器，必須重新制作天輪總成。將天輪及天輪軸做成分體結(jié)構(gòu)，然后再加工天輪軸軸端，天輪安裝在天輪軸幾何中心并通過滾動軸承沿天輪軸回轉(zhuǎn)，天輪軸兩端下部安裝稱重傳感器，用于采集提升系統(tǒng)總重量信號。重新制作天輪軸端結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 重新制作天輪軸端結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 技術(shù)方案2

無需重新制作天輪總成，只需配置軸承座式稱重傳感器，將原設(shè)備軸承座安裝在稱重傳感器本體上。稱重傳感器上部加工成兩端對稱的凹槽，凹槽深度10 mm，將軸承座嵌入凹槽內(nèi)，采用4件M36×3螺栓進(jìn)行緊固，然后將軸承座及軸承座式稱重傳感器用螺栓固定在原軸承座的平臺上。軸承座式稱重傳感器安裝圖如圖3。

圖3 軸承座式荷重傳感器安裝圖

3.3 技術(shù)方案實施效果對比

技術(shù)方案1需要重新制作天輪總成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要高空吊裝作業(yè)，工作量大，施工危險系數(shù)高，工程造價高。技術(shù)方案2運用軸承座式稱重傳感器，采用一體化設(shè)計，安裝方便，工作量小，工程造價低。根據(jù)技術(shù)方案實施效果對比結(jié)果，決定采用技術(shù)方案2。

3.4 煤礦主井箕斗裝載稱重裝置配置

3.4.1 煤礦主井箕斗裝載稱重電氣控制系統(tǒng)

配置可編程控制箱、軸承座式稱重傳感器、觸摸屏和報警音箱等，軸承座式稱重傳感器安裝在主井井塔天輪軸兩端，其他電氣件均安裝在提升機(jī)控制室，軸承座式稱重傳感器輸出信號經(jīng)礦用屏蔽控制軟電纜引入礦井提升機(jī)操作室。

3.4.2 煤礦主井箕斗裝載稱重視頻監(jiān)控系統(tǒng)

配置紅外攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、光端機(jī)、硬盤錄像機(jī)和高清監(jiān)視器等。4件紅外攝像機(jī)分別監(jiān)控4件稱重傳感器位置，用于監(jiān)控軸承座式稱重傳感器各部位緊固螺栓狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)任一緊固螺栓有松動現(xiàn)象立即處理，及時消除安全隱患。為保證視頻監(jiān)控圖像傳送效果，視頻信號經(jīng)光纜引入提升機(jī)控制室，經(jīng)信號處理后由高清監(jiān)視器顯示監(jiān)控畫面。

3.5 工作原理

3.5.1 電氣原理框圖

煤礦主井箕斗裝載稱重裝置電氣原理框圖如圖4。

圖4 煤礦主井箕斗裝載稱重裝置電氣原理框圖

3.5.2 工作原理

主、副天輪分別對應(yīng)主、副箕斗，主、副天輪軸兩端安裝軸承及軸承座，軸承座安裝在主井井塔頂部承重梁上，軸承座底部安裝軸承座式稱重傳感器，用于采集提升系統(tǒng)總重量模擬量信號。主、副天輪各由兩件稱重傳感器采集信號，經(jīng)可編程控制器PLC運算處理，將主天輪或副天輪的兩件傳感器輸出信號進(jìn)行疊加運算，運算結(jié)果減去箕斗重量、天輪重量、軸承座重量和鋼絲繩重量即為實際裝載煤炭重量，由觸摸屏顯示負(fù)載曲線和負(fù)載實時數(shù)據(jù)。當(dāng)箕斗出現(xiàn)卡阻及罐道變形引起運行阻力驟增時，控制系統(tǒng)能夠自動識別并及時發(fā)出語音報警信號和開關(guān)量控制信號，開關(guān)量控制信號能夠接入提升機(jī)安全控制回路，及時停止提升機(jī)運行并自動閉鎖，避免重大事故發(fā)生。

4 安裝調(diào)試

按設(shè)計圖紙安裝電氣設(shè)備，敷設(shè)控制電纜和光纜，正確連接并檢查確認(rèn)后方可進(jìn)行送電調(diào)試。

5 應(yīng)用效果分析

煤礦主井箕斗裝載稱重裝置采用提升系統(tǒng)總重量-附屬設(shè)備重量=裝載煤炭重量的技術(shù)原理，由觸摸屏直觀顯示測量結(jié)果，人機(jī)界面更加人性化，設(shè)備運行狀況一目了然。

（1）技術(shù)原理簡單，顯示界面直觀準(zhǔn)確。經(jīng)過安裝調(diào)試和精度測試，顯示精度小于±5%。

（2）創(chuàng)新運用軸承座式稱重傳感器，平板結(jié)構(gòu)減小占用空間，能夠提高設(shè)備運行的穩(wěn)定性，降低工程費用并縮短施工工期。

（3）軸承座式稱重傳感器上面中部設(shè)有10 mm凹槽，將軸承座嵌入凹槽中，用螺栓與傳感器本體緊固，防止傳感器受力發(fā)生位移，消除安全隱患。

（4）提升系統(tǒng)能夠智能識別故障類型，當(dāng)特殊原因引起運行阻力驟增時及時停止提升機(jī)運行，同時語音播報故障，避免重大事故發(fā)生。

（5）配置視頻監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)置4臺紅外攝像機(jī)，分別監(jiān)控四件軸承座式稱重傳感器的緊固螺栓，發(fā)現(xiàn)緊固螺栓發(fā)生松動時立即處置，及時消除安全隱患。

（6）稱重傳感器和紅外攝像機(jī)分別采用屏蔽控制電纜和光纜傳輸信號，減小信號衰減。

（7）設(shè)備配置科學(xué)合理，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，語音播報故障清晰洪亮，具有完善的控制和保護(hù)功能。

6 結(jié)語

煤礦主井箕斗裝載稱重裝置于2020年10月30日安裝調(diào)試完畢，已在鐵法能源公司曉明煤礦主井提升系統(tǒng)投入使用，設(shè)備運行狀況良好。系統(tǒng)自動將運算數(shù)據(jù)生成每班、每日、每月和每年煤炭產(chǎn)量報表，為煤礦重大決策提供數(shù)據(jù)支持。觸摸屏設(shè)置訪問密碼，防止惡意操作，為煤礦設(shè)備安全運行提供可靠技術(shù)支持，有利于提高煤礦安全管理水平。